Кудряков Олег Вячеславович, профессор кафедры «Материаловедение и технологии металлов», доктор технических наук, профессор
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ResearcherID, ScopusID
Oleg V Kudryakov, professor of the Materials Science and Metal Technology Department, Dr. Sci. (Eng.), professor
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
ResearcherID, ScopusID
Варавка Валерий Николаевич, профессор кафедры «Материаловедение и технологии металлов», директор НОЦ «Материалы», доктор технических наук
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ResearcherID, ScopusID
Valeriy N Varavka, professor of the Materials Science and Metal Technology Department, Director of REC "Materials", Dr. Sci. (Eng.)
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
ResearcherID, ScopusID
Арефьева Людмила Павловна, доцент кафедры «Материаловедение и технологии металлов», доктор физико-математических наук, доцент
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ResearcherID, ScopusID
Lyudmila P Arefeva, associate professor of the Materials Science and Metal Technology Department, Dr. Sci. (Phys.-Math.), associate professor
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003, RF
ResearcherID, ScopusID
Введение. Нанесение функциональных покрытий на изделия, у которых эксплуатационные свойства локализованы в поверхностном слое, – это тренд в современном машиностроении и науке о материалах. Рассматриваемые в этой связи вопросы актуальны, в частности, для термобарьерных покрытий лопаток турбин паровых и газотурбинных двигателей. Стоит отдельно упомянуть материалы, которые при эксплуатации испытывают значительные тепловые нагрузки. В таком случае представляется проблемой отсутствие надежных методов прогнозирования теплофизических свойств покрытия. Основной целью работы было создание расчетно-аналитической методики для определения теплопроводности покрытий. Данный подход базируется на экспериментальных данных и учитывает структурные параметры материала.
Материалы и методы. Эксперименты проводили с лопатками высокоскоростного газотурбинного локомотивного двигателя из жаростойкого хромоникелевого сплава Inconel 713LC. С помощью вакуумной ионно-плазменной технологии наносили экспериментальное многофазное покрытие интерметаллидной системы Nb-Ti-Al толщиной около 80 мкм. В работе использовали двулучевой сканирующий электронный микроскоп Zeiss CrossBeam 340. Теплопроводность покрытий определяли по экспериментальной методике, основанной на измерении контактной разности потенциалов (КРП). Численные значения этой разности получили с помощью зеркального гальванометра с высокой чувствительностью по напряжению. Для фиксирования показаний задействовали специальный усилитель сигнала и USB-осциллограф.
Результаты исследования. Расчетный аппарат методики определения теплопроводности базируется на экспериментальных значениях ∆φ КРП:
– для основного металла (Inconel 713LC) +846 мкВ;
– для покрытия Nb-Ti-Al – 90 мкВ.
Решение задачи о распределении частиц в силовом поле с разностью потенциалов ∆φ описывается распределением Больцмана. Отталкиваясь от полученного таким образом результата, узнали:
– КРП на границе соприкасающихся металлов;
– энергию и теплопроводность уровня Ферми;
– время релаксации электрона.
Рассмотрено разнонаправленное влияние, которое размерные различия частиц второй фазы оказывают на эффективную теплопроводность. Для этого случая найдено безразмерное значение эффективной теплопроводности в направлении каждой оси и эффективная теплопроводность композита. Пористость учтена по зависимости Максвелла – Эйкена и введена в общую систему расчетов. Установлена теплопроводность Nb-Ti-Al: λNbTiAl = 4,76 Вт/м∙К. Таким образом, термобарьерное покрытие Nb-Ti-Al полностью отвечает своему функциональному назначению.
Обсуждение и заключения. Описанная в статье методика определения теплопроводности применима только к проводящим консолидированным материалам или композитам с непрерывной проводящей матрицей. Представленная работа завершает начальную стадию создания расчетно-аналитической модели прогнозирования теплопроводности материалов и покрытий. Итоги тестирования модели для материалов со сложной структурой показали ее удовлетворительную точность. Это свидетельствует о целесообразности использования двух рассмотренных элементов модели. Первый – инструментальное измерение КРП. Второй – учет особенностей структурно-фазового состояния материала. С развитием модели предполагается преодолеть ее слабые места:
– невозможность использования для определения теплопроводности непроводящих объектов;
– значительное снижение точности определения теплопроводности для материалов и покрытий с градиентной структурой.
Introduction. The application of functional coatings on products, the performance properties of which are localized in the surface layer is a trend in modern mechanical engineering and materials science. The issues considered in this regard are relevant, in particular, for thermal-barrier coatings of turbine blades of steam and gas turbine engines. It is worth mentioning the materials that experience significant thermal loads during operation. In this case, the lack of reliable methods for predicting the thermophysical properties of the coating seems to be a problem. The work objective is to create a computational and analytical methodology for determining the thermal conductivity of coatings. This approach is based on experimental data and takes into account structural parameters of the material.
Materials and Methods. The experiments were carried out with the blades of a high-speed gas turbine of a locomotive engine made of heat-resistant chromium-nickel alloy Inconel 713LC. An experimental multiphase coating of the Nb-Ti-Al intermetallic system with a thickness of about 80 microns was applied using vacuum ion-plasma technology. The two-beam scanning electron microscope Zeiss CrossBeam 340 was used in the work. The thermal conductivity of the coatings was determined by an experimental technique based on the measurement of the contact potential difference (CPD). Numerical values of this difference were obtained using a mirror galvanometer with high voltage sensitivity. A special signal amplifier and a USB oscilloscope were used to record the readings.
Results. The calculation apparatus of the thermal conductivity determination technique is based on the experimental values of ∆φ CPD:
– for the base metal (Inconel 713LC) +846 mkV;
– for the coating Nb-Ti-Al – 90 mkV.
The solution to the problem of the distribution of particles in a force field with a potential difference ∆φ is described by the Boltzmann distribution. Starting from the obtained result, we get:
– CPD at the boundary of the contacting metals;
– energy and thermal conductivity of the Fermi level;
– electron relaxation time.
The multidirectional influence that the dimensional differences of the particles of the second phase have on the effective thermal conductivity is considered. For this case, a dimensionless value of the effective thermal conductivity in the direction of each axis and the effective thermal conductivity of the composite are found. Porosity is taken into account according to the Maxwell – Aiken dependence and introduced into the general calculation system. The thermal conductivity of Nb-Ti-Al is established: λNbTiAl = 4,76 W/m∙K. Thus, the thermal barrier coating Nb-Ti-Al fully meets its functional purpose.
Discussion and Conclusion.The method of determining thermal conductivity described in the article is applicable only to conductive consolidated materials or composites with a continuous conductive matrix. The presented work completes the initial stage of creating a computational and analytical model for predicting the thermal conductivity of materials and coatings. The results of testing the model for materials with a complex structure showed its satisfactory accuracy. This indicates the expediency of using the two considered elements of the model. The first one is the instrumental measurement of the CPD. The second one is taking into account the features of the structural and phase state of the material. With the development of the model, it is expected to overcome its weaknesses:
– the impossibility of using non-conductive objects to determine the thermal conductivity;
– a significant decrease in the accuracy of determining thermal conductivity for materials and coatings with a gradient structure.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.