Инженерно-физический метод определения теплопроводности объектов микрометрической толщины со сложной структурой

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: λ_NbTiAl = 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.

1. Padture N.P., Gell M., Padture N.P. et al. Thermal barrier coatings for gas turbine engine applications. Science. 2002;296:280–284.

2. Schulz U. Some recent trends in research and technology for advanced thermal barrier coatings. Aerospace Science and Technology. 2003;7:73–80.

3. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД. Авиационные материалы и технологии. 2012;5:60–70.

4. Kim G.M., Yanar N.M., Hewitt E.N., et al. Influence of the type of thermal exposure on the durability of thermal barrier coatings. Scripta Materialia. 2002;46:489–495.

5. Freund L.B., Suresh S. Thin film materials: stress, defect formation and surface evolution. Boston: Cambridge University Press & Assessment; 2009. 750 p.

6. Evans H.E. High Temperature Coatings: Protection and Breakdown. In: Shreir's Corrosion. Vol. 1: Basic Concepts, High Temperature Corrosion. Amsterdam: Elsevier; 2010. P. 691–724.

7. Roy M. Surface Engineering for Enhanced Performance against Wear. Wien: Springer-Verlag; 2013. 310 p.

8. Ильин А.А., Плихунов В.В., Петров Л.М. и др. Вакуумная ионно-плазменная обработка. Москва: ИНФРА-М; 2014. 160 с.

9. Ellahi R. Recent Trends in Coatings and Thin Film: Modeling and Application. Coatings. 2020;10(8):777–785.

10. Banerjee D.A. A new ordered orthorhombic phase in Ti3Al-Nb alloy. Acta Metallurgica. 1988;36:871–872.

11. Chaumat V., Ressouche E., Ouladdiaf В., et al. Experimental study of phase equilibria in the Nb-Ti-Al system. Scripta Materialia. 1999;40(8):905–911.

12. Полькин И.С., Колачев Б.А., Ильин А.А. и др. Алюминиды титана и сплавы на их основе. Технология легких сплавов. 1999;3:32–39.

13. Peng J.H., Mao Y., Li S.Q., et al. Microstructure controlling by heat treatment and complex processing for Ti2AlNb based alloys. Materials Science and Engineering A. 2001;209:75–80.

14. Raghavan V. Al-Nb-Ti (Aluminum — Niobium — Titanium). Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2005;26(4):360–368.

15. Казанцева Н.В., Лепихин С.В. Исследование диаграммы состояния Ti-Al-Nb. Физика металлов и металловедение. 2006;102(2):184–195.

16. Китель Ч. Введение в физику твердого тела. Москва: Наука; 1978. 792 с.

17. Пчелинцев А.Н., Шишин В.А. Время релаксации электронов проводимости в металле. Вестник Тамбовского государственного университета. 2003;9(3):464–468.

18. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. и др. Теплопроводность композита, армированного волокнами. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013;5:75–81.

19. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Оценка методом самосогласования эффективной теплопроводности трансверсального изотропного композита с изотропными эллипсоидальными включениями. Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2015;3:99–109.

20. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Москва: Наука; 1964. 488 с.