Wyniki 1-10 spośród 10 dla zapytania: authorDesc:"Łukasz Szparaga"

Modelowanie ewolucji stanów naprężeń w wielowarstwowej powłoce CrN/Cr za pomocą MES

Czytaj za darmo! »

Obecnie istnieje duże zainteresowanie ośrodków przemysłowych i badawczych projektowaniem i optymalizacją procesów nakładania powłok przeciwzużyciowych metodami PVD na narzędzia do obróbki drewa i metalu [1÷5]. Istotnym komponentem w opracowaniu inteligentnego systemu sterowania procesami PVD jest znajomość dynamiki stanów naprężeń występujących w nakładanej powłoce. Istnieje szereg publikacji dotyczących pomiarów i symulacji numerycznych stanów naprężeń występujących w powłokach w trakcie i po procesie nanoszenia metodami PVD [6÷9], jednakże ze względu na bogactwo zjawisk fizycznych i chemicznych towarzyszących tym procesom tematyka ta ciągle pozostaje otwarta. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się powłoki wielowarstwowe, które mogą być wysoce efektywne z punktu widzenia zwiększenia adhezji, twardości czy stabilności termicznej. Modelowana powłoka wielowarstwowa składa się z 7 modułów CrN/Cr. Grubości warstwy CrN i Cr w każdym module wynoszą odpowiednio 340 nm i 170 nm. Szczegółowy opis modeli matematycznych i fizycznych powstawania naprężeń wewnątrz rozważanych powłok po procesie nanoszenia metodami PVD można znaleźć na przykład w pracach [1, 5, 8]. Dodatkowo postuluje się występowanie ciągłej zmiany parametrów fizycznych poszczególnych warstw powłoki za pomocą sigmoidalnej funkcji przejścia [1]. W zaproponowanym modelu powłoki występuje 7 modułów CrN/Cr, co prowadzi do 13 funkcji przejściowych postaci: f P P P e f P P P i x a j i Cr CrN Cr CrN Cr CrN Cr CrN Cr C → - ( - ) - → = + ( - )( + ) = + - 1 β 1 rrN ( )( + - ( - ) )- 1 1 e x aj β (1) gdzie: i = 1, 3, .., 13, j = 2, 4, ..., 14. PCr i PCrN oznaczają odpowiednio parametry fizyczne warstwy chromu i azotku chromu, ai i aj długości wektorów translacji. Dziedziny funkcji przejścia są dla rozważanej geom[...]

Modelowanie stanów naprężeń w powłokach TiAlN/TiN/Cr z warstwami przejściowymi

Czytaj za darmo! »

Tematyka komputerowego wspomagania projektowania warstw ochronnych stanowi obecnie obiekt zainteresowania wielu ośrodków przemysłowych i badawczych. Istnieje szereg publikacji dotyczących pomiarów oraz symulacji numerycznych rozkładów naprężeń i odkształceń występujących w powłokach w trakcie i po procesie nanoszenia technikami PVD, np. [1÷6]. Ze względu na nieustanne modyfikacje budowy powłok oraz technik nanoszenia tematyka ta ciągle pozostaje otwarta. Jednym z kluczowych zagadnień badawczych z obszaru cienkich powłok jest opis mechanizmów fizycznych powstawania naprężeń wewnętrznych, w szczególności opis ewolucji czasowej i temperaturowej ich rozkładów [7÷13]. Szczególna uwaga jest poświęcona również warstwom gradientowym (Functionally Graded Materials FGM). Warstwy te stanowią modyfikację klasycznie stosowanych wielowarstwowych powłok i mogą być wysoce efektywne z punktu widzenia zwiększenia adhezji, twardości czy stabilności termicznej. Obecną koncepcję opisu fizycznego i matematycznego warstw przejściowych oraz ich wykorzystania zawierają na przykład prace [14÷19]. Opisane zagadnienia badawcze są niezwykle istotne z punktu widzenia tworzenia komponentów inteligentnych systemów wspomagania projektowania i optymalizacji procesów nanoszenia warstw [20÷22]. Szczegółowy opis modeli matematycznych i fizycznych powstawania naprężeń wewnątrz rozważanych powłok po procesie nanoszenia technikami PVD można znaleźć w publikacjach [1÷7,14÷17]. Nawiązując do prac [14, 15, 17], w których badano wpływ postaci funkcji przejściowych na stany naprężeń, utworzono klasę nierównowagowych funkcji opisujących ciągłą zmianę parametrów fizycznych poszczególnych warstw powłoki K-warstwowej w następującej postaci: f P P P w P P j j j i a x b i N j j i i + -> + - ( + ) - = = + ( - )⋅Π( + ) 1 1 1 1 1 (1) gdzie: i = 1, 2, ..., N oraz j = 1, 2, ..., K - 1, Pj i Pj + 1 oznaczają odpowiednio parametry fizyczne j i j + 1 warstwy, [...]

Polioptymalizacja przeciwzużyciowych powłok gradientowych TiAlN/TiN

Czytaj za darmo! »

Koncepcje stosowania warstw przejściowych pomiędzy podłożem a powłoką i między warstwami powłoki w celu polepszenia mechanicznych właściwości powłok, w tym na przykład zwiększania adhezji do podłoża oraz redukcji skoku naprężeń na granicy powłoka/ podłoże, są obecnie intensywnie wykorzystywane przy projektowaniu powłok przeciwzużyciowych. Współczesne koncepcje dotyczące modelowania warstw przejściowych korzystają z tzw. funkcji przejścia opisujących ciągłą zmianę parametrów fizykochemicznych [1÷4]. Rozważania te nie są wyłącznie teoretyczne, ponieważ dynamiczny rozwój technik nanoszenia powłok stwarza szerokie możliwości kształtowania warstw przejściowych. Istnieje zatem technologiczna możliwość efektywnego sterowania zmianami parametrów fizykochemicznych w powłokach gradientowych. Celowe zatem staje się opracowanie procedur polioptymalizacyjnych wspomagających projektowanie optymalych powłok gradientowych. Umożliwiają one symulacyjne badanie właściwości mechanicznych warstw gradientowych, co ogranicza w dużym stopniu czasochłonne i kosztowne badania eksperymentalne powłok. Jednakże jest jeszcze niewiele prac dotyczących komputerowej polioptymalizacji powłok przeciwzużyciowych na podstawie modeli matematycznych opisujących stany naprężeń pod wpływem obciążeń zewnętrznych [5, 6]. Ze względu na wagę zagadnienia te stanowią obecnie przedmiot badań wielu ośrodków naukowych i przemysłowych. W celu utworzenia procedury polioptymalizacyjnej wspomagającej projektowanie powłok gradientowych w pracy wykorzystano koncepcje dotyczące modelowania matematycznego warstw przejściowych zawarte w pracach [1÷4], w których badano wpływ postaci funkcji przejściowych na stany naprężeń. Zaproponowano klasę funkcji przejścia opisujących ciągłą zmianę parametrów fizycznych poszczególnych warstw powłoki K-warstwowej w następującej postaci: fP P Pj Pj Pj ai b x w i N j j i i -> + - ( + ) - = + = + ( - )⋅Π( + ) 1 1 1 1 1 (1) gdzi[...]

Modelowanie i symulacja numeryczna stanu naprężeń i odkształceń w warstwie wierzchniej noża strugarki do obróbki drewna pokrytego powłoką przeciwzużyciową

Czytaj za darmo! »

Celem pracy jest prezentacja wyników symulacji komputerowych opartych na metodzie MES, przeprowadzonych dla pracy noża pokrytego powłokami przeciwzużyciowymi. Istnieje szereg publikacji dotyczących matematycznych i aplikacyjnych aspektów metody MES [1÷3], wiele z nich poświęconych jest bezpośrednio wspomaganiu komputerowemu projektowania i optymalizacji procesu nanoszenia warstw przeciwzużyciowych [4÷6, 8] oraz opisowi procesów wynikających z eksploatacji narzędzi [7]. W wielu przypadkach do symulacji wykorzystuje się gotowe pakiety komputerowe, jak np. ANSYS czy COMSOL, co znaczenie ułatwia i poszerza możliwości potencjalnych zastosowań, również ze względu na bardzo rozbudowane i bogate opcje pomocy występujące w tych programach. Głównym celem symulacji komputerowych jest możliwość analizy rzeczywistego procesu fizycznego bez wykonywania eksperymentów. Mając to na uwadze najtrudniejszym etapem stworzenia modelu komputerowego jest wybór i hierarchizacja zjawisk fizycznych towarzyszących badanemu procesowi, ustalenie warunków początkowych i brzegowych oraz dobór typu i liczby elementów skończonych. W artykule pokazane zostały wyniki symulacji opisujących pola naprężeń wewnątrz noża wykonanego ze stali HSS pokrytego powłoką dwuwarstwową: (TiN oraz TiAlN) zwiększającą trwałość narzędzia. Przeprowadzone symulacje w późniejszym horyzoncie czasowym użyte zostaną jako pierwsze przybliżenie opisu procesu pracy noża w procedurze polioptymalizacyjnej, mającej na celu wspomaganie prototypowania typu, grubości i kształtu nakładanych powłok przeciwzużyciowych. Model Fizyczny W trakcie pracy noża strugarki występuje szereg zjawisk fizycznych. Należy do nich zaliczyć zjawisko odkształceń powstających pod wpływem sił zewnętrznych (np. opory skrawania), zjawisko tarcia, rozszerzalność termiczną obiektu oraz strumień ciepła. Wymienione zjawiska w konsekwencji determinują zjawisko adhezji. W pracy skupiono uwagę na zjawisku odkształceń i naprę[...]

Dylatometryczna metoda detekcji efektów termomechanicznych w powłokach gradientowych CrCN/CrN

Czytaj za darmo! »

Intensywny rozwój technologii przeciwzużyciowych powłok PVD osadzanych na powierzchniach roboczych narzędzi do maszynowych obróbek metali i drewna oraz wzrastające wymagania dotyczące parametrów eksploatacyjnych narzędzi wymuszają stosowanie zróżnicowanych badań diagnostycznych nowo opracowanych powłok. W tym zakresie wyprzedzająca znajomość stabilności termicznej właściwości powłok istotnych z punktu widzenia trwałości narzędzi jest bardzo ważnym elementem w procesie doboru parametrów technologii projektowanych struktur przeciwzużyciowych [1÷6]. Użytkowanie narzędzi w złożonych węzłach tribologicznych powoduje często cieplne aktywowanie szeregu procesów mikroi makroskopowych. Są nimi przede wszystkim relaksacja naprężeń, rozrost ziaren materiału powłoki, procesy dyfuzji, jak również degradacja chemiczna i mechaniczna struktury powłok [7÷11]. Efektem tych procesów i ich synergii są między innymi zmiany stanu naprężeń w powłokach [12]. W opracowanej metodzie podczas izotermicznego wyżarzania lub liniowych zmian temperatury systemu podłoże-powłoka PVD są odwzorowywane oddziaływania cieplne na powłokę, jakie mają miejsce w rzeczywistych warunkach eksploatacji struktur przeciwzużyciowych PVD. Cechy wyróżniające opracowaną metodę polegają na tym, że monitorowanie zmian naprężeń w powłoce odbywa się podczas przebiegu zastosowanej obróbki cieplnej, a przedmiotem pomiarów są zmiany temperatury i przemieszczeń liniowych podłoża [1÷5, 13, 14]. Wsród powłok przeciwzużyciowych na szczególną uwagę zasługują tzw. powłoki gradientowe. Należą one to do grupy materiałów FGM (Functionally Graded Materials), które charakteryzują się ciągłą zmianą parametrów fizykochemicznych w funkcji zmiennych przestrzennych. Stosowanie powłok gradientowych umożliwia redukcję naprężeń na granicach warstwa/podłoże oraz pomiędzy warstwami powłoki wielowarstwowej. Prowadzi to do polepszenia mechanicznych właściwości powłok, w tym np. zwiększenia adhezji powłoki [...]

Dylatometryczna metoda badania właściwości termomechanicznych powłok gradientowych CrN/CrCN DOI:10.15199/28.2015.2.10


  1. WPROWADZNIE Zagadnienia związane z oceną stabilności termicznej systemów podłoże/powłoka PVD stanowią przedmiot badań wielu ośrodków naukowych i przemysłowych [1÷9]. Jest ona kluczowa z punktu widzenia prognozowania trwałości eksploatacyjnej powłok, osadzanych na częściach maszyn i narzędzi pracujących w warunkach podwyższonych obciążeń termomechanicznych. Obciążenia te powodują aktywację szeregu procesów, między innymi: dyfuzji wzajemnej w obrębie systemu podłoże/powłoka, relaksacji naprężeń wewnętrzych, jak również delaminacji i pękania powłok [8÷14]. Obecne systemy podłoże/powłoka charakteryzują się coraz bardziej złożoną architekturą i geometrią osadzanych powłok. W szczególności już istniejące technologie osadzania powłok umożliwiają zmianę parametrów fizykochemicznych w warstwach przejściowych powłok wielowarstwowych w funkcji zmiennych przestrzennych, tworząc tzw. grupę materiałów FGM (Functionally Graded Materials). Przez odpowiednie kształtowanie zmian wartości tych parametrów wpływa się na stan naprężeń wewnętrzych warunkujacych stabilność mechaniczną powłok i ich adhezję do podłoża. Dlatego w celu efektywnego projektowania właściwości powłok gradientowych wprowadza się tzw. funkcje przejścia opisujące ciągłą zmianę parametrów materiałowych w funkcji zmiennych przestrzennych. Umożliwiają one matematyczną reprezentację rzeczywistych powłok gradientowych i za pomocą metody elementow skończonych pozwalają na symulacyjną analizę wpływu kształtu funkcji przejściowej na rozwój stanów naprężeń i odkształceń wewnętrznych w systemach podłoże/powłoka, powstających na skutek zewnętrzych obciążeń termomechanicznych [15÷19]. W publikacji opisano badania doświadczalne stabilności termicznej systemów podłoże/powłoka wykonane z wykorzystaniem metody bazującej na DL TMA (Dynamic Load Thermomechanical Analysis) [14] z modulacją temperatury. Metoda ta umożliwia odwzorowanie i badanie skutków oddziaływań cieplnych na systemy podło[...]

Modelowanie stanu odkształceń w gradientowych powłokach CrN/CrCN DOI:10.15199/28.2015.6.28


  MODELLING OF INTERNAL DEFORMATION STATE IN CrN/CrCN GRADIENT COATINGS The aim of the study was to analyse differences in the states of internal deformation, caused by mechanical loads, in the coatings CrN/CrCN with a gradient transition layer between CrN and CrCN. The coatings were deposited using PVD technique (Physical Vapour Deposition) by cathodic arc evaporation on a substrate made from 42CrMo4 steel. The total thickness of the deposited coatings was 8 μm, and the gradient transition layer between CrN and CrCN had a thickness of 2 μm. In mathematical model, gradient layer was represented by the so called transition functions, describing the spatial change of the layer’s material parameters, such as Young’s modulus, Poisson ratio, coefficient of thermal expansion, yield strength and tangent modulus. In particular, were considered two types of gradient layers with different profiles of carbon concentration described by a power function. Using knowledge of the residual stress in the coating after the deposition process (measured by X-ray diffraction), has been shown by numerical simulation based on FEM, the differences in the states of effective plastic strain, caused by external loads. In particular, was shown on the example that the gradient layer represented by a power transition functions of the exponent p > 1 are characterized by smaller zones of high plastic strain on the boundary of applied external loads in comparison to the gradient layers with p < 1. This fact indicates, that the coatings with gradient layers with p > 1 are characterized by an larger fracture toughness. Key words: gradient coatings, transition layers, internal stress. Celem pracy było zbadanie różnic w stanach odkształceń własnych powstałych na skutek zadanych obciążeń mechanicznych w powłokach CrN/CrCN z gradientową warstwą przejściową pomiędzy CrN i CrCN. Powłoki zostały osadzone techniką PVD (Physical Vapour Deposition), metodą katodowego [...]

A comparative research on mechanical properties of monolayer, gradient and multi-module coatings on CrN(C) base DOI:10.15199/28.2018.1.2


  1. INTRODUCTION Chromium is used for decades for producing relatively thick, hard, anti-wear coatings in a variety of industries, including automotive and aerospace industries. However, the chemicals used for the deposition of these coatings contain hexavalent chromium (Cr6+ ions), and chromium in this state is extremely toxic. Therefore, in relation to the European directive concerning chemicals (REACH), hard chrome coatings, produced in toxic and carcinogenic baths, must be replaced by “green" solutions. After this period, the application of these technologies will be significantly limited. In the aerospace industry, in some applications, coatings produced by Physical Vapour Deposition (PVD) methods may be an alternative to hard chrome coatings [1÷3]. However, it should be noted that current practice in the designing of safe aircraft structures is the assumption, that the design should be resistant both to damage at a certain level (damage tolerant design) and have a degree of redundancy that will prevent the catastrophe in the case of total dysfunction of any part (fail-safe design). For this reason, in cases where it is necessary to take into account the resistance to accidental impacts, or impacts resulting from way of functioning of specific mechanisms, on parts subjected to such operations, are typically created composite surface layers. The best known and most widely used technology of surface treatment, capable of producing a composite layer, is a combination of gas or plasma nitriding process with deposition of hard, anti-wear coatings by PVD methods (duplex technology). The result of such configured technology is composite layer composed of nitrided layer and formed directly on its surface PVD coating. One of the first flagship works, indicating the synergistic effects resulting from sequential combination of nitriding processes with PVD deposition of thin coatings is the work of Sun and Bell [4], which contai[...]

Przeciwzużyciowa, dwustopniowa obróbka powierzchniowa narzędzi stosowanych w przemyśle drzewnym

Czytaj za darmo! »

Właściwości warstw otrzymywanych po procesach duplex zależą w głównej mierze od synergicznego efektu wynikającego z połączenia dwóch pojedynczych procesów, a uzyskane tą drogą właściwości są nieosiągalne w przypadku pojedynczego procesu. Uzyskanie istotnego efektu synergicznego wymaga spełnienia jednoznacznie zdefiniowanych wymogów, jakie ma spełniać warstwa azotowana, będąca podłożem pod powłokę PVD. Nieodpowiednie połączenie i/lub niewłaściwa kontrola procesów może prowadzić do pogorszenia, a nie polepszenia efektu końcowego. Istotna jest właściwa identyfikacja reakcji, tak żeby efekty wynikające z pierwszego procesu nie zostały zredukowane przez drugi proces. W artykule przedstawiono wyniki badań noży ze stali szybkotnącej (SW7M) po obróbce duplex, tj. po zmodyfikowaniu ich warstwy wierzchniej w wyniku zastosowania azotowania gazowego i następnie nałożeniu na ich powierzchnię jednowarstwowej powłoki z azotku chromu metodą PVD. W celu uzyskania oczekiwanych rezultatów takiego sekwencyjnego połączenia wymienionych obróbek powierzchniowych, tj. wzrostu adhezji powłoki do podłoża, warstwa azotowana musi charakteryzować się ściśle zdefiniowanymi właściwościami. Przede wszystkim, musi być pozbawiona zewnętrznej strefy węgloazotków żelaza, ale jednocześnie ze strefą dyfuzyjną charakteryzującą się odpowiednio dużą twardością powierzchniową oraz możliwie największymi grubościami efektywnymi. Dodatkowo w celu uniknięcia kruchości warstwy należy dążyć do uniknięcia tworzenia się węglików na granicach byłego austenitu [1]. Te rygorystyczne wymagania połączone z bezwzględnym warunkiem otrzymywania w powtarzalny sposób założonej budowy warstwy stymulują badania w kierunku poszukiwań efektywnych metod projektowania algorytmu zmian parametrów procesu oraz poszerzenia spektrum metod kontroli procesu. Autorzy artykułu już od wielu lat pracują nad wieloma aspektami dotyczącymi procesu azotowania gazowego. W szczególności, zespół zagadnień d[...]

Identyfikacja zmian stanu naprężeń w powłokach PVD z wykorzystaniem czujnika przemieszczeń liniowych DOI:10.15199/28.2015.1.8


  W artykule opisano wykorzystanie doświadczalnej metody badawczej opartej na DL TMA z modulacją temperatury do detekcji efektów termomechanicznych w systemach podłoże-powłoka PVD. Przedstawiono rezultaty badania dwóch rodzajów powłok wielowarstwowych CrN/CrCN — z gradientową warstwą przejściową i bez warstwy przejściowej pomiędzy podwarstwami CrN i CrCN na podłożu ze stali SW7M. Zastosowanie modulacji temperatury oraz czujnika przemieszczeń liniowych o odpowiedniej rozdzielczości pozwala na identyfikację różnicy w zmianach właściwości termomechanicznych tych powłok, w szczególności zmian stanu naprężeń. Na podstawie otrzymanych rezultatów było możliwe określenie ich stabilności termicznej, w tym ujawnienie zmian przyczepności powłok. Rezultaty potwierdzają potencjalnie korzystniejsze właściwości eksploatacyjne powłok gradientowych w porównaniu z klasycznymi powłokami warstwowymi. Badana powłoka CrN/CrCN z warstwą przejściową cechuje się wyraźnie większą stabilnością termiczną od powłoki bez warstwy przejściowej Słowa kluczowe: przeciwzużyciowe powłoki PVD, naprężenia wewnętrzne, dylatometria z modulacją temperatury.1. WPROWADZNIE Jednym z kluczowych zagadnień badawczych z obszaru cienkich powłok, głównie przeciwzużyciowych, jest opis mechanizmów fizycznych powstawania naprężeń wewnętrznych, w szczególności opis ewolucji czasowej i temperaturowej ich rozkładów oraz badanie stanów naprężeń powstałych pod wpływem obciążeń termomechanicznych [1÷9]. Wynika to z tego, że wzrost temperatury powłok przeciwzużyciowych w warunkach eksploatacji uaktywnia większość mechanizmów prowadzących do zmian ich własności użytkowych. Jest to związane głównie z dyfuzją, przemianami fazowymi oraz zmianami gęstości defektów na granicach międzyfazowych. Skutkiem tego są zmiany takich parametrów materiałowych jak moduł Younga, liczba Poissona czy zmiany współczynników przewodności cieplnej, które efektywnie wpływają na zmianę naprężeń w układach podłoże-po[...]

 Strona 1