Расчет напряженно-деформированного состояния композиционного керамического покрытия на основе B4C-BN, нанесенного на стальную матрицу методом лазерной наплавки

Покрытия на основе B4C-BN QUOTE формируют сверхтвердый поверхностный слой со сверхнизким коэффициентом трения и перспективны для использования в парах трения с высокими относительными скоростями трения скольжения. Использование метода лазерной наплавки при нанесении покрытия обеспечивает его прочный адгезионный контакт с металлической матрицей за счет высоких температур обработки. В работе проведен анализ напряженно-деформированного состояния композиционного поверхностного слоя, формирующегося при охлаждении с высокой (до 105 К/с QUOTE ) скоростью охлаждения. Проанализирована структура покрытия, имеющего аморфно-кристаллическое строение, и ее влияние на напряженное состояние. Установлено, что в аморфной матрице имеются включения кристаллического нитрида бора с характерными размерами 30-50 нм. Далее методами математического моделирования проведен расчет уровня остаточных напряжений для всего цикла термического нагружения. По результатам моделирования выявлен следующий механизм, что последовательная наплавка дорожек (элементов) покрытия приводит к сложному термомеханическому воздействию. В покрытии и в приповерхностном слое металлической матрицы формируются знакопеременные по времени и пространству напряжения. Это приводит к возникновению концентраторов напряжений на границе между отдельными дорожками и развитию поперечных трещин. При этом не прогнозируется значительных напряжений в направлении, перпендикулярном поверхности. Этим объясняется отсутствие трещин вдоль границы «покрытие - матрица» и наблюдаемая в триботехнических испытаниях высокая адгезия покрытия к матрице. Дополнительно исследован вопрос релаксации напряжений и упругой энергии в результате формирования трещин. Прогнозируется снижение упругой энергии на 60-70 %, что снижает остаточные напряжения до уровня 400-500 МПа. Полученные результаты применимы для оптимизации режимов лазерной обработки с целью получения покрытий с наименьшим уровнем остаточных напряжений.