In the present study, TiN and CrN films were coated by arc ion plating equipment onto aluminum alloy substrate, A2024. The film thickness was about 4.65 ${\mu}m$. TiN and CrN films were analyzed by X-ray diffraction and energy dispersive X-ray equipments. The Young's modulus and the micro-Vickers hardness of aluminum substrate were modified by the ceramic film coatings. The difference in Young's modulus between substrate and coating film would affect on the wear resistance. The critical load, Lc, was 75.8 N for TiN and 85.5 N for CrN. It indicated from the observation of optical micrographs for TiN and CrN films that lots of cracks widely propagated toward the both sides of scratch track in the early stage of MODE I. TiN film began to delaminate completely at MODE II stage. The substrate was finally glittered at MODE III stage. For CrN film, a few crack can be observed at MODE I stage. The delamination of film was not still occurred at MODE II and then was happened at MODE III. This agrees with critical load measurement which the adhesive strength was greater for CrN film than for TiN film. Consequently, it was difficult for CrN to delaminate because the adhesive strength was excellent against Al substrate. The wear process, which the film adheres and the ball transfers, could be enhanced because of the increase in loading. The wear weight of ball was less for CrN than for TiN. This means that the wear damage of ball was greater for TiN than for CrN film. It is also obvious that it was difficult to delaminate because the CrN coating film has high toughness. The coefficient of friction was less for CrN coating film than for TiN film.
In the present study, buckling analysis of sandwich composite (carbon nanotube reinforced composite and fiber reinforced composite) Euler-Bernoulli beam in two configurations (core and layers material), three laminates (combination of different angles) and two models (relative thickness of core according to peripheral layers) using differential quadrature method (DQM) is studied. Also, the effects of porosity coefficient and different types of porosity distribution on critical buckling load are discussed. Using sandwich beam, it shows a considerable enhancement in the critical buckling load when compared to ordinary composite. Actually, resistance against buckling in sandwich beam is between two to four times more. It is also showed the critical buckling loads of laminate 1 and 3 are significantly larger than the results of laminate 2. When Configuration 2 is used, the critical buckling load rises about 3 percent in laminate 1 and 3 compared to the results of configuration 1. The amount of enhancement for laminate 3 is about 17 percent. It is also demonstrated that the influence of the core height (thickness) in the case of lower carbon volume fractions is ignorable. Even though, when volume fraction of fiber increases, differences grow smoothly. It should be noticed the amount of decline has inverse relationship with the beam aspect ratio. Among three porosity patterns investigated, beam with the distribution of porosity Type 2 (downward parabolic) has the maximum critical buckling load. At the end, the first three modes of buckling will be demonstrated to investigate the effect of spring constants.
The first stage blade of a gas turbine was operated under a severe environment which included both $1300^{\circ}C$ hot gas and thermal stress. To obtain high efficiency, a thermal barrier coating (TBC) and an internal cooling system were used to increase the firing temperature. The TBC consists of multi-layer coatings of a ceramic outer layer (top coating) and a metallic inner layer (bond coat) between the ceramic and the substrate. The top and bond coating layer respectively act as a thermal barrier against hot gas and a buffer against the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the ceramic and the substrate. Particularly, the bondcoating layer improves the resistance against oxidation and corrosion. An inter-diffusion layer is generated between the bond coat and the substrate due to the exposure at a high temperature and the diffusion phenomenon. A thickness measurement result showed that the bond coat of the suction side was thicker than that of the pressure side. The thickest inter-diffusion zone was noted at SS1 (Suction Side point 1). A chemical composition analysis of the bond coat showed aluminum depletion around the inter-diffusion layer. In this study, we evaluated the properties of the bond coat and the degradation of the coating layer used on a $1300^{\circ}C$-class gas turbine blade. Moreover, the operation temperature of the blade was estimated using the Arrhenius equation and this was compared with the result of a thermal analysis.
The thermo-chemical treatment (TCT) process was applied to achieve surface hardening of CP titanium. The following three different surface modification conditions were tested so that the best surface hardening process could be selected:(a) PVD, (b) TCT+PVD, and (c) TCT+Aging+PVD. These specimens were tested and analyzed in terms of surface roughness, wear, friction coefficient, and the gradient of hardening from the surface of the matrix. The three test conditions were all beneficial to improve the surface hardness of CP titanium. Moreover, the TCT treated specimens, that is, (b) and (c), showed significantly improved surface hardness and low friction coefficients through the thickness up to $100{\mu}m$. This is due to the functionally gradient hardened surface improvement by the diffused interstitial elements. The hardened surface also showed improvement in bonding between the PVD and TCT surface, and this leads to improvement in wear resistance. However, TCT after aging treatment did not show much improvement in surface properties compared to TCT only. For the best surface hardening on CP titanium, TCT+PVD has advantages in surface durability and economics.
This paper reviews recent approaches to develop composite polymer-containing coatings by plasma electrolytic oxidation (PEO) using various low-molecular fractions of superdispersed polytetrafluoroethylene (SPTFE). The features of the unique approaches to form the composite polymer-containing coating on the surface of MA8 magnesium alloy were summarized. Improvement in the corrosion and tribological behavior of the polymer-containing coating can be attributed to the morphology and insulating properties of the surface layers and solid lubrication effect of the SPTFE particles. Such multifunctional coatings have high corrosion resistance ($R_p=3.0{\times}10^7{\Omega}cm^2$) and low friction coefficient (0.13) under dry wear conditions. The effect of dispersity and ${\xi}$-potential of the nanoscale materials ($ZrO_2$ and $SiO_2$) used as electrolyte components for the plasma electrolytic oxidation on the composition and properties of the coatings was investigated. Improvement in the protective properties of the coatings with the incorporated nanoparticles was explained by the greater thickness of the protective layer, relatively low porosity, and the presence of narrow non-through pores. The impedance modulus measured at low frequency for the zirconia-containing layer (${\mid}Z{\mid}_{f=0.01Hz}=1.8{\times}10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$) was more than one order of magnitude higher than that of the PEO-coating formed in the nanoparticles-free electrolyte (${\mid}Z{\mid}_{f=0.01Hz}=5.4{\times}10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$).
Interference effects are of considerable concern for group hyperboloidal cooling towers, but evaluation methods and results are different from each other because of the insufficient understanding on the structure behavior. Therefore, the mechanical performance of hyperboloidal cooling tower shell under wind loads was illustrated according to some basic properties drawn from horizontal rings and cantilever beams. The hyperboloidal cooling tower shell can be regarded as the coupling of horizontal rings and meridian cantilever beams, and this perception is beneficial for understanding the mechanical performance under wind loads. Afterwards, the mean external latitude wind pressure distribution, CP(${\theta}$), was artificially adjusted to pursue the relationship between different CP(${\theta}$) and wind-induced responses. It was found that the maximum responses in hyperboloidal cooling tower shell are primarily dominated by the non-uniformity of CP(${\theta}$) but not the local pressure amplitude CP or overall resistance/drag coefficient CD. In all the internal forces, the maximum amplitude of meridian axial tension shows remarkable sensitivity to the variation of CP(${\theta}$) and it's also the controlling force in structure design, so it was selected as an indicator to evaluate the influence of CP(${\theta}$) on responses. Based on its sensitivity to different adjustment parameters of CP(${\theta}$), an comprehensive response influence factor, RIF, was deduced to assess the meridian axial tension for arbitrary CP(${\theta}$).
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.46
no.6
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pp.587-594
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2009
In the paper the effect of a stern-plate attached to a ship was taken into account. The relationship between the trim angle of a ship and the wave-resistance coefficient induced by the a stern-plate was studied using the potential flow analysis method. Numerical algorithm was described using the panel method and the vortex lattice method(VLM) to simulate the flow phenomena around a ship. The non-linearity of the free surface boundary conditions were considered using the iterative method and the IGE-GMRES(Incomplete Gaussian Elimination-The Generalized Minimal RESidual) algorithm was adopted to solve the linear equation at each iterative step. Numerical calculations were carried out to investigate the validity of the adopted algorithm using KCS(KRISO 3600 TEU Container) hull. Possible cases for attachment of the plate were checked. The results showed that the numerical algorithm could be physically appropriate.
Components manufactured from composite materials are frequently subjected to superimposed mechanical and thermal loadings during their operating service. Both types of loadings may cause fracture and failure of composite structures. When composite cross-ply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ are subjected to uni-axial tensile loading, different types of damage are set-up and developed such as matrix cracking: transverse and longitudinal cracks, delamination between disoriented layers and broken fibers. The development of these modes of damage can be detrimental for the stiffness of the laminates. From the experimental point of view, transverse cracking is known as the first mode of damage. In this regard, the objective of the present paper is to investigate the effect of transverse cracking in cross-ply laminate under thermo-mechanical degradation. A Finite Element (FE) simulation of damage evolution in composite crossply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ subjected to uni-axial tensile loading is carried out. The effect of transverse cracking on the cross-ply laminate strength under thermo-mechanical degradation is investigated numerically. The results obtained by prediction of the numerical model developed in this investigation demonstrate the influence of the transverse cracking on the bearing capacity and resistance to damage as well as its effects on the variation of the mechanical properties such as Young's modulus, Poisson's ratio and coefficient of thermal expansion. The results obtained are in good agreement with those predicted by the Shear-lag analytical model as well as with the obtained experimental results available in the literature.
In this study, we spray a Ni-Cr composite powder onto AISI 4340 steel using the high velocity oxygen fuel method. We subsequently subject the Ni-Cr coating (as-sprayed) to ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) process to improve the tribological performance. This study aims at increasing the wear resistance and durability of the Ni-Cr coating by altering the surface integrity and microstructure via the UNSM process. The UNSM process reduces the surface roughness of the as-sprayed coating by about 64%, which is explained by observing the elimination of high peaks and valleys and filling up micro-pores. Furthermore, a change in the microstructure of the coating due to continuous high-frequency strikes to the surface by a tip can lead to an increase in hardness from about 48 to 60 HRC. Furthermore, we investigate the characterization of the friction and wear behavior of Ni-Cr coating by a ball-on-disc tribometer in the dry conditions. We determine that after the UNSM process, there is a significant reduction in the friction coefficient of the as-sprayed coating from approximately 1.1 to 0.75. This is owing to the increased hardness and smoothed surface roughness. In addition, we investigate the surface morphology and wear track of the coatings before and after the UNSM process using a scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer, and three-dimensional laser scanning microscope. We observe that the wear track of the Ni-Cr coating after the UNSM process is lower than that of the as-sprayed one. Thus, we confirm that the UNSM process has a significant influence on the improvement of the tribological performance of the Ni-Cr composite coating.
Yang, Yanmin;Tian, Xinru;Liu, Quanhai;Zhi, Jiabo;Wang, Bo
Earthquakes and Structures
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v.17
no.2
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pp.233-244
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2019
In this work, we have studied the effects of different soil thicknesses, haunch heights, reinforcement forms and construction technologies on the seismic performance of a composite precast fabricated utility tunnel by pseudo-static tests. Five concrete specimens were designed and fabricated for low-cycle reciprocating load tests. The hysteretic behavior of composite precast fabricated utility tunnel under simulated seismic waves and the strain law of steel bars were analyzed. Test results showed that composite precast fabricated utility tunnel met the requirements of current codes and had good anti-seismic performance. The use of a closed integral arrangement of steel bars inside utility tunnel structure as well as diagonal reinforcement bars at its haunches improved the integrity of the whole structure and increased the bearing capacity of the structure by about 1.5%. Increasing the thickness of covering soil within a certain range was beneficial to the earthquake resistance of the structure, and the energy consumption was increased by 10%. Increasing haunch height within a certain range increased the bearing capacity of the structure by up to about 19% and energy consumption by up to 30%. The specimen with the lowest haunch height showed strong structural deformation with ductility coefficient of 4.93. It was found that the interfaces of haunches, post-casting self-compacting concrete, and prefabricated parts were the weak points of utility tunnel structures. Combining the failure phenomena of test structures with their related codes, we proposed improvement measures for construction technology, which could provide a reference for the construction and design of practical projects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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