高溫環(huán)境下熱障涂層材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析.pdf

1、熱障涂層以其良好的隔熱、耐磨蝕性能，被廣泛地應(yīng)用于軍事和國(guó)防領(lǐng)域。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到各層材料性能參數(shù)不匹配的影響，其表面和界面處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，促使裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致涂層的破壞失效，嚴(yán)重制約了熱障涂層體系的可靠性及廣泛應(yīng)用。因此，在服役溫度下實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層材料力學(xué)參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)涂層材料設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)有著十分重要的意義。本文自主設(shè)計(jì)和研制了一套基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂

2、層材料的熱變形，分析其熱膨脹系數(shù)、彈性模量、斷裂強(qiáng)度以及斷裂韌性等性能參數(shù)，發(fā)展了一種材料高溫力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)表征方法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研制了一套基于數(shù)字圖像相關(guān)法的材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括1600℃高溫爐、Aramis變形測(cè)量系統(tǒng)、強(qiáng)光照系統(tǒng)以及紅外濾光系統(tǒng)等設(shè)備。并且完成一種耐高溫散斑的制備方法以滿足數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)散斑的要求。經(jīng)過(guò)調(diào)試，高溫爐溫度誤差能有效地控制在±1℃范圍內(nèi)，為高溫環(huán)境下熱障涂層材料

3、的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提供了適用的實(shí)驗(yàn)方法以及可靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。⑵在1600℃范圍內(nèi)測(cè)試熱障涂層材料的熱變形及熱膨脹系數(shù)分析。結(jié)合高溫爐與Aramis變形測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集樣品表面不同溫度下的數(shù)字圖像。依據(jù)樣品表面的全場(chǎng)熱變形信息，分析計(jì)算材料的熱膨脹系數(shù)。結(jié)果表明，在25~1600℃范圍內(nèi)，8wt％Y2O3-ZrO2(8YSZ)陶瓷的熱膨脹系數(shù)為8.837×10-6/℃~14.332×10-6/℃；高溫合金基底的熱膨脹系數(shù)為12.37

4、×10-6/℃~18.03×10-6/℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)字圖像相關(guān)法的準(zhǔn)確性，為高溫?zé)崾鋺?yīng)力的產(chǎn)生提供可靠的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。⑶在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂層材料的彈性模量及斷裂強(qiáng)度?；跀?shù)字圖像相關(guān)法、單軸拉伸法以及三點(diǎn)彎曲法，對(duì)基底合金、8YSZ陶瓷樣品進(jìn)行高溫?cái)嗔褱y(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1000℃和1100℃時(shí)，合金基底的楊氏模量分別為143 GP和129 GPa，抗拉強(qiáng)度分別為159 MPa和132 MPa。而陶瓷涂層在1100℃和1

5、200℃時(shí)的彈性模量分別為26.2 GPa和16.9 GPa，彎曲強(qiáng)度分別為33.55 MPa和29.64MPa。⑷運(yùn)用單邊切口梁法在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂層材料的斷裂韌性。通過(guò)單邊切口梁法以及數(shù)字圖像相關(guān)法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制切口的8YSZ陶瓷樣品的受載彎曲過(guò)程、裂紋的擴(kuò)展路徑等圖像信息。通過(guò)時(shí)間-應(yīng)變曲線，確定陶瓷發(fā)生突變的時(shí)間和載荷。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，在1100℃時(shí)，陶瓷涂層的斷裂韌性為1.98 MPa?m1/2；在1200℃時(shí)，斷裂韌