熱障涂層界面破壞實(shí)時(shí)測(cè)試分析及實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的研制.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡(jiǎn)稱TBCs)以其良好的隔熱、耐磨、耐蝕性,已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)或航空燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)高溫部件的熱防護(hù)領(lǐng)域。但在實(shí)際服役環(huán)境中,多重因素會(huì)導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)在無(wú)法預(yù)知的時(shí)間發(fā)生涂層的剝落失效,這極大限制了熱障涂層隔熱防護(hù)性能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。應(yīng)用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)熱障涂層的界面破壞過(guò)程并定量評(píng)估界面結(jié)合性能已逐漸成為了其失效機(jī)理研究的重要分支。本文中,用數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital ima

2、ge correlation,簡(jiǎn)稱DIC)研究了機(jī)械載荷和熱沖擊載荷下熱障涂層的界面破壞過(guò)程。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一,用數(shù)字圖像相關(guān)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉伸載荷下熱障涂層全場(chǎng)/局部應(yīng)變演變過(guò)程。根據(jù)應(yīng)變場(chǎng)演變數(shù)據(jù),準(zhǔn)確獲得了拉伸載荷下熱障涂層的破壞機(jī)理,并提取了涂層表面和界面的臨界斷裂應(yīng)變值,計(jì)算得到涂層的斷裂強(qiáng)度和界面剪切強(qiáng)度分別為35.0±4.6和14.1±3.2MPa。另外,根據(jù)沿厚度方向的應(yīng)變分布情況,改進(jìn)傳統(tǒng)的剪滯理論模型,

3、建立了一個(gè)基于應(yīng)變分布的剪滯模型,并對(duì)TBCs的界面結(jié)合性能進(jìn)行了評(píng)估,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　第二,綜合應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法和聲發(fā)射法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)彎曲載荷下應(yīng)變場(chǎng)及損傷演變情況。通過(guò)分析應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)、聲發(fā)射信號(hào)和表面形貌,準(zhǔn)確判斷了涂層表面和界面的臨界斷裂時(shí)間,得到了小撓彎曲載荷下TBCs的破壞機(jī)理。最后,構(gòu)建局部破壞理論模型,推導(dǎo)了涂層/基底體系的界面斷裂韌性計(jì)算公式,計(jì)算得到熱障涂層界面斷裂韌性為64.5~91.2J/m2。

4、>　　第三,設(shè)計(jì)和研制了一套基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、復(fù)阻抗技術(shù)的熱障涂層靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。該裝置能夠模擬熱障涂層高溫?zé)釠_擊的服役環(huán)境,同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)試試樣的應(yīng)變場(chǎng)演變、熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展、界面氧化規(guī)律、溫度場(chǎng)等數(shù)據(jù);并通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)各組成部分的功能。
　　第四,應(yīng)用有限元計(jì)算軟件,理論預(yù)測(cè)了空心圓柱結(jié)構(gòu)TBCs內(nèi)初始?xì)堄鄳?yīng)力。采用等離子體噴涂工藝制備了帶界面缺陷的空心圓柱熱障涂層試樣,借助熱障

5、涂層實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)完成高溫?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了熱沖擊過(guò)程中TBCs的表面應(yīng)變場(chǎng)的演變過(guò)程。結(jié)果表明:涂層表面斷裂開(kāi)始于182~185次循環(huán),陶瓷層的局部斷裂強(qiáng)度為93.8~102.2MPa。最后通過(guò)對(duì)比應(yīng)變數(shù)據(jù)和裂紋模式,探討了TBCs的高溫?zé)釠_擊的失效特征和破壞機(jī)理。
　　總之,本論文應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)較為系統(tǒng)地研究了在機(jī)械和熱沖擊載荷下熱障涂層應(yīng)變場(chǎng)演變及界面破壞過(guò)程,為將來(lái)熱障涂層失效機(jī)理研究和應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)方法和參考