高溫環(huán)境下熱障涂層材料力學參數測試分析.pdf

1、熱障涂層以其良好的隔熱、耐磨蝕性能，被廣泛地應用于軍事和國防領域。然而，在實際應用中，由于受到各層材料性能參數不匹配的影響，其表面和界面處容易產生較大的應力，促使裂紋的萌生和擴展，進而導致涂層的破壞失效，嚴重制約了熱障涂層體系的可靠性及廣泛應用。因此，在服役溫度下實時測試熱障涂層材料力學參數，對指導涂層材料設計及工藝改進有著十分重要的意義。本文自主設計和研制了一套基于數字圖像相關技術的材料高溫力學性能實驗測試系統(tǒng)。在高溫環(huán)境下測試熱障涂

2、層材料的熱變形，分析其熱膨脹系數、彈性模量、斷裂強度以及斷裂韌性等性能參數，發(fā)展了一種材料高溫力學參數的實驗表征方法。
　　本研究主要內容包括：⑴研制了一套基于數字圖像相關法的材料高溫力學性能實驗測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括1600℃高溫爐、Aramis變形測量系統(tǒng)、強光照系統(tǒng)以及紅外濾光系統(tǒng)等設備。并且完成一種耐高溫散斑的制備方法以滿足數字圖像相關法對散斑的要求。經過調試，高溫爐溫度誤差能有效地控制在±1℃范圍內，為高溫環(huán)境下熱障涂層材料

3、的力學性能實驗測試，提供了適用的實驗方法以及可靠的實驗設備。⑵在1600℃范圍內測試熱障涂層材料的熱變形及熱膨脹系數分析。結合高溫爐與Aramis變形測量系統(tǒng)實時監(jiān)測并采集樣品表面不同溫度下的數字圖像。依據樣品表面的全場熱變形信息，分析計算材料的熱膨脹系數。結果表明，在25~1600℃范圍內，8wt％Y2O3-ZrO2(8YSZ)陶瓷的熱膨脹系數為8.837×10-6/℃~14.332×10-6/℃；高溫合金基底的熱膨脹系數為12.37

4、×10-6/℃~18.03×10-6/℃。通過實驗驗證了數字圖像相關法的準確性，為高溫熱失配應力的產生提供可靠的理論和實驗依據。⑶在高溫環(huán)境下測試熱障涂層材料的彈性模量及斷裂強度。基于數字圖像相關法、單軸拉伸法以及三點彎曲法，對基底合金、8YSZ陶瓷樣品進行高溫斷裂測試。實驗結果表明，在1000℃和1100℃時，合金基底的楊氏模量分別為143 GP和129 GPa，抗拉強度分別為159 MPa和132 MPa。而陶瓷涂層在1100℃和1

5、200℃時的彈性模量分別為26.2 GPa和16.9 GPa，彎曲強度分別為33.55 MPa和29.64MPa。⑷運用單邊切口梁法在高溫環(huán)境下測試熱障涂層材料的斷裂韌性。通過單邊切口梁法以及數字圖像相關法，實時監(jiān)測預制切口的8YSZ陶瓷樣品的受載彎曲過程、裂紋的擴展路徑等圖像信息。通過時間-應變曲線，確定陶瓷發(fā)生突變的時間和載荷。實驗和理論研究表明，在1100℃時，陶瓷涂層的斷裂韌性為1.98 MPa?m1/2；在1200℃時，斷裂韌