熱障涂層界面破壞實時測試分析及實驗?zāi)M系統(tǒng)的研制.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡稱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。但在實際服役環(huán)境中,多重因素會導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)在無法預(yù)知的時間發(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)一步開發(fā)。應(yīng)用先進(jìn)的檢測技術(shù)監(jiān)測熱障涂層的界面破壞過程并定量評估界面結(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程。主要研究內(nèi)容如下:
　　第一,用數(shù)字圖像相關(guān)法實時監(jiān)測拉伸載荷下熱障涂層全場/局部應(yīng)變演變過程。根據(jù)應(yīng)變場演變數(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、建立了一個基于應(yīng)變分布的剪滯模型,并對TBCs的界面結(jié)合性能進(jìn)行了評估,驗證了模型的準(zhǔn)確性。
　　第二,綜合應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法和聲發(fā)射法實時監(jiān)測彎曲載荷下應(yīng)變場及損傷演變情況。通過分析應(yīng)變場數(shù)據(jù)、聲發(fā)射信號和表面形貌,準(zhǔn)確判斷了涂層表面和界面的臨界斷裂時間,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算公式,計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)實驗?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,同時通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實時測試試樣的應(yīng)變場演變、熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展、界面氧化規(guī)律、溫度場等數(shù)據(jù);并通過調(diào)試實驗驗證了系統(tǒng)各組成部分的功能。
　　第四,應(yīng)用有限元計算軟件,理論預(yù)測了空心圓柱結(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、涂層實驗?zāi)M系統(tǒng)完成高溫?zé)釠_擊實驗,實時監(jiān)測了熱沖擊過程中TBCs的表面應(yīng)變場的演變過程。結(jié)果表明:涂層表面斷裂開始于182~185次循環(huán),陶瓷層的局部斷裂強(qiáng)度為93.8~102.2MPa。最后通過對比應(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)變場演變及界面破壞過程,為將來熱障涂層失效機(jī)理研究和應(yīng)用提供重要的實驗方法和參考