熱障涂層體系壓痕斷裂力學(xué)模型及高溫壓痕測試分析.pdf

1、熱障涂層以其突出的隔熱、耐磨、抗腐蝕性能在航空航天、熱力發(fā)電等諸多領(lǐng)域占有重要地位，但由于其特殊的多層結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的高溫服役環(huán)境，涂層開裂或剝落失效嚴(yán)重制約了熱障涂層的實用性。斷裂韌性和殘余應(yīng)力作為表征涂層性能的重要參數(shù)，有效、準(zhǔn)確地測試這些材料參數(shù)對于熱障涂層質(zhì)量檢測、性能評估和使用壽命的預(yù)測具有重大意義?；诖?，本文提出了一種改進(jìn)的壓痕法測試熱障涂層材料斷裂韌性和殘余應(yīng)力的力學(xué)模型，設(shè)計并研制了一套高溫壓痕測試裝置，完成等離子噴涂熱

2、障涂層高溫壓痕測試。主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，改進(jìn)了壓痕法測量熱障涂層斷裂韌性和殘余應(yīng)力的理論模型。對于表面壓痕測試，提出了在加載方向上，將涂層表面到最大裂紋深度的陶瓷層分成多層細(xì)小的薄片，在薄片內(nèi)殘余應(yīng)力均勻分布的模型，得到考慮陶瓷層為多層結(jié)構(gòu)且殘余應(yīng)力呈梯度分布情況下斷裂韌性和殘余應(yīng)力。對于界面壓痕測試，提出了根據(jù)殘余壓痕在基底材料和陶瓷涂層區(qū)域所占的體積比例來描述兩者抵抗壓針侵入所做貢獻(xiàn)的改進(jìn)方法。在實驗數(shù)據(jù)處理過程中，

3、采取對壓痕載荷和裂紋長度取對數(shù)的方法去除奇異點，以減少熱障涂層材料各向異性給實驗數(shù)據(jù)帶來的影響。采用改進(jìn)的壓痕斷裂力學(xué)模型可獲得更加準(zhǔn)確的熱障涂層材料斷裂韌性和殘余應(yīng)力的值。
　　第二，利用改進(jìn)的壓痕斷裂力學(xué)模型測試等離子噴涂熱障涂層材料的斷裂韌性和殘余應(yīng)力隨熱循環(huán)的變化關(guān)系。并將測得結(jié)果分別與采用單邊切口梁法測得斷裂韌性和拉曼光譜法測得殘余應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：大氣等離子噴涂熱障涂層樣品表面斷裂韌性從1.32±0.2 M

4、Pa·m-1/2增加到4.08±0.3 MPa·m-1/2，涂層表層殘余應(yīng)力從－25.9±5 MPa增加到－190.8±10 MPa，涂層深層殘余應(yīng)力從－53.29±10 MPa增加到－253.4±10 MPa。測得熱障涂層界面斷裂韌性由0.23±0.05 MPa·m-1/2增加到0.65±0.05 MPa·m-1/2，相應(yīng)的殘余應(yīng)力從－11.32±1 MPa增加到－42.17±2 MPa。
　　第三，高溫壓痕測試裝置的設(shè)計與研制