熱障涂層體系壓痕斷裂力學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)電等諸多領域占有重要地位，但由于其特殊的多層結構以及復雜的高溫服役環(huán)境，涂層開裂或剝落失效嚴重制約了熱障涂層的實用性。斷裂韌性和殘余應力作為表征涂層性能的重要參數(shù)，有效、準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測具有重大意義。基于此，本文提出了一種改進的壓痕法測試熱障涂層材料斷裂韌性和殘余應力的力學模型，設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，改進了壓痕法測量熱障涂層斷裂韌性和殘余應力的理論模型。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小的薄片，在薄片內(nèi)殘余應力均勻分布的模型，得到考慮陶瓷層為多層結構且殘余應力呈梯度分布情況下斷裂韌性和殘余應力。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的改進方法。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。采用改進的壓痕斷裂力學模型可獲得更加準確的熱障涂層材料斷裂韌性和殘余應力的值。
　　第二，利用改進的壓痕斷裂力學模型測試等離子噴涂熱障涂層材料的斷裂韌性和殘余應力隨熱循環(huán)的變化關系。并將測得結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力的結果進行對比。結果表明：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，涂層表層殘余應力從－25.9±5 MPa增加到－190.8±10 MPa，涂層深層殘余應力從－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，相應的殘余應力從－11.32±1 MPa增加到－42.17±2 MPa。
　　第三，高溫壓痕測試裝置的設計與研制