熱障涂層體系斷裂韌性和殘余應力的壓痕測試研究.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡稱TBCs)具有良好的隔熱、耐磨、耐蝕性性能,已被廣泛應用在核技術或航空航天發(fā)動機內高溫部件的熱防護領域。然而,在實際服役環(huán)境中,許多因素會導致熱障涂層系統在陶瓷層表面或陶瓷層界面處發(fā)生剝落。本文采用維氏壓痕儀分析了熱處理前后熱障涂層體系斷裂韌性和殘余應力隨熱循環(huán)的變化規(guī)律,采用數字圖像相關法、單邊切口梁法和拉曼光譜法測試了熱障涂層的斷裂強度、斷裂韌性和殘余應力。主要研究內容

2、如下:
　　第一,通過制備長方體塊的8wt.％Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(8YSZ)純陶瓷樣品,采用單邊切口梁法得到了熱循環(huán)條件下樣品的斷裂韌性。采用數字圖像相關技術對缺口處進行實時監(jiān)測,得到了測試試樣的應變場、斷裂應變、斷裂時間以及裂紋的擴展路徑等數據。由于陶瓷材料是一種各向異性和不均勻的材料,其測試的結果具有一定的分散性。本文采用韋伯模數統計的方法分析了基于壓痕斷裂測試的實驗數據。結果表明:用數字圖像相關法測試得到的斷裂時間和

3、載荷要小于拉伸機測試得到的斷裂時間與載荷。隨著熱處理時間的增加,實驗得到純陶瓷的斷裂強度從28±2 MPa變化到77.78±6.48 MPa;用拉伸機實驗數據分析得到的斷裂韌性從1.12±0.12 MPa·m1/2變化到2.45±0.2 MPa·m1/2,用數字圖像相關法分析的斷裂韌性從1.04±0.12 MPa·m1/2變化到2.23±0.22 MPa·m1/2。
　　第二,應用拉曼光譜法,測試在熱循環(huán)前后真空噴涂粘結層的熱障涂

4、層拉曼平移,并測試熱障涂層的壓電光譜系數。在考慮楊氏模量隨熱循環(huán)變化的基礎上,應用拉曼光譜法測試熱障涂層殘余應力隨楊氏模量變化的影響。通過掃描電鏡觀察,分析了熱氧化層(TGO)的厚度和形貌對陶瓷涂層的影響,探討了TBCs在熱循環(huán)處理下的破壞特征。結果表明:用拉曼光譜得到熱障涂層的殘余應力從-29.66±5MPa變化到-190.62±10MPa。此結果與 XRD測試得到的結果具有較好的一致性。
　　第三,用改進的維氏壓痕儀測試了熱障

5、涂層表面、界面以及橫截面的斷裂韌性和殘余應力的演變規(guī)律?；诂F有的表面壓痕斷裂力學理論模型,考慮了壓痕最大深度和殘余應力對斷裂韌性的影響。首先得到了表面與截面處陶瓷層和粘結層的楊氏模量與硬度,然后得到了熱處理前后大氣等離子噴涂熱障涂層表面斷裂韌性從0.64±0.2 MPa·m1/2變化到3.67±0.2 MPa·m1/2,表面殘余應力的數值從-26.8±5 MPa變化到-234±10 MPa。真空噴涂粘結層的熱障涂層的殘余應力從-79.

6、82±15MPa變化到-169.62±12MPa,并得到了熱障涂層的斷裂韌性為1.5±0.2 MPa·m1/2變化到4.11±0.2 MPa·m1/2。在考慮壓痕軌跡和殘余應力影響下,涂層界面處的斷裂韌性從0.11±0.05MPa·m1/2變化到0.81±0.05MPa·m1/2,界面處殘余應力從-5±1 MPa增加到-30±3.5 MPa。涂層橫截面處的平均斷裂韌性從0.37 MPa·m1/2變化到1.14 MPa·m1/2,相應的殘