拉伸載荷下熱障涂層體系失效分析及測(cè)試表征.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，簡(jiǎn)稱TBCs)具有良好的隔熱、耐磨蝕性能，因此在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的熱防護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于熱障涂層本身結(jié)構(gòu)及服役環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致涂層在毫無(wú)征兆情形下出現(xiàn)表面開裂及界面剝落等失效行為，嚴(yán)重影響了渦輪葉片的使用壽命和可靠性。因此，采用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)熱障涂層體系失效過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)演變，對(duì)熱障涂層體系的壽命預(yù)測(cè)和可靠性評(píng)估具有重要意義。針對(duì)

2、三層或多層結(jié)構(gòu)的涂層體系，本文進(jìn)一步完善了相關(guān)剪滯理論模型，采用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的三維變形光學(xué)無(wú)損測(cè)試系統(tǒng)，并以聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)為輔助工具，在常溫和變溫環(huán)境中分別研究了在拉伸載荷作用下等離子噴涂工藝制備的TBCs斷裂失效過(guò)程。本論文的主要研究?jī)?nèi)容歸納如下：
　　第一，首先考慮殘余應(yīng)力的影響，基于界面應(yīng)力傳遞，建立了三層結(jié)構(gòu)涂層體系剪滯理論模型，獲得了在基底拉伸過(guò)程中涂層體系的應(yīng)力場(chǎng)解析表達(dá)式。然后以TBCs材料為研究對(duì)象，主要結(jié)

3、果是：當(dāng)基底應(yīng)變分別增加到0.08％和0.11%時(shí)，基底/粘結(jié)層界面、粘結(jié)層/陶瓷層界面的切應(yīng)力方向先后發(fā)生改變。當(dāng)基底應(yīng)變分別為0.10%和0.24%時(shí)，粘結(jié)層和陶瓷層內(nèi)正應(yīng)力由殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。當(dāng)基底應(yīng)變?cè)黾拥?.39%和0.43%時(shí)，陶瓷層和粘結(jié)層先后萌生第一條裂紋。該理論模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果將為實(shí)驗(yàn)測(cè)試表征提供理論指導(dǎo)。
　　第二，基于拉曼頻移與殘余應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用微拉曼光譜法表征不同厚度的TBCs試樣表面殘余應(yīng)力。

4、結(jié)果表明：隨著陶瓷層厚度從200μm增加至400μm，涂層表面的殘余壓應(yīng)力從30.55±1.98MPa減小至8.37±1.98MPa，該研究結(jié)果將為拉伸法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)涂層體系的斷裂強(qiáng)度、界面剪切強(qiáng)度提供可靠的殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　第三，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、三維變形光學(xué)無(wú)損測(cè)試系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)常溫環(huán)境和拉伸載荷作用下TBCs試樣的斷裂失效過(guò)程。提取基底的應(yīng)變數(shù)據(jù)并代入理論解析表達(dá)式，得到了陶瓷層和粘結(jié)層的臨界斷裂強(qiáng)度分別為100

5、.6±8.9 MPa和1397.2±44.9MPa；陶瓷層/粘結(jié)層界面剪切強(qiáng)度和粘結(jié)層/基底界面剪切強(qiáng)度分別為13.2±3.6MPa和51.7±16.5MPa。分析涂層斷裂點(diǎn)的三維應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得了陶瓷層的臨界斷裂強(qiáng)度為94.9±8.9MPa，粘結(jié)層的臨界斷裂強(qiáng)度為1832.3±44.9MPa。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到陶瓷層表面垂直裂紋、陶瓷層/粘結(jié)層界面裂紋及粘結(jié)層垂直裂紋的特征頻譜分別為0.30-0.32MHz、

6、0.06-0.08MHz和0.15-0.17MHz；結(jié)合拉伸過(guò)程中應(yīng)變演變?cè)茍D和掃描電鏡(SEM)微觀形貌圖，探討了常溫拉伸載荷下熱障涂層失效機(jī)理。
　　第四，組裝調(diào)試萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、三維變形光學(xué)無(wú)損測(cè)試系統(tǒng)、聲發(fā)射和加熱系統(tǒng)，在變溫環(huán)境和拉伸載荷作用下研究了TBCs試樣界面失效過(guò)程，成功地對(duì)其表面應(yīng)變場(chǎng)和裂紋萌生所致的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。提取基底的應(yīng)變數(shù)據(jù)并代入理論解析表達(dá)式，得到了陶瓷層和粘結(jié)層的臨界斷裂強(qiáng)度分別為64.5±6

7、.9MPa和540.5±15.2MPa；陶瓷層/粘結(jié)層界面剪切強(qiáng)度和粘結(jié)層/基底界面剪切強(qiáng)度分別為26.7±2.3MPa和125.6±12.5MPa。分析斷裂點(diǎn)的三維應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得了陶瓷層的臨界斷裂強(qiáng)度為61.2±3.9MPa。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到陶瓷層表面垂直裂紋、陶瓷層/粘結(jié)層界面裂紋及粘結(jié)層垂直裂紋的特征頻譜分別為0.28-0.30MHz、0.07-0.09 MHz和0.22-0.24MHz；借助于掃描電