熱障涂層體系斷裂韌性和殘余應(yīng)力的壓痕測(cè)試研究.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡(jiǎn)稱(chēng)TBCs)具有良好的隔熱、耐磨、耐蝕性性能,已被廣泛應(yīng)用在核技術(shù)或航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫部件的熱防護(hù)領(lǐng)域。然而,在實(shí)際服役環(huán)境中,許多因素會(huì)導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)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(yīng)力隨熱循環(huán)的變化規(guī)律,采用數(shù)字圖像相關(guān)法、單邊切口梁法和拉曼光譜法測(cè)試了熱障涂層的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力。主要研究?jī)?nèi)容

2、如下:
　　第一,通過(guò)制備長(zhǎng)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(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)缺口處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),得到了測(cè)試試樣的應(yīng)變場(chǎng)、斷裂應(yīng)變、斷裂時(shí)間以及裂紋的擴(kuò)展路徑等數(shù)據(jù)。由于陶瓷材料是一種各向異性和不均勻的材料,其測(cè)試的結(jié)果具有一定的分散性。本文采用韋伯模數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法分析了基于壓痕斷裂測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:用數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)試得到的斷裂時(shí)間和

3、載荷要小于拉伸機(jī)測(cè)試得到的斷裂時(shí)間與載荷。隨著熱處理時(shí)間的增加,實(shí)驗(yàn)得到純陶瓷的斷裂強(qiáng)度從28±2 MPa變化到77.78±6.48 MPa;用拉伸機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)字圖像相關(guān)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(yīng)用拉曼光譜法,測(cè)試在熱循環(huán)前后真空噴涂粘結(jié)層的熱障涂

4、層拉曼平移,并測(cè)試熱障涂層的壓電光譜系數(shù)。在考慮楊氏模量隨熱循環(huán)變化的基礎(chǔ)上,應(yīng)用拉曼光譜法測(cè)試熱障涂層殘余應(yīng)力隨楊氏模量變化的影響。通過(guò)掃描電鏡觀察,分析了熱氧化層(TGO)的厚度和形貌對(duì)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(jié)果表明:用拉曼光譜得到熱障涂層的殘余應(yīng)力從-29.66±5MPa變化到-190.62±10MPa。此結(jié)果與 XRD測(cè)試得到的結(jié)果具有較好的一致性。
　　第三,用改進(jìn)的維氏壓痕儀測(cè)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(yīng)力的演變規(guī)律。基于現(xiàn)有的表面壓痕斷裂力學(xué)理論模型,考慮了壓痕最大深度和殘余應(yīng)力對(duì)斷裂韌性的影響。首先得到了表面與截面處陶瓷層和粘結(jié)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(yīng)力的數(shù)值從-26.8±5 MPa變化到-234±10 MPa。真空噴涂粘結(jié)層的熱障涂層的殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的殘