熱循環(huán)條件下熱障涂層斷裂韌性和殘余應(yīng)力的測試分析.pdf

1、熱障涂層(Thermal Barrier Coatings,簡稱TBCs)具有抗高溫氧化和腐蝕的能力,可以有效地降低高溫耐熱合金基底的使用溫度,延長高溫部件的使用壽命,從而被廣泛應(yīng)用于航空、航天和大型火力發(fā)電等領(lǐng)域。然而,陶瓷涂層內(nèi)裂紋的萌生、擴(kuò)展甚至涂層過早的剝落是導(dǎo)致熱障涂層失效的重要原因,這一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)問題。在1000℃的熱循環(huán)條件下,本文首先研究了熱障涂層部分材料參數(shù)隨熱氧化時(shí)間的變化規(guī)律,然后在考慮其演變的影響下,

2、測試分析了熱障涂層系統(tǒng)斷裂韌性和殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。主要研究內(nèi)容如下:
　　第一,用納米壓痕法研究了8wt.％Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(8YSZ)熱障涂層楊氏模量和硬度隨熱循環(huán)次數(shù)增加的演變關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):由于受到高溫?zé)Y(jié)作用的影響,熱障涂層的楊氏模量和硬度隨熱循環(huán)次數(shù)的不同而出現(xiàn)不同程度的的增長,主要分為兩個(gè)階段,當(dāng)在100次熱循環(huán)之前,兩者隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而快速增大。當(dāng)熱循環(huán)次數(shù)超過100次之后,兩者隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐

3、漸趨于平緩,甚至保持穩(wěn)定。熱障涂層的楊氏模量和硬度具有明顯的各向異性。在測試中,由于陶瓷材料是典型的脆性材料,其壓痕測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的分散性。本文采用Weibull分布統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行處理,獲得了比較滿意的結(jié)果。
　　第二,用Vickers壓痕的方法研究了8YSZ熱障涂層系統(tǒng)的斷裂韌性。分別采用基于半硬幣狀裂紋系統(tǒng)的傳統(tǒng)壓痕斷裂力學(xué)模型和考慮殘余應(yīng)力影響的Lawn-Evans-Marshall(簡稱LEM)壓痕斷裂力學(xué)模型來

4、分析維氏壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究表明,在98N的壓制載荷下,用傳統(tǒng)模型分析得到的熱循環(huán)條件下熱障涂層表面斷裂韌性從1.19MPa·m1/2變化到4.4MPa·m1/2;其界面斷裂韌性從0.54MPa·m1/2變化到2.8MPa·m1/2。在不同的壓制載荷下,用LEM模型分析計(jì)算得到的熱障涂層表面斷裂韌性從0.52MPa·m1/2變化到3.06MPa·m1/2,相應(yīng)的表面殘余應(yīng)力從-41MPa變化到-268MPa。熱障涂層系統(tǒng)的斷裂韌性也呈現(xiàn)出

5、各向異性,且表面斷裂韌性整體比界面斷裂韌性值要大。
　　第三,通過制備長方形的8YSZ陶瓷棒樣品,采用微拉曼光譜法標(biāo)定了8YSZ材料的壓電光譜系數(shù)(Piezo-spectroscopic Coefficient,簡稱PSC)隨熱循環(huán)變化的演變關(guān)系。結(jié)果表明,PSC隨熱循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢,且與楊氏模量的變化趨勢相反。
　　第四,研究了熱障涂層楊氏模量的變化對X射線衍射法(XRD)測試其殘余應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明