聲發(fā)射法表征熱障涂層的斷裂韌性與損傷演化.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡(jiǎn)稱TBCs)因具有良好的隔熱、耐磨、耐蝕性,已成為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵的熱防護(hù)材料。但是由于熱障涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服役環(huán)境惡劣,常出現(xiàn)涂層斷裂、剝落導(dǎo)致涂層失效,甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此研究熱障涂層的失效模式并得到其關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)(如:表面斷裂韌性、界面斷裂韌性),可對(duì)熱障涂層壽命預(yù)測(cè)及可靠性評(píng)估提供依據(jù),并是失效研究的重要內(nèi)容。本文利用無損檢測(cè)方法監(jiān)測(cè)熱障涂層彎曲、壓痕實(shí)驗(yàn)過程中涂

2、層的損傷,并得到關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)(如:斷裂韌性等)。主要內(nèi)容如下:
　　第一,建立了熱障涂層在彎曲載荷作用下表面斷裂韌性的理論模型。然后利用聲發(fā)射技術(shù)和數(shù)字散斑相關(guān)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了熱障涂層彎曲載荷下的損傷過程。判斷其失效模式,并通過聲發(fā)射事件數(shù)和應(yīng)變值隨時(shí)間變化的拐點(diǎn)判斷出熱障涂層表面、界面裂紋產(chǎn)生的臨界閾值。將臨界閾值代入理論模型,得到氧化前后熱障涂層的表面斷裂韌性分別為1.005 MPa·m1/2和3.531 MPa·m1/2。并利用

3、聲發(fā)射參數(shù)對(duì)表面裂紋進(jìn)行定量分析。最后分析了氧化對(duì)熱障涂層表面失效影響。
　　第二,闡述了應(yīng)用壓痕總裂紋長度法和聲發(fā)射參數(shù)法求解熱障涂層表面斷裂韌性的理論模型。然后應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)氧化前后熱障涂層的壓痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。區(qū)分了不同損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào),并得到總裂紋長度與聲發(fā)射能量的線性關(guān)系。最后運(yùn)用壓痕總裂紋長度法得到未氧化熱障涂層的表面斷裂韌性為1.0 MPa·m1/2,運(yùn)用聲發(fā)射參數(shù)法得到氧化前后熱障涂層的表面斷裂韌性分別為1

4、.645 MPa·m1/2和3.846 MPa·m1/2。并比較了不同測(cè)試方法得到的熱障涂層的表面斷裂韌性的結(jié)果,驗(yàn)證了壓痕-聲發(fā)射法表征熱障涂層表面斷裂韌性的可靠性。
　　第三,根據(jù)Suo-Hutchinson模型,推導(dǎo)了熱障涂層界面裂紋斷裂韌性的理論模型。然后根據(jù)前面得到的臨界閾值,計(jì)算得到氧化前后熱障涂層的界面斷裂韌性分別為2.13 MPa·m1/2和2.39 MPa·m1/2。運(yùn)用小波分析對(duì)氧化前后熱障涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)