基于钻孔法和数字图像相关法热障涂层材料残余应力测试

发布时间：2017-07-14 18:20

  本文关键词：基于钻孔法和数字图像相关法热障涂层材料残余应力测试

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【摘要】：航空航天工业的迅速发展对发动机的要求高的推重比和大的推动力高,其中,重要手段之一是在叶片表面喷涂热障涂层。但是,在涂层的制备过程中,受实验条件和材料参数的影响必然会产生残余应力。涂层内较大的残余应力会导致工件的变形甚至涂层的脱落。研究热障涂层在制备过程中产生的残余应力,对于提高涂层服役寿命和可靠性具有重要的科研意义。基于此,本文发展了一种用于多层结构涂层体系残余应力场钻孔法本构模型,自主研制了一套基于数字图像相关法的钻孔实验测试系统,分别对热处理前后的热障涂层样品的残余应力场进行了测试分析,同时与X射线衍射法、拉曼光谱法测试残余应力结果对比分析,验证本文的钻孔法本构模型和实验测试方法的可行性。相关主要工作归纳如下:第一,建立了多层结构涂层体系残余应力场钻孔法本构模型。考虑到多层结构中各层材料参数的不同对应力传递的影响,从假设微小层内的残余应力是均匀分布入手,建立每层残余应力与钻孔深度的关系,基于传统单一块体材料的钻孔原理,通过矩阵和分步积分的方法,推导出多层结构中每层的残余应力的表达式。通过数字图像相关法得到三个方向的径向应变,就得到了每层的残余应力。该模型可作为后续章节残余应力测试实验的理论基础。第二,利用自主设计组装的钻孔测试系统分别测试了不同条件等离子喷涂热障涂层材料的平均残余应力。首先测量了不同厚度陶瓷层的等离子喷涂热障涂层材料平均残余应力。结果表明:对于不同的样品,随着陶瓷层厚度的增加,样品的残余应力逐渐减小。对于同一样品,随着钻孔深度的逐步增加,涂层的平均残余应力先增加后减小,残余应力从200.49 MPa增加到226.88 MPa后减小到188.34 MPa;测量了不同热处理等离子喷涂热障涂层材料平均残余应力。结果表明:随着热处理时间的增加,涂层的平均残余应力先增加后减小,涂层的残余应力182.73 MPa增加到198.6 MPa减小到88.14MPa。同时,分别采用X射线衍射法和微拉曼光谱法测试了原始样品涂层表面10μm以内的表面残余应力,测试结果基本与最小深度钻孔法的测试结果一致。第三,利用自主设计组装的钻孔测试系统分别测试了不同条件下电子束物理气相沉积热障涂层材料平均残余应力。首先测量了热处理前后电子束物理气相沉积热障涂层材料平均残余应力。结果表明;随着深度的增加,涂层的平均残余应力先增加后减小,涂层的残余应力97.2 MPa增加到175.6 MPa减小到89.4 MPa;随着热处理时间的增加,涂层的平均残余应力先增加后减小,涂层的残余应力130.6增加到196.8MPa减小到97.2 MPa。另外,对电子束物理气相沉积热障涂层样品进行扫描,发现其显微组织由许多彼此分离的柱状晶体组成,且每个柱状晶体又与底层牢固结合。研究结果为预测材料的性能和材料的制备提供了理论指导。
【关键词】：热障涂层 残余应力 钻孔法 数字图像相关法 微拉曼光谱法
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V250.2;V263
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 热障涂层的研究10-11
• 1.2.1 热障涂层的概念与结构10
• 1.2.2 热障涂层的制备方法10-11
• 1.2.3 热障涂层的失效研究11
• 1.3 热障涂层的研究现状和失效检测11-13
• 1.3.1 热障涂层的残余应力的研究现状11-12
• 1.3.2 基于钻孔法和数字图像相关法热障涂层材料残余应力测试12-13
• 1.4 本文选题依据和研究方法13-15
• 第2章 改进的多层结构体系残余应力场钻孔法本构模型15-19
• 2.1 多层结构的钻孔法公式推导15-18
• 2.2 本章小结18-19
• 第3章 等离子喷涂热障涂层残余应力测试19-48
• 3.1 样品的制备及处理19-20
• 3.2 实验过程20
• 3.3 逐步钻孔实验系统的设计及研制20-21
• 3.4 X射线衍射法的测试残余应力21-23
• 3.4.1 X射线衍射法的测试残余应力原理21-23
• 3.4.2 用sin~2Ψ法测试材料表面的残余应力23
• 3.5 拉曼光谱测试残余应力原理23-25
• 3.6 实验结果与讨论25-47
• 3.6.1 原始等离子喷涂热障涂层材料残余应力25-33
• 3.6.2 热循环条件下等离子喷涂热障涂层残余应力33-47
• 3.7 本章小结47-48
• 第4章 电子束物理气相沉积热障涂层残余应力测试分析48-56
• 4.1 实验样品处理48-49
• 4.2 实验测试方案49
• 4.3 实验结果与讨论49-55
• 4.3.1 EB-PVD热障涂层样品SEM图49-50
• 4.3.2 电子束物理气相沉积热障涂层的残余应力50-53
• 4.3.3 XRD法测试EB-PVD热障涂层的残余应力53-54
• 4.3.4 拉曼光谱测试残余应力的结果54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 总结和展望56-58
• 5.1 工作总结56-57
• 5.2 工作展望57-58
• 参考文献58-64
• 致谢64-65
• 个人简历、攻读硕士学位期间发表学术论文65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 韩玉君;叶福兴;王志平;丁坤英;;热障涂层材料的研究进展[J];材料保护;2011年03期

2 林锋,蒋显亮;热障涂层的研究进展[J];功能材料;2003年03期

3 齐红宇;刘金龙;杨晓光;王井科;;基于云纹干涉法与钻孔法的等离子热障涂层残余应力实验[J];航空动力学报;2011年03期

4 牟仁德;陆峰;何利民;贺世美;黄光宏;;热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展[J];热喷涂技术;2009年01期

5 赵冲久;邓雷飞;田双珠;;钻孔法检测残余应力技术中有关参数的数值计算分析[J];水道港口;2011年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 陈强;热循环条件下热障涂层断裂韧性和残余应力的测试分析[D];湘潭大学;2010年

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本文编号：542162