高温环境下热障涂层材料力学参数测试分析

发布时间：2017-10-08 18:04

  本文关键词：高温环境下热障涂层材料力学参数测试分析

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【摘要】：热障涂层以其良好的隔热、耐磨蚀性能,被广泛地应用于军事和国防领域。然而,在实际应用中,由于受到各层材料性能参数不匹配的影响,其表面和界面处容易产生较大的应力,促使裂纹的萌生和扩展,进而导致涂层的破坏失效,严重制约了热障涂层体系的可靠性及广泛应用。因此,在服役温度下实时测试热障涂层材料力学参数,对指导涂层材料设计及工艺改进有着十分重要的意义。本论文自主设计和研制了一套基于数字图像相关技术的材料高温力学性能实验测试系统。在高温环境下测试热障涂层材料的热变形,分析其热膨胀系数、弹性模量、断裂强度以及断裂韧性等性能参数,发展了一种材料高温力学参数的实验表征方法。主要研究内容归纳如下:第一,自主设计和研制了一套基于数字图像相关法的材料高温力学性能实验测试系统。系统包括1600°C高温炉、Aramis变形测量系统、强光照系统以及红外滤光系统等设备。并且完成一种耐高温散斑的制备方法以满足数字图像相关法对散斑的要求。经过调试,高温炉温度误差能有效地控制在±1°C范围内,为高温环境下热障涂层材料的力学性能实验测试,提供了适用的实验方法以及可靠的实验设备。第二,在1600°C范围内测试热障涂层材料的热变形及热膨胀系数分析。结合高温炉与Aramis变形测量系统实时监测并采集样品表面不同温度下的数字图像。依据样品表面的全场热变形信息,分析计算材料的热膨胀系数。结果表明,在25~1600°C范围内,8wt%Y2O3-ZrO2(8YSZ)陶瓷的热膨胀系数为8.837×10-6/℃~14.332×10-6/°C;高温合金基底的热膨胀系数为12.37×10-6/°C~18.03×10-6/°C。通过实验验证了数字图像相关法的准确性,为高温热失配应力的产生提供可靠的理论和实验依据。第三,在高温环境下测试热障涂层材料的弹性模量及断裂强度。基于数字图像相关法、单轴拉伸法以及三点弯曲法,对基底合金、8YSZ陶瓷样品进行高温断裂测试。实验结果表明,在1000°C和1100°C时,合金基底的杨氏模量分别为143 GP和129GPa,抗拉强度分别为159 MPa和132 MPa。而陶瓷涂层在1100°C和1200°C时的弹性模量分别为26.2 GPa和16.9 GPa,弯曲强度分别为33.55 MPa和29.64 MPa。第四,运用单边切口梁法在高温环境下测试热障涂层材料的断裂韧性。通过单边切口梁法以及数字图像相关法,实时监测预制切口的8YSZ陶瓷样品的受载弯曲过程、裂纹的扩展路径等图像信息。通过时间-应变曲线,确定陶瓷发生突变的时间和载荷。实验和理论研究表明,在1100°C时,陶瓷涂层的断裂韧性为1.98 MPa?m1/2;在1200°C时,断裂韧性为1.04 MPa?m1/2。为陶瓷涂层在高温环境下的裂纹扩展、断裂失效的研究提供一种可靠的实验表征方法。
【关键词】：热障涂层 数字图像相关法 高温环境 测试系统 力学参数
【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】：V231
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 引言9-10
• 1.2 热障涂层的研究与发展现状10-11
• 1.3 热障涂层的制备方法11-13
• 1.4 热障涂层的研究热点方向13-14
• 1.4.1 新型陶瓷材料的研究13
• 1.4.2 失效机理的研究13-14
• 1.4.3 寿命评估及预测14
• 1.5 热障涂层失效检测方法14-15
• 1.5.1 涂层的室温材料力学参数测试方法14
• 1.5.2 涂层残余应力的测试方法14-15
• 1.5.3 其它无损检测技术15
• 1.6 涂层高温力学性能测试方法15-16
• 1.7 本文选题依据和主要研究内容16-18
• 第2章 基于数字图像相关法材料高温性能实验系统研制18-25
• 2.1 数字图像相关法18-21
• 2.1.1 数字图像相关法(DIC)发展及应用现状18-19
• 2.1.2 数字图像相关法的基本原理19-21
• 2.2 高温散斑的研究进展及制备方法21-23
• 2.2.1 高温散斑的研究进展21-22
• 2.2.2 高温散斑的制备方法22-23
• 2.3 高温热变形测量系统23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 1600 °C范围内热障涂层材料热膨胀系数测试分析25-40
• 3.1 热应变的计算与热膨胀系数的测试原理25-27
• 3.1.2 平均热应变理论计算模型26-27
• 3.1.3 热膨胀系数的确定27
• 3.2 实验样品的制备与处理27-30
• 3.2.1 TBCS样品制备及表面处理27-29
• 3.2.2 8YSZ陶瓷涂层的制备及表面处理29
• 3.2.3 基底合金(GH3030)的制备及表面处理29-30
• 3.3 实验测试方案30-32
• 3.3.1 热障涂层界面热应变的测定31
• 3.3.2 8YSZ陶瓷涂层热膨胀系数的测定31-32
• 3.3.3 基底合金热膨胀系数的测定32
• 3.4 实验结果与分析32-39
• 3.4.1 热障涂层界面热变形分析32-34
• 3.4.2 纯陶瓷热膨胀系数的测试分析34-37
• 3.4.3 基底材料热膨胀系数的测试分析37-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 高温环境下热障涂层材料弹性模量及断裂强度测试分析40-50
• 4.1 弹性模量以及断裂强度的测试方法40-41
• 4.2 实验样品的制备与表面处理41-43
• 4.2.1 GH3030高温合金基底制备及处理41-42
• 4.2.2 陶瓷层样品制备及表面处理42-43
• 4.3 实验测试方案43-44
• 4.3.1 基底合金弹性模量及抗拉强度43-44
• 4.3.2 陶瓷涂层弹性模量及弯曲强度44
• 4.4 实验结果及分析44-49
• 4.4.1 基底高温弹性模量的测试分析44-46
• 4.4.2 8YSZ陶瓷层弹性模量以及弯曲强度的测试分析46-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 高温环境下热障涂层材料断裂韧性测试分析50-56
• 5.1 断裂韧性测试方法及测试原理50-51
• 5.1.1 断裂韧性的测试方法50
• 5.1.2 单边切.梁法测试原理50-51
• 5.2 样品的制备与处理51-52
• 5.3 实验结果与分析52-55
• 5.3.1 陶瓷断裂应变和断裂韧性的确定52-53
• 5.3.2 基于数字图像相关法的单边切.梁涂层断裂韧性测定53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 总结与展望56-58
• 6.1 工作总结56-57
• 6.2 工作展望57-58
• 参考文献58-65
• 致谢65-66
• 附录A: 个人简历、攻读硕士学位期间发表的专利及学术论文66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 潘兵;吴大方;高镇同;;基于数字图像相关方法的非接触高温热变形测量系统[J];航空学报;2010年10期

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本文编号：995460