CN101858872A - 一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法 - Google Patents

一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，首先对发光环境障碍涂层进行荧光成像，若在荧光成像图像中存在黑色区域，则判断发光环境障碍涂层存在开裂或剥落区域，已经发生了结构宏观失效，否则分别测量未受腐蚀的和待监测的发光环境障碍涂层在特定激发波长下的荧光光谱，并分别计算两种光谱中对应于激活离子电偶极跃迁的强度最大的特征峰和对应于激活离子磁偶极跃迁的强度最大的特征峰之间的强度比，并计算强度比的变化值，若其绝对值≥20％，则判断发光环境障碍涂层发生了结构衰变。本方法灵敏度高，具有广泛的适用对象和使用环境。

Description

一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法
技术领域
本发明涉及涂层结构失效状况的无损监测领域，具体为一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法。
背景技术
硅基陶瓷及其复合材料因为优良的性能，被认为是未来高性能航空发动机部件等高新技术领域内的理想材料。通过在硅基陶瓷材料表面涂覆环境障碍涂层(EBC，Environmental Barrier Coating)，可以克服硅基陶瓷在发动机燃烧室等恶劣工作环境下抗氧化性能失效的问题，保障硅基陶瓷部件在有水蒸气及腐蚀性杂质存在条件下的环境耐久性要求。在恶劣工作环境下，高温、腐蚀及应力等因素并存，随着时间的延长，环境障碍涂层中热应力微裂纹扩展，涂层组分分解、相变或与腐蚀杂质发生化学反应，造成环境障碍涂层开裂、剥落、有效阻挡能力和耐腐蚀性下降。因此开发有效评价环境障碍涂层抗腐蚀能力并实时监测涂层失效状况的方法是环境障碍涂层领域未来发展的方向。
现有评价环境障碍涂层抗腐蚀能力的方法主要包括质量分析、残余强度分析、X射线衍射(XRD，X-Ray Diffraction)物相变化分析、扫描电子显微镜(SEM，ScanningElectron Microscopy)相貌观察等手段。这些方法的主要缺点包括测试精度不高、仪器价格较为昂贵、在测试过程中会对测试材料造成不可逆转的损伤、对测试材料表面性质具有较高的要求、会造成涂层表面污染等。而用于实时监测环境涂层失效状况的方法鲜有报道。
荧光技术是近几十年迅速发展的一项技术，具有灵敏度高(灵敏度可达亿分之一)、选择性好、设备简单、方法简便、重现性好及取样量少等众多优点。基于荧光特征对结构的敏感性，荧光技术将是一种有希望的用于环境障碍涂层的结构损伤失效监测的无损监测方法，可有效评价环境障碍涂层抗腐蚀能力并实现涂层失效状况的实时监测，而这方面国内外尚无研究。
发光环境障碍涂层是一种新型的环境障碍涂层，它具有发光材料的性质，由激活离子和发光基质组成，其中激活离子是一种具有光学活性、在特定的基质中可形成振荡能级的离子，而在发光环境障碍涂层的荧光光谱中，不同的特征峰对应激活离子的不同跃迁，可以指示激活离子所处的不同晶格环境。在申请号为201010047920.0的专利申请文件公开了一种Eu3+:YPO4发光环境障碍涂层材料及其制备方法，其中Eu3+改性发光环境障碍涂层的荧光光谱中590nm附近及610nm附近两处特征峰，分别对应Eu3+严格处于晶格对称格位的5D0→7F1电偶极跃迁和偏离晶格对称格位的5D0→7F2磁偶极跃迁。通过荧光技术获得发光环境障碍涂层参数，并判断障碍涂层失效状况代表了环境障碍涂层无损监测的新方向。
发明内容
本发明提出一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其具体技术方案为：
所述监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：对待监测的发光环境障碍涂层在特定激发波长下进行荧光成像，若在荧光成像图像中存在黑色区域，则判断发光环境障碍涂层存在开裂或剥落区域，已经发生了结构宏观失效，否则进行下一步骤；
步骤2：测量未受腐蚀的发光环境障碍涂层在特定激发波长下的荧光光谱；
步骤3：在步骤2得到的荧光光谱中，选取对应于激活离子电偶极跃迁的强度最大的特征峰和对应于激活离子磁偶极跃迁的强度最大的特征峰，计算这两处特征峰的强度比；
步骤4：测量待监测的发光环境障碍涂层在特定激发波长下的荧光光谱，其中激发波长与步骤2中采用的激发波长相同；
步骤5：在步骤4得到的荧光光谱中，选取与步骤3中两处特征峰位置相同的两处特征峰，并计算这两处特征峰的强度比，其比值关系与步骤3中强度比的比值关系相同；
步骤6：根据步骤3与步骤5得到的两处特征峰的强度比，计算强度比变化值：
Figure BSA00000156051900021
当强度比变化值的绝对值≥20％，则判断发光环境障碍涂层发生了结构衰变。
所述的一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于步骤1和步骤2中所述的特定激发波长为发光环境障碍涂层的最佳激发波长。
所述的一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于对同一批次的同一种发光环境障碍涂层的不同监测样品，重复步骤1及步骤4至步骤6，直至完成对发光环境障碍涂层样品的监测。
本发明提出的一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法的有益效果在于：(1)灵敏度高，对于发生了结构衰变的EBC，当质量变化仅为0.004％时，荧光强度比却可发生明显的变化，达25％左右；(2)具有广泛的适用对象和使用环境，适于可以通过设计基体及激活离子开发的多种发光环境障碍涂层，可用于真实发动机燃烧室环境及多种模拟燃烧室环境等复杂恶劣工作环境下EBC的结构状况监测；(3)具有良好的环境选择性，利用荧光光谱特征峰强度比变化监测发光环境障碍涂层的结构衰变时，强度比变化对应特定工作环境存在特定的变化趋势；(4)该方法是一种无损监测方法，无需特殊表面处理，也不会破坏试样；(5)方法简单，信息可靠，对于可能发生开裂或剥落等宏观失效情况的EBC，通过荧光成像可以迅速观察出是否发生结构失效，对于未发生开裂及剥落等失效的情况，通过测量荧光光谱，计算荧光光谱特征峰强度比变化值，也能直接快速判断EBC是否发生了结构衰变；(6)对分析设备要求低，设备原理简单。
附图说明
图1：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层900℃硫酸钠熔盐腐蚀100h后以及未腐蚀试样的XRD图谱；
图2：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层900℃硫酸钠熔盐腐蚀后，荧光光谱中特征峰强度比变化值随腐蚀时间的变化；
图3：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层1100℃硫酸钠熔盐腐蚀不同时间后以及未腐蚀试样的XRD图谱；
图4：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层1100℃硫酸钠熔盐腐蚀后，荧光光谱中特征峰强度比变化值随腐蚀时间的变化；
图5：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层1350℃水-氧腐蚀环境不同腐蚀时间后以及未腐蚀试样的XRD图谱；
图6：Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层1350℃水-氧腐蚀后，荧光光谱中特征峰强度比变化值随腐蚀时间的变化；
图7：二维C/SiC表面Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层1350℃水-氧腐蚀环境腐蚀500h后的荧光图像；
图8：本发明的步骤示意图。
具体实施方式
下列各实施例以同一批次的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层作为监测目标。
使用荧光分光光度计测定Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的最佳激发波长为250nm；
在激发波长250nm下，使用荧光分光光度计测量未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱，在获得的荧光光谱中选取Eu3+严格处于晶格对称格位的5D0→7F1电偶极跃迁对应的特征峰和Eu3+偏离晶格对称格位的5D0→7F2磁偶极跃迁对应的特征峰，计算这两处特征峰的强度比：
Figure BSA00000156051900041
其中，
Figure BSA00000156051900042
为荧光光谱中5D0→7F1跃迁对应特征峰的强度，
Figure BSA00000156051900043
为荧光光谱中5D0→7F2跃迁对应特征峰的强度。
也可将这两处特征峰的强度比表示为：
Figure BSA00000156051900044
只是在后面计算待监测Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱特征峰强度比时，强度比的比值关系应与此处强度比的比值关系相同。
实施例1
在获得上述未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层荧光光谱特征峰强度比的基础上，继续以下步骤：
将Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层在900℃硫酸钠熔盐环境中进行腐蚀试验，总压1个大气压，所用硫酸钠熔盐浓度为(9.9±1.1)mg/cm3；在激发波长250nm下，使用荧光分光光度计对腐蚀时间分别为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层进行荧光成像，没有出现激发光被基体吸收后表现出的黑色区域，说明发光环境障碍涂层没有发生剥落和严重开裂。再使用荧光分光光度计在激发波长250nm下测量腐蚀时间分别为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱，并在荧光光谱中选取对应5D0→7F1和5D0→7F2跃迁的两处特征峰，计算特征峰强度比
Figure BSA00000156051900051
以及特征峰强度比变化值。结果表明，在该腐蚀环境下，腐蚀时间为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的特征峰强度比变化值的绝对值在5％左右，说明在900℃下熔盐腐蚀环境下，该发光环境障碍涂层腐蚀100小时后没有腐蚀产物生成，也不存在高温相变。见附图1和附图2。
实施例2
在获得上述未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层荧光光谱特征峰强度比的基础上，继续以下步骤：
将Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层在1100℃硫酸钠熔盐环境中进行腐蚀试验，总压1个大气压，所用硫酸钠熔盐浓度为(9.9±1.1)mg/cm3；在激发波长250nm下，使用荧光分光光度计对腐蚀时间分别为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层进行荧光成像，没有出现激发光被基体吸收后表现出的黑色区域，说明发光环境障碍涂层没有发生剥落和严重开裂。再使用荧光分光光度计在激发波长250nm下测量腐蚀时间分别为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱，并在荧光光谱中选取对应5D0→7F1和5D0→7F2跃迁的两处特征峰，计算特征峰强度比
Figure BSA00000156051900052
以及特征峰强度比变化值。结果表明，在该腐蚀环境下，腐蚀时间为20小时、40小时、60小时、80小时和100小时后的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的特征峰强度比变化值的绝对值大于20％，说明在1100℃下熔盐腐蚀环境下，该发光环境障碍涂层腐蚀20小时后发生结构衰变，有焦磷酸钠等腐蚀相生成。见附图3和附图4。
实施例3
在获得上述未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层荧光光谱特征峰强度比的基础上，继续以下步骤：
将Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层在1350℃下，50％氧气-50％水蒸气，总压1个大气压下进行耐久性腐蚀实验；在激发波长250nm下，使用荧光分光光度计对腐蚀时间分别为20小时、50小时、120小时和310小时后的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层进行荧光成像，没有出现激发光被基体吸收后表现出的黑色区域，说明发光环境障碍涂层没有发生剥落和严重开裂。再使用荧光分光光度计在激发波长250nm下测量腐蚀时间分别为20、50小时、120小时和310小时后Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱，并在荧光光谱中选取对应5D0→7F1和5D0→7F2跃迁的两处特征峰，计算特征峰强度比以及特征峰强度比变化值。结果表明在该腐蚀环境下，腐蚀时间为50小时以上，发光环境障碍涂层的特征峰强度比变化值的绝对值大于20％，说明该发光环境障碍涂层发生了结构衰变，有钇铝石榴石等腐蚀相生成。见附图5和附图6。
对比熔盐腐蚀环境与水-氧腐蚀环境两种环境下的结果，前者荧光强度比变化为负值，而后者为正值，具有不同的变化趋势，说明基于荧光特征峰强度比变化监测环境障碍涂层结构状况的方法具有良好的环境选择性。
实施例4
在获得上述未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层荧光光谱特征峰强度比的基础上，继续以下步骤：
将二维C/SiC表面Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层在1350℃下，50％氧气-50％水蒸气，总压1个大气压下进行耐久性腐蚀实验；在激发波长250nm下，使用荧光分光光度计对腐蚀时间为500h后的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层进行荧光成像，涂层剥落区域，激发光被SiC基体吸收，在荧光图像中表现为黑色，而涂层完整区域Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层在250nm紫外光激发下发红光，由此直接判断发光环境障碍涂层发生了严重开裂和剥落。见附图7。
若在计算未受腐蚀的Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱特征峰强度比时，采用强度比计算公式为
Figure BSA00000156051900062
则相应在实施例1至实施例3中，计算待监测Eu0.05Y0.95PO4发光环境障碍涂层的荧光光谱特征峰强度比时，也采用
Figure BSA00000156051900063
作为强度比计算公式。若这两种方法计算得出的特征峰强度比变化值的绝对值不相同，则其中任意一值≥20％，则判断发光环境障碍涂层发生了结构衰变。

Claims (3)

1.一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：对待监测的发光环境障碍涂层在特定激发波长下进行荧光成像，若在荧光成像图像中存在黑色区域，则判断发光环境障碍涂层存在开裂或剥落区域，已经发生了结构宏观失效，否则进行下一步骤；
步骤2：测量未受腐蚀的发光环境障碍涂层在特定激发波长下的荧光光谱；
步骤3：在步骤2得到的荧光光谱中，选取对应于激活离子电偶极跃迁的强度最大的特征峰和对应于激活离子磁偶极跃迁的强度最大的特征峰，计算这两处特征峰的强度比；
步骤4：测量待监测的发光环境障碍涂层在特定激发波长下的荧光光谱，其中激发波长与步骤2中采用的激发波长相同；
步骤5：在步骤4得到的荧光光谱中，选取与步骤3中的特征峰位置对应的两处特征峰，并计算这两处特征峰的强度比，其比值关系与步骤3中强度比的比值关系相同；
步骤6：根据步骤3与步骤5得到的两处特征峰的强度比，计算强度比变化值：
Figure FSA00000156051800011
当强度比变化值的绝对值≥20％，则判断发光环境障碍涂层发生了结构衰变。
2.根据权利要求1所述的一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于步骤1和步骤2中所述的特定激发波长为发光环境障碍涂层的最佳激发波长。
3.根据权利要求1所述的一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法，其特征在于对同一批次的同一种发光环境障碍涂层的不同监测样品，重复步骤1及步骤4至步骤6，直至完成对发光环境障碍涂层样品的监测。
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