CN102901718B - 一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，包括：（1）制备掺杂有具有发光性能的元素的涂层；（2）将至少一条光纤放置在距离所述涂层预设距离的不同位置，并将光纤与光谱仪连接；（3）对涂层施加载荷，每条光纤接收涂层对应位置发出的光谱信号并传递到光谱仪；（4）对每条光纤接收到的光谱信号进行调整基线处理，并提取特征峰强度；（5）绘制归一化处理后的特征峰强度比随载荷的分布图，根据特征峰强度比的变化判断该光纤对应的涂层垂直表面的开裂状态。本发明通过光纤接收掺杂有具有发光性能的元素的涂层所发出的光谱信号，根据特征峰强度比的变化，对涂层的开裂状态进行实时、定性的监测，适合在有焰流的高温实际工况环境中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法。
背景技术
在基体上附着一层涂层，可以在保持基体性能的前提下，利用涂层的优异的抗蚀、抗磨、耐高温等性能，具有扩展材料的应用范围，降低设备的材料成本等优点。如在燃气轮机的高温部件上制备热障涂层，可以进一步提高现代燃机的使用温度，从而提高发动机热效率和推重比。采用热障涂层技术还可以减轻瞬间热力载荷、降低对冷却设备和技术的要求，提高腔内高温气体的温度，从而提高气体性能以及热效率。
但涂层在使用过程中，在冲蚀、热震、拉伸等载荷的作用下，涂层会发生开裂，从而导致涂层从基体上剥落下来，破坏部件的结构完整性，对部件、乃至设备的安全运行具有重要的危害作用。因此为保障涂层的安全服役，需要对涂层的开裂状态进行监测。涂层的开裂按位向可分为垂直涂层表面和平行涂层表面的开裂。垂直涂层表面的裂纹时有发生，造成涂层的承载能力、抗腐蚀和冲蚀等性能明显下降。故需针对涂层垂直表面的开裂状态进行监测。
在常温常压的工况下，可以通过视觉检查等判别涂层出现的开裂，但针对某些涂层的特定服役状态下，无法通过视线直接判别其出现垂直表面的开裂状态，例如在高温、特别是有焰流的环境下，传统的判别开裂的方法有所局限。申请号为201010197829.7的中国专利“一种监测发光环境障碍涂层失效状况的方法”是通过发光区域变暗来表征发光涂层的开裂和剥落，该检测方法需要使用视觉设备，这在某些焰流环境中应用受到限制。申请号为200810031180.4的中国专利“热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法”采用声学方法检测涂层开裂，但是该方法对运行环境的要求较高，通常需要静音处理，也不适合一般工况下的检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，适合在有焰流的高温实际工况环境中使用。
为了达到上述目的，本发明提供一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，包括如下步骤：（1）制备掺杂有具有发光性能的元素的涂层；（2）将至少一条光纤放置在距离所述涂层预设距离的不同位置，并将光纤与光谱仪连接；（3）对涂层施加载荷，每条光纤接收涂层对应位置发出的光谱信号并传递到光谱仪；（4）对每条光纤接收到的光谱信号进行调整基线处理，并提取特征峰强度；（5）绘制归一化处理后的特征峰强度比随载荷的分布图，根据特征峰强度比的变化判断该光纤对应的涂层垂直表面的开裂状态。
所述步骤（5）中，特征峰强度比的降低对应涂层中的裂纹数量的增加或裂纹宽度的增大。
所述表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，进一步包括：（6）比较不同光纤对应的特征峰强度比的变化，其中特征峰强度比降低最明显的位置，即为涂层垂直表面开裂最严重的位置。
所述步骤（1）中，所述具有发光性能的元素包括稀土元素。
所述步骤（1）中，所述具有发光性能的元素包括Dy和Tm。
所述步骤（1）中，所述Dy和Tm在所述涂层中的摩尔百分比为0.5~1%。
所述步骤（1）中，采用等离子喷涂方法制备所述涂层。
所述步骤（1）中，所述涂层通过一过渡层与基体连接。
所述步骤（2）中，将至少一条光纤放置在距离所述涂层10-20mm的不同位置。
所述步骤（2）中，将至少一条光纤放置在距离所述涂层15mm的不同位置。
本发明的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，通过光纤接收掺杂有具有发光性能的元素的涂层所发出的光谱信号，根据特征峰强度比的变化，对涂层的开裂状态进行实时、定性的监测，适合在有焰流的高温实际工况环境中使用。
附图说明
图1示出实现本发明表征涂层垂直表面的开裂状态的方法的装置结构图；
图2示出其中一条光纤接收到的光谱信号图；
图3示出根据图2得到的特征峰强度比随载荷的分布图；
图4示出涂层中的垂直表面的裂纹位置随载荷的分布图；
图5（a）示出小载荷下涂层中的垂直表面的裂纹的扫描电镜照片；
图5（b）示出大载荷下涂层中的垂直表面的裂纹的扫描电镜照片；。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步说明。
本发明的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，包括如下步骤：
（1）制备掺杂有具有发光性能的元素的涂层；
（2）将至少一条光纤放置在距离所述涂层预设距离的不同位置，并将光纤与光谱仪连接；
（3）对涂层施加载荷，每条光纤接收涂层对应位置发出的光谱信号并传递到光谱仪；
（4）对每条光纤接收到的光谱信号进行调整基线处理，并提取特征峰强度；
（5）绘制归一化处理后的特征峰强度比随载荷的分布图，根据特征峰强度比的变化判断该光纤对应的涂层垂直表面的开裂状态。
图1示出实现本发明表征涂层垂直表面的开裂状态的方法的装置结构图，其中，U形试样的基体4为镍基合金，通过等离子喷涂等热喷涂方法将涂层1附着在U形底部的基体表面上。优选地，涂层1通过一过渡层（未示出）与基体4连接，该过渡层的材料例如为NiCrAlY，可有效增强该涂层1与基体4的结合力。应该理解，其他任何能够将该涂层与基体结合在一起的材料均可用在本申请作为过渡层使用。在本发明的一个实施例中，涂层1为掺杂摩尔百分比为0.5~1%Dy和Tm的ZrO2-Y2O3粉末制备的涂层，当然，涂层1中也可以掺杂其它具有发光性能的稀土元素或其他的任何具有发光性能的元素。其中，过渡层和涂层1的厚度均优选在100微米左右。
随后，将至少一条光纤2（此处示为三条）放置在距离涂层一定距离的不同位置，该距离优选为10-20mm，更优选地，将该三条光纤2放置在距离涂层15mm的不同位置，并将每条光纤2与光谱仪3连接，如图1所示。
接下来，通过对U型试样的两臂加压实现对涂层1的加载，图1中箭头所示为加压方向，每条光纤2接收涂层1对应位置发出的光谱信号并传递到光谱仪3。随着加载的进行，光谱仪3可实时记录来自多光纤通道的光谱信号，从而得到涂层1对应位置的发射光谱，该光谱由波长355nm的紫外线激发。
其中一条光纤对应的光谱信号如图2所示。此处包括蓝光段和黄光段两个主要的波谱。对图2的光谱信号进行调整基线处理，以峰强度较强的483nm峰位为特征峰。以未加载时的涂层发出的光谱信号为基准，加载后的涂层发出的光谱信号相对未加载时的光谱信号进行归一化处理，从而得到特征峰强度的强度比随载荷的分布图，如图3所示。随着载荷增加，特征峰强度比在总体增加的趋势下有多次降低（如图3中A-D所示），且随着载荷增加，特征峰强度比降低的趋势更加明显。
在扫描电镜下对涂层的加载过程进行实时观测。涂层中出现的裂纹数量随载荷的增加呈现增加趋势，如图4所示。图5（a）、图5（b）分别示出小载荷和大载荷下涂层中的垂直表面的裂纹的扫描电镜照片，可以看出，在裂纹数量不变的状态下，大载荷下的裂纹宽度增加。由此可见，涂层光谱的特征峰强度比的降低对应涂层中的裂纹数量的增加或裂纹宽度的增大，而裂纹数量增加和宽度增加均表明涂层的开裂状态，从而特征峰强度比的降低表征了涂层垂直表面的开裂状态。
对多条光纤记录的光谱信号进行比较，其中特征峰强度比降低最明显的位置，即为涂层垂直表面开裂最严重的位置。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
Claims (7)
1.一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备掺杂有具有发光性能的元素的涂层，所述具有发光性能的元素为稀土元素，所述稀土元素在所述涂层中的摩尔百分比为0.5～1％；
(2)将三条光纤放置在距离所述涂层预设距离的不同位置，并将光纤与光谱仪连接；
(3)对涂层施加载荷，每条光纤接收涂层对应位置发出的光谱信号并传递到光谱仪；
(4)对每条光纤接收到的光谱信号进行调整基线处理，并提取特征峰强度；
(5)绘制归一化处理后的特征峰强度比随载荷的分布图，根据特征峰强度比的变化判断该光纤对应的涂层垂直表面的开裂状态，其中特征峰强度比的降低对应涂层中垂直表面的裂纹数量的增加或裂纹宽度的增大。
2.如权利要求1所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，进一步包括：
(6)比较不同光纤对应的特征峰强度比的变化，其中特征峰强度比降低最明显的位置，即为涂层垂直表面开裂最严重的位置。
3.如权利要求1或2所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述具有发光性能的元素包括Dy和Tm。
4.如权利要求1或2所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用等离子喷涂方法制备所述涂层。
5.如权利要求1或2所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述涂层通过一过渡层与基体连接。
6.如权利要求1或2所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将三条光纤放置在距离所述涂层10-20mm的不同位置。
7.如权利要求6所述的表征涂层垂直表面的开裂状态的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将三条光纤放置在距离所述涂层15mm的不同位置。
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