CN103792117B - 制备适用于高温环境散斑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制备适用于高温环境散斑的方法，该方法是先采用三价铁盐溶液和碱溶液制备氢氧化铁胶体，将基底材料进行打磨处理，并清除表面杂质后，置于盛有所述氢氧化铁胶体的容器中，加热使氢氧化铁胶体分解，生成的氧化铁沉积在基底材料表面，冷却，修整基底材料表面，再将基底材料置于高温环境中热处理，即得；该制备方法操作简单、设备简单、成本低，制得的散斑适用于在高温环境下数字图像相关技术对材料变形进行非接触式测量，具有广泛的应用前景。

Description

制备适用于高温环境散斑的方法

技术领域

本发明涉及制备适用于高温环境散斑的方法，属于光学测试技术领域。

背景技术

近年来材料高温力学性能表征已逐渐成为固体力学和材料科学研究的重点领域，尤其是研究航天航空领域高温构件的高温力学性能。由于受到不同材料间的热膨胀系数不匹配、温度梯度等因素影响，这类构件材料通常在高温环境下服役，容易产生热失配应力。当热失配应力达到一定值就可能造成材料破坏，发生涂层脱落、断裂等情况，引发极大的安全事故和经济损失。因此，在高温环境下，实时测试材料的力学性能对于高温构件的选材设计、加工、可靠性评定及寿命预测都具有重要意义。在实验固体力学领域中，材料或结构表面的变形测量一般包括接触式和非接触式两类方法。但是对于在高温环境下的测试，传统接触式方法已难以进行有效精确的变形测量，而非接触式测量方法则更易于实现高温环境下的测量实验。在众多的非接触式变形测量技术中，数字图像相关法具有非接触、小尺度、全场/局部测量的优势，可在高温环境下对材料或结构表面变形进行非接触式测量。随着光学技术和数字化技术的不断发展和更新，数字图像相关技术的测量精度不断得到提升，已被应用在固体力学、流体力学、生物力学、木材力学等诸多领域。

数字图像相关法基本原理是在被测样品表面制备高质量散斑，保证与散斑结合紧密；然后施加载荷促使样品发生变形，通过观测和分析处理材料表面变形前后的散斑图变化，运用相关算法得到材料表面的位移场和应变场。喷涂在样品表面的散斑图是由具有一定灰度且随机分布的散斑组成。材料的变形会带动表面的斑点变形，通过分析斑点变形规律，就可以得到样品表面变形情况，因此散斑成为了材料或结构变形的信息载体，也是数字图像相关测试技术中非常关键的环节。

散斑是数字图像相关法中最基本的元素，其大小和形状对试样变形的测量精度有很重要的影响。质量好的散斑图必须具备非重复性，各向同性、高对比度等特点。通常情况下，散斑制作可以是试样或结构表面的自然纹理、投影或是其它的人工散斑，最为常用的方法是人工制作散斑。目前常采用喷漆的方法制作人工散斑，即在试样或结构表面进行人工喷洒油漆而制得。然而，普通的油漆不能耐高温，在测试温度达到200℃后就会发生氧化，开始变色和变脆，甚至剥落和脱层。即使是使用耐高温漆，当温度达到750℃以上，高温漆也会被氧化并脱落。而对于喷洒高温胶制作散斑，是通过耐高温无机胶把耐高温颗粒粘附在试样表面，当试样的热膨胀系数和高温无机胶接近时，这种方法适用于高温下的热变形测量，但当试样的热膨胀系数和高温无机胶的热膨胀系数差异较大时，测量得到的热变形受到胶层变形的影响，而掩盖了试样本身的热变形，尤其是对于热障涂层界面这种各层材料属性差别较大的热变形，这种方法就不能很好的适用。

谢惠民等人发展了一种制作高温微米尺度散斑的方法（中国专利公告号CN101240996B），这种方法对散斑的质量可控，但是制作过程复杂，包括镀膜、甩胶、曝光、显影、定影等步骤，而且显影、定影时间难以控制不适合推广，成本也比较高。谢惠民等人发展了一种高温散斑的制作方法（中国专利申请公告号CN102445158B），该方法通过对模拟散斑进行优化，寻求最佳的散斑制作工艺参数，然后制作不同放大倍数对应下的散斑，通过打印设备将散斑图打印到聚氯乙烯片，依此为掩模板，然后通过光刻刻蚀的方法在高温材料试样表面形成散斑。这种方法主要针对微小试样微小区域制作散斑，且制作过程繁多，成本较高，不易得到推广。冯雪等人公布了一种高温散斑制作方法（中国专利申请公告号CN101850426A），通过硝酸银粉末、氨水、葡萄糖粉末、纯净水按比例配制成溶液，在被测表面生产银质散斑，但最高温度只能达到900℃左右，随着测试温度的进一步提高，则必须发展新的散斑制作工艺。潘兵等人提出了一种用于高温环境变形测量的散斑制作方法(申请号：201010205568.9)，该方法主要利用不低于1200℃的高温无机胶的液体组分用酒精按体积比为7:3比例，在容器里稀释并搅拌均匀；再将氧化钴粉末按10%的重量比加入稀释后的高温无机胶的液体组分，再用毛刷或滴管随机点涂、喷溅在经清洗干燥后的试件表面，在室温环境中放置至少24小时，待试样表面干燥固化后，完成高温散斑制作。该散斑耐高温，其质量与高温无机胶密切相关。刘战伟等人提出了用于界面高温变形测量的微尺度散斑制作方法(申请号：201210146916.9)，选择黑白颜色反差大的两种耐高温粉末；将乙醇溶液分别和两种耐高温粉末按1:0.1～0.15（g/mL）的质量体积比进行混合后放入两个喷雾瓶，喷洒在处理过的样品表面，待乙醇挥发之后，依靠范德华力把散斑颗粒与试件表面粘附。散斑最高温度只能耐1100℃。

综上所述，现有的高温散斑制作步骤有些繁琐，设备要求高，且耐高温温度大部分低于1100℃。随着测试温度的进一步提升，迫切需要发展更耐高温的高质量散斑。

发明内容

本发明针对现有的高温散斑存在制作步骤繁琐，生产设备要求高，且适用温度大部分低于1100℃的缺陷，目的是在于提供一种通过简单操作、简单设备、低成本制备超耐高温散斑的方法，该方法制得的散斑适用于在高温环境下数字图像相关技术对材料变形进行非接触式测量，具有广泛的应用前景。

本发明提供了制备适用于高温环境散斑的方法，该方法是先采用三价铁盐溶液和碱溶液制备氢氧化铁胶体；将基底材料进行打磨处理，并清除表面杂质后，置于盛有所述氢氧化铁胶体的容器中；加热所述容器直至氢氧化铁胶体分解生成氧化铁，同时生成的氧化铁沉积在基底材料表面，沉积完成后，冷却，修整基底材料表面，再将基底材料置于400～700℃的高温环境中热处理20～30min，即得。

所述的方法，加热容器到温度为150～400℃；优选为200～300℃。

所述的方法，三价铁盐溶液和碱溶液制备氢氧化铁胶体的过程是：将浓度为1.0～3.0mol/L的碱溶液缓慢滴加到浓度为1.0～2.0mol/L的三价铁盐溶液中生成氢氧化铁胶体。:

优选的三价铁盐溶液为硫酸铁溶液、氯化铁溶液或硝酸铁溶液；最优选为硫酸铁溶液。

优选的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水溶液；最优选为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

所述的修整是将基底材料表面过多的氧化铁除去。

所述的基底材料包括金属，陶瓷，陶瓷涂层等材料。

本发明的适用于高温环境散斑的方法，包括以下步骤：

1、将待测的基底材料表面进行打磨处理，清洗干净，干燥处理，然后放入容器中；

2、将浓度为1.0～3.0mol/L的碱溶液缓慢滴加到浓度为1.0～2.0mol/L的三价铁盐溶液中生成氢氧化铁胶体，使三价铁盐全部生成红棕色的氢氧化铁胶状溶液；将获得的胶状溶液静置2～4h，去掉上层清液，把下层的氢氧化铁胶体倒入步骤1中盛有基底材料的容器中，把容器加热到150～400℃，直至氢氧化铁胶体分解生成氧化铁，生成的氧化铁沉积在基底材料表面；

3、冷却后，取出基底材料，并用小刀片或砂纸轻轻去除基底材料表面多余的氧化铁，然后把基底材料放入400～700℃的高温炉中，进行20～30min热处理，基底材料从高温炉中取出，用电吹风或柔软的布清除基底材料表面的杂物和多余的氧化铁，获得带散斑的基底材料。

本发明的有益效果：本发明首次通过氢氧化铁胶体的化学分解制备纳米级别的氧化铁颗粒，并沉积在待测基底材料上，再结合高温处理，得到与基底材料结合牢固，能在1100℃以上环境中稳定存在的散斑，可满足更小尺度下非接触式数字图像相关光学测试，同时，氧化铁的熔点温度在1566℃，非常适用于高温环境下基于数字图像相关技术的材料变形测试。本发明使用的原料来源广，廉价，使用的设备简单，反应操作易控，大大降低了生产成本，可以大规模工业化生产。

附图说明

【图1】是本发明实施例1中纯陶瓷片表面高温散斑400倍光学观察图片。

【图2】是本发明实施例2中热障涂层陶瓷层表面高温散斑400倍光学观察图片。

【图3】是本发明实施例3中热障涂层界面高温散斑400倍光学观察图片。

【图4】是本发明实施例3中热障涂层界面高温散斑在1200℃环境中基于数字图像相关技术的三维变形光学测量系统的系统误差。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，而不是对本发明保护范围的限制。

实施例1

基底材料为等离子喷涂制备的热障涂层，尺寸为22mm×5mm×2.4mm，其基底为厚度为2mm的耐高温镍合金GH3030；粘接层材料为NiCoCrAlY，厚度约100um；陶瓷层成分是8wt%Y₂O₃-ZrO₂，其厚度约为300um；具体制备纯陶瓷表面高温散斑的过程如下：

1、首先该纯陶瓷片进行打磨处理，将其表面清洗干净，并且干燥处理。

2、将清洗、干燥处理后的基底材料放置于蒸发皿中。

3、准备好硫酸铁粉末、氢氧化钾颗粒、纯净水、酒精灯、烧杯、蒸发皿、玻璃棒等实验物品。

4、用纯净水分别配置2mol/LFe₂(SO₄)₃溶液50mL和3mol/LKOH溶液200mL。

5、在Fe₂(SO₄)₃溶液中逐渐滴入KOH溶液，使之全部变为红棕色的氢氧化铁胶状溶液。

6、把步骤(5)获得的胶状溶液静置4h，倾倒去上层清液，再把下层的氢氧化铁胶体倒入步骤(2)的蒸发皿中，利用酒精灯加热蒸发皿中的氢氧化铁胶体到180℃左右，使其充分分解成氧化铁，沉积在被测样品表面。

7、冷却后，取出基底材料，并用小刀片或砂纸轻轻除去基底材料表面多余的氧化铁。

8、然后把样品放入700℃的高温炉中，进行30min热处理，使得氧化铁干燥，与样品表面充分固化为一体。

9、将基底材料从高温炉中取出，用电吹风或柔软的布清除基底材料表面的杂物和多余的氧化铁，即可完成散斑的制备。获得纯陶瓷表面的高温散斑如图1所示。

实施例2

基底材料为等离子喷涂制备的热障涂层，尺寸为20mm×5mm×2.3mm，其基底材料为厚度为2mm的耐高温镍合金GH3030；粘接层材料为NiCoCrAlY，厚度约100um；陶瓷层成分是8wt%Y₂O₃-ZrO₂，其厚度约为200um；具体制备陶瓷层表面高温散斑的过程如下：

1、首先该陶瓷涂层薄片进行打磨处理，将其表面清洗干净，并且干燥处理。

2、将清洗、干燥处理后的基底材料放置于蒸发皿中。

3、准备好硝酸铁粉末、氨水溶液、纯净水、酒精灯、烧杯、蒸发皿、玻璃棒等实验物品。

4、用纯净水分别配置1.5mol/LFe（NO₃）₃溶液20mL和2mol/L氨水溶液45mL。

5、在Fe（NO₃）₃溶液中逐渐滴入氨水溶液，使之全部变为红棕色的氢氧化铁胶状溶液。

6、把步骤(5)获得的胶状溶液静置3h，倾倒去上层清液，再把下层的氢氧化铁胶体倒入步骤(2)的蒸发皿中，利用酒精灯加热蒸发皿中的氢氧化铁胶体到280℃左右，使其充分分解成氧化铁，沉积在被测样品表面。

7、冷却后，取出基底材料，并用小刀片或砂纸轻轻除去基底材料表面多余的氧化铁。

8、然后把样品放入400℃的高温炉中，进行25min热处理，使得氧化铁干燥，与样品表面充分固化为一体。

9、将基底材料从高温炉中取出，用电吹风或柔软的布清除下陶瓷层表面的杂物和多余的氧化铁，即可完成散斑的制备。获得热障涂层陶瓷层表面的高温散斑如图2所示。

实施例3

基底材料为等离子喷涂制备的纯陶瓷片，其成分是8wt%Y₂O₃-ZrO₂，尺寸为14mm×5mm×2mm，具体制备界面高温散斑的过程如下：

1、首先该陶瓷涂层薄片进行打磨处理，将其表面清洗干净，并且干燥处理。

2、将清洗、干燥处理后的基底材料放置于蒸发皿中。

3、准备好硫酸铁粉末、氢氧化钠颗粒、纯净水、酒精灯、烧杯、蒸发皿、玻璃棒等实验物品。

4、用纯净水分别配置1mol/LFe₂(SO₄)₃溶液10mL和1mol/LNaOH溶液30mL。

5、在Fe₂(SO₄)₃溶液中逐渐滴入NaOH溶液，使之全部变为红棕色的氢氧化铁胶状溶液。

6、把步骤(5)获得的胶状溶液静置3h，倾倒去上层清液，再把下层的氢氧化铁胶体倒入步骤(2)的蒸发皿中，利用酒精灯加热蒸发皿到250℃左右，使氢氧化铁胶体分解成氧化铁，沉积在被测样品表面。

7、冷却后，取出基底材料，并用砂纸轻轻除去基底材料表面多余的氧化铁。

8、然后把样品放入500℃的高温炉中，进行20min热处理，使得氧化铁干燥，与样品表面充分固化为一体。

9、将基底材料从高温炉中取出，用电吹风或柔软的布清除热障涂层界面的杂物和多余的氧化铁，获得热障涂层界面的高温散斑如图3所示。

用数字图像相关变形测试系统对上述带氧化铁散斑的样品进行检验校准。在校准过程中，考虑光线变化、噪声震动等因素影响，该基底材料的应变测试误差可以有效控制在0.05%范围内（如图4所示），符合实验的精度要求。

Claims (6)

1.制备适用于高温环境的散斑的方法，其特征在于，先采用三价铁盐溶液和碱溶液制备氢氧化铁胶体；将基底材料进行打磨处理，并清除表面杂质后，置于容器中，再将所述氢氧化铁胶体倒入容器中；加热所述容器直至氢氧化铁胶体分解生成氧化铁，同时生成的氧化铁沉积在基底材料表面，沉积完成后，冷却，修整基底材料表面，再将基底材料置于400～700℃的高温环境中热处理20～30min，即得。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热容器到温度为150～400℃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，三价铁盐溶液和碱溶液制备氢氧化铁胶体的过程是：将浓度为1.0～3.0mol/L的碱溶液缓慢滴加到浓度为1.0～2.0mol/L的三价铁盐溶液中生成氢氧化铁胶体。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的三价铁盐溶液为硫酸铁溶液、氯化铁溶液或硝酸铁溶液。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水溶液。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的修整是将基底材料表面过多的氧化铁除去。