CN103954641A

CN103954641A - 高温合金氧化膜原位动态实时应力测试技术

Info

Publication number: CN103954641A
Application number: CN201310656478.5A
Authority: CN
Inventors: 王海涛
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN103954641B

Abstract

本发明涉及材料应力测试领域，尤其是涉及高温合金材料表层氧化膜应力测试领域。高温合金氧化膜应力研究一直是困扰国内外科研工作者的难点和重点课题。本发明研究出一种新的力学测试方法：“阿基米德曲线薄片矩量法”，实现了不同温度、不同氧化时间的全过程、原位、动态、实时氧化膜应力测试。开发研制高温合金氧化膜应力测试装置，该装置由真空系统、加热温控系统、读数显微系统等部分组成，如附图所示。采用“真空升温-恒温氧化-真空降温”工艺方法实现氧化膜纯生长应力与纯热应力的准确定性、定量测试，为进一步提高高温合金抗氧化使用温度，开发研制新型高性能高温合金材料提供了科学依据。

Description

高温合金氧化膜原位动态实时应力测试技术

技术领域

本发明涉及材料应力测试领域，尤其是涉及高温材料表层氧化膜应力测试领域。

背景技术

高温合金包括铁基、镍基、钴基高温合金，以其优良的高温机械性能和高温抗氧化性能广泛应用于航空、航天、舰船、能源、冶金、石油化工等高温设备领域。

高温合金能否抗高温氧化取决于其表层能否形成一层保护性氧化膜。氧化膜的破坏剥落是加速合金基体氧化，导致合金抗氧化性能降低的主要原因。有应力才会有氧化膜的剥落，因此，氧化膜的力学性能是决定其抗氧化性能优劣的关键因素。

氧化膜的力学行为研究一直是高温合金抗氧化性能研究的重点和难点课题。氧化膜的成份可以通过X-射线衍射分析测定，氧化膜形貌、结构可以通过SEM扫描电镜分析，氧化膜的元素及分布可以通过EPMA电子探针与EDS能谱加以分析，但氧化膜的力学性能难以获得。氧化膜通常较薄，与基体也难以分离，又涉及到微观尺度应力分析，因此，氧化膜的力学数据难以测量。

经过国内外科研工作者的不懈努力，目前已开发研制了较多的氧化膜力学性能测试技术。如单面氧化弯曲法，双面氧化弯曲法，X-射线衍射法，激光喇曼光谱技术，拉力法，声发射技术等。这些测试技术大多属于间接、冷态、静态的测试，均存在较多的问题和不足，测试数据误差较大，不够准确。目前还没有一种动态实时监测氧化膜应力的方法。

笔者长期从事高温合金的微观组织与材料性能研究,通过多年的研究研制了一种新的测试技术: “阿基米德曲线薄片矩量法”，能够实现全过程、实时、动态、原位测量氧化膜应力，通过科学的检测与分析，深入研究氧化膜的力学行为。该技术发明对探明高温合金氧化膜的抗剥落机理，开辟新工艺、新方法，进一步提高合金抗氧化使用温度，开发研制新型高性能高温合金均具有重要意义。

发明内容

（1）氧化膜应力测试原理

阿基米德曲线也叫渐开线，是指自圆点开始同时沿径向和圆周匀速运动的轨迹，如图1所示。设径向运动速度为v，圆周运动角速度为ω，则任一点K旋转的角度记为φ，K点切线K_L与径向KO夹角为α，根据阿基米德曲线特性， tgα为K点径向速度与线速度之比：

(1)

金属做成阿基米德曲线形状薄片时，如图2所示，起点O固定，水平放置，高温氧化过程中其受到表面生成的氧化膜应力作用产生力矩发生弯曲变形。

阿基米德曲线薄片任一点K的氧化膜切向应力是叠加的，记为σ，该应力产生力矩，促使薄片弯曲变形。

K点氧化膜应力产生的力矩M为：

(2)

式（2）中α=arctgφ，α随曲线旋转角度φ增大而增大。图3、图4分别为阿基米德曲线各点的应力与力矩分布。应力σ于整个薄片各点大小相同，力矩M在薄片起点O最小为0，终点D最大为。因此，对于0～φ角度的阿基米德曲线通过分部积分可求得整个曲线薄片背腹两侧氧化膜应力产生的总力矩：

(3)

圆的弧长等于半径与对应弧度之积，阿基米德曲线弧长微分有：

(4)

对0～φ角度的阿基米德曲线积分求得长度L：

(5)

当阿基米德曲线薄片受到氧化膜应力作用时，于水平面内发生弯曲变形，其总长不变，径向速度v、角速度ω与旋转角度φ发生变化，如图5所示，假设径向速度与角速度分别由原来的v₁、ω₁变为v₂、ω₂，旋转角度由原来的（0～φ₀）变为（0～φ₀+△φ），即净转角度△φ。根据式（5）有：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

金属弹性卷曲受力时卷曲角度△φ与力矩T遵循方程式(11)：

(11)

式中E为金属弹性模量，L为弹性金属体长度， I为截面惯性矩：（b为金属宽度，h为金属厚度）。

阿基米德曲线薄片弯曲变形稳定后，体系的力矩平衡，曲线薄片弹性力矩T与氧化膜应力累积力矩相等，即：

(12)

通过式（6）、（10）、（11）可求出T：

(13)

氧化膜应力使渐开线薄片转动△φ时，即φ处于0～φ₀+△φ区间，其对渐开线产生的累积力矩根据式（3）求出：

(14)

由于：

(15)

化解（14）式得：

(16)

由式（13）、（16）求解式（12）：

(17)

实验中阿基米德曲线卷曲变化后，旋转角度φ=2π时的极半径OC’线段长度可以随时观察测出。又有，因此，

(18)

为阿基米德曲线初始径向速度与角速度已知，也等于曲线初始状态下OC线段长度，，即：

(19)

因此，式（17）可化解为：

(20)

式中E：薄片金属弹性模量，

H：薄片厚度，

：阿基米德曲线薄片初始旋转角度，

OC：薄片初始极半径，

OC’：薄片动态实时极半径。

至此，氧化膜任意点应力σ便可通过观测OC’线段长度，其余参数均已知，由式（20）准确求出。

（2）氧化膜应力测试

图6为采用阿基米德曲线薄片矩量法测试氧化膜应力的实验装置，该装置由加热系统，温控系统、真空系统、电气系统、读数显微镜及真空压力表、阀门等附件组成。

实验时先将合金阿基米德曲线薄片放置于真空加热炉内，开启真空系统；然后启动加热与温控系统，将薄片真空加热至预定的温度，记录薄片OC值；之后破坏真空，通入空气以恒定温度氧化一定的时间，记录薄片OC’值，根据公式（20）计算氧化膜应力。阿基米德曲线薄片矩量法实现了不同温度，不同氧化时间的高温合金氧化膜原位、动态、实时应力测试。

薄片的弯曲位移OC’值可以通过在炉体加装一观察试管，由读数显微镜变焦距长距离直接读出。

由于该过程氧化膜属恒温生长，无温度变化，不涉及到温度变化，因此，此时的应力值即在一定温度下，氧化一定时间的氧化膜纯生长应力。

该“阿基米德曲线薄片矩量法”测试技术可以全过程、动态、实时、原位监测薄片的弯曲位移，因此可以准确测得任意温度、任意氧化时间的氧化膜应力值，这是之前诸多氧化膜应力测试方法难以做到的。

附图说明

图1 阿基米德曲线轨迹分析。

图2 高温合金阿基米德曲线薄片。

图3 阿基米德曲线薄片氧化膜应力分布。

图4 阿基米德曲线薄片氧化膜应力力矩分布。

图5 阿基米德曲线薄片受氧化膜应力弯曲状态图。

图6 阿基米德曲线薄片矩量法测试氧化膜应力实验装置

1 变压器 2电气控制柜 3读数显微镜 4观察视窗 5真空加热炉

6高温合金阿基米德曲线薄片 7碳管加热体 8高温石英管罩 9保温层

10冷却水箱 11冷却水泵 12冷却水泵电机 13高真空蝶阀组

14凸腔扩散泵 15真空泵 16真空泵电机 17真空压力表

18铂铑热电偶 19空气阀。

具体实施方式

（1）高温合金原材料准备。将某一牌号的高温合金毛坯于热处理炉中加热至950℃保温5小时，然后随炉冷却，完全去应力退火。

（2）高温合金阿基米德曲线薄片制取。将去应力退火的高温合金线切割成宽度5mm，厚度0.4mm，旋转角度2π的阿基米德曲线薄片。线切割设备采用慢走丝DK7632电火花线切割机床加工，薄片表面光洁度达到Ra0.8μm。线切割方程为：

（t=0～20）。

（3）“真空升温-恒温氧化-真空降温”工艺措施。氧化膜生长应力与热应力测试。薄片固定于氧化膜应力测试装置的真空炉内，如图6所示。首先开启真空系统，当真空炉内真空达到5×10^-3Pa时，启动加热与温控系统，将薄片真空加热至1000℃（也可以是700℃、800℃、900℃等任一实验温度），此时记录薄片OC值，薄片的弯曲位移OC、OC’值可以通过在炉体上方的读数显微镜JC-10变焦距长距离直接读出；之后破坏真空，通入空气以1000℃恒定温度氧化5小时（可以是任意要求的氧化时间），期间每个半小时记录薄片OC’值，根据公式（20）随时计算高温合金氧化膜应力值。

（4）氧化膜生长应力测试。在“真空升温-恒温氧化”实验过程中，高温合金真空升温到1000℃开始氧化，氧化膜属于一定温度下的恒温生长，无温度变化，阿基米德曲线薄片的弯曲变形纯粹是由于氧化膜的生长产生的。因此，在氧化结束的第5小时末计算的原位动态实时氧化膜应力值，即为高温合金1000℃，氧化5小时的氧化膜纯生长应力。该生长应力记为σ_{(生长，1000℃,5h)}。以此方法，任意氧化温度、任意氧化时间的高温合金氧化膜生长应力均可测试。

（5）氧化膜热应力测试。在第（4）步氧化膜生长应力测试完成时，随即开启真空系统，将真空炉内的气压降低至5×10^-3Pa真空度，然后停止加热系统，阿基米德曲线薄片自然降温至室温，该过程无氧气成份，氧化膜不再生长，仅有温度变化产生的氧化膜热应力发挥作用。每降温50℃，记录薄片OC’值，根据公式（20）随时计算高温合金氧化膜应力值，此时的应力值实际为生长应力与热应力的矢量和，记为σ_综合。该综合应力减去降温之前的氧化膜生长应力σ_{(生长,1000℃,5h)}便是该温度区间的氧化膜纯热应力，比如900℃～1000℃温度区间的热应力记为σ_{(热,900℃～1000℃)}，即σ_{(热,900℃～1000℃)} =σ_综合-σ_{(生长,1000℃,5h)} 。以此方法，即“恒温氧化-真空降温”工艺，可以实现任意温度区间的高温合金氧化膜热应力值测试。

综上所述，采用“阿基米德曲线薄片矩量法”测试技术，可以实现高温合金氧化膜的全过程、动态、实时、原位应力测试，并且可以实现任意氧化温度、任意氧化时间的氧化膜生长应力与任意温度区间的氧化膜热应力定性、定量准确分析。填补了国内外高温合金氧化膜原位、动态、实时应力测试技术的空白。

Claims

1.“阿基米德曲线薄片矩量法”测试氧化膜应力技术是本发明专利的核心技术，阿基米德曲线也称渐开线，该技术可以应用到高温合金氧化膜之外的薄膜覆层涂层等的应力测试，涉及到阿基米德曲线或渐开线薄片矩量的应力测试技术均属对本发明的侵权行为。

2.高温合金氧化膜应力测试装置核心由真空系统、加热温控系统、显微读数系统组成，系统设备不局限于牌号、型号与容量。

3.氧化膜应力测试中，采用“真空升温-恒温氧化”工艺措施实现高温合金氧化膜纯生长应力测试，恒温氧化不局限于大气氧化，可以是其它腐蚀气体的氧化测试。

4.氧化膜应力测试中，采用“恒温氧化-真空降温”工艺措施实现高温合金氧化膜纯热应力测试，恒温氧化不局限于大气氧化，可以是其它腐蚀气体的氧化测试。