CN104359938B - 一种测试涂层热膨胀系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试涂层的热膨胀系数的方法，针对由基体层和涂层组成的复合体试件，分别测量该基体层的横截面积S_s和涂层的横截面积S_c，在获得基体层的弹性模量E_s和涂层的弹性模量E_c后，采用普通热膨胀系数试验仪分别测试所述基体层的热膨胀系数α_s和所述复合体试件的热膨胀系数并利用计算式计算所述涂层的热膨胀系数α_c。本发明适用于两面涂层或周边涂层的测试。该发明解决了涂层特别是陶瓷涂层热膨胀系数测试的难题，具有较强的实用价值。

Description

一种测试涂层热膨胀系数的方法

技术领域

本发明属于涂层及复合材料热学性能评价技术领域，涉及一种测试涂层热膨胀系数的方法，尤其涉及采用相对法测试陶瓷涂层材料，如陶瓷热障涂层、耐磨涂层、防腐涂层等的热膨胀系数的方法。

背景技术

陶瓷涂层广泛应用于航空、航天、军工、汽车、石油化工以及各种高温耐磨部件。如发动机和轴承等耐磨耐高温部件,大都表面采用陶瓷涂层为防护层。在化工领域，很多腐蚀液体通过的管道内壁镀上陶瓷涂层，寿命和耐久性可以提高数倍。在国防工业和冶金工业领域，很多耐高温构件的表面需要镀上热障涂层，以实现承受高温或超高温和氧化腐蚀的效果。由于涂层与基体层材料的膨胀系数之间的差异，往往导致涂层和界面产生残余应力，在材料设计和结构设计以及热应力和热变形的有限元计算分析都必须首先知道涂层和基体层的弹性模量和膨胀系数等材料基本参数。但是，涂层的热膨胀系数测试一直是个难题,这影响了涂层材料的应用选材和构件设计。其原因是由于涂层无法单独从基体层上取下并做成热膨胀系数测试所要求的试件，技术人员一直还没有找到一种合适的涂层热膨胀系数的测试方法。过去大多数情况是用相同名称均质块体材料的热膨胀系数来代表这种涂层材料的热膨胀系数，这样往往会导致很大的误差。

发明内容

为了解决涂层热膨胀系数无法直接测定的技术难题，本发明提供了一种非常方便的测试材料涂层热膨胀系数的新技术和思路，尤其提供了一种采用相对法测试涂层热膨胀系数的方法。采用本发明的相对法测试技术，只要有测试普通块体材料热膨胀系数的设备，就可以评价涂层的热膨胀系数，对于陶瓷涂层领域的发展和应用是一个巨大的推动。

本发明第一方面的目的在于提供一种测试涂层热膨胀系数的方法，包括以下步骤：

(1)针对由基体层和涂层组成的复合体试件，分别测量所述基体层的横截面积S_s和涂层的横截面积S_c；

(2)获得所述基体层的弹性模量E_s和所述涂层的弹性模量E_c；

(3)采用热膨胀系数试验仪分别测试所述基体层的热膨胀系数α_s和所述复合体试件的热膨胀系数

(4)利用下列算式计算所述涂层的热膨胀系数α_c：

${\mathrm{\α}}_c=\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}({\mathrm{\α}}_s-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}).$

在本发明中，上述基体层的弹性模量E_s和上述涂层的弹性模量E_c从材料手册中获得。

在本发明中，上述基体层的弹性模量E_s通过对另外准备的相同基体层用脉冲激励器测量获得。

在本发明中，上述基体层的弹性模量E_s通过对研磨去掉涂层后的基体层试件用脉冲激励器测量获得。

在本发明中，涂层的弹性模量E_c采用脉冲激励相对法计算获得。

在本发明中，上述涂层的厚度大于20微米。

在本发明中，基体层弹性模量E_s和涂层弹性模量E_c均为已知参数。

上述涂层的弹性模量Ec可采用脉冲激励相对法计算获得，详见发明专利《脉冲激励相对法测试单层或多层复合体涂层的弹性模量的方法》(申请号201410038225.6)。

本发明另一方面的目的在于提供一种测试涂层热膨胀系数的方法，在本发明第一方面的目的中的步骤(3)中基体层的热膨胀系数α_s通过取另外一个完全相同的复合体试件，去除该复合体试件的涂层，之后，采用热膨胀系数试验仪测试获得。

在本发明中，上述复合体试件包括圆柱体表面或长方体表面均匀涂敷有涂层的试件、长方体的对称两面涂敷有涂层的试件。

在本发明中，上述涂层包括镀覆在金属或陶瓷基体层表面的陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层。

在本发明中，上述陶瓷涂层包括陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层。

本发明提出了涂层热膨胀系数测试方法和涂层、基体层和复合体等三个热膨胀系数之间的解析关系式，确定涂层本身的热膨胀系数α_c可以表示为复合体和基体层的热膨胀系数，基体层和涂层的弹性模量，以及涂层与基体层的横截面积比值的函数。只要确定出复合体的热膨胀系数、基体层材料的热膨胀系数，基体层弹性模量，涂层弹性模量，以及涂层与基体层的横截面积比值，即可得到涂层的热膨胀系数。

本发明适用于与陶瓷或金属基体复合的具有一定厚度的涂层(厚度大于20微米)，主要针对硬脆涂层，包括陶瓷涂层(特别是热障涂层、陶瓷耐磨涂层)、金属涂层或玻璃涂层等的热膨胀系数的测定。涂层本身的热膨胀系数α_c可以表示为复合体的热膨胀系数，基体层材料的热膨胀系数，基体层弹性模量，涂层弹性模量，以及涂层与基体层的横截面积比值的函数。只要确定出复合体和基体层材料的热膨胀系数，涂层和基体层的弹性模量，以及涂层与基体层的横截面积比值，即可获得涂层的热膨胀系数。

本发明提供了一种相对法测试涂层热膨胀系数的方法，只要有测试普通块体材料热膨胀系数的设备，就可以评价涂层的热膨胀系数。该方法解决了现有涂层热膨胀系数无法直接测定的技术难题，不仅适用于难以测定的陶瓷涂层，也适用于其他硬脆涂层如金属涂层、玻璃涂层等热膨胀系数的测定。

附图说明

图1为对称型涂层试件沿长度方向的正视横截面示意图，基体层厚度为H，涂层厚度为h。

图2为对称型涂层试件在热膨胀系数测试过程的模型。

图3为碳化硅涂层和石墨基体层的表面与断面形貌显微照片，图3的(a)表面可见明显半球状突起，为SiC膜；图3的(b)为试件横截面照片，白色区域为抛光后SiC膜侧面形貌。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种测试材料涂层膨胀系数的测试方法。首先，本发明从理论上建立了基体层试件、复合体试件、涂层材料的解析关系。

本发明的基本思路是采用相对法，它是一种间接方法,例如有A、B、C三个参数，其中两个可以通过现有方法测试，另一个无法直接测试。如果能建立三者之间的解析关系式，就可以计算出第三个无法直接测试的参数。

陶瓷涂层的热膨胀系数就是一个难以测试的参数，至今为止世界上还没有可直接用于测试涂层热膨胀系数的报道。本发明认为：基体层材料和镀涂层之后的复合体热膨胀系数均可用常规的方法测得，其中测试普通块体材料热膨胀系数的设备可获得固体材料热膨胀系数。但是，当涂层材料与基体层材料不同，试件镀涂层前、后的整体热膨胀系数一定不相同。

本发明设定陶瓷涂层试件共涉及七个参数，分别是三个热膨胀系数(即：涂层材料的热膨胀系数α_c、复合体的热膨胀系数基体层材料的热膨胀系数α_s)，两个弹性模量参数(即：基体层弹性模量E_s、涂层弹性模量E_c)和两个横截面积参数(即：基体层横截面积S_s、涂层横截面积S_c)。其中仅涂层材料的热膨胀系数α_c为待测量参数，其余参数均为可测参数或已知量，只需导出待测量参数与其它可测或已知参数之间的理论关系，就可以把待测量参数计算出来。

简单而言，就是将两个完全相同的具有对称形式的涂层试件，在同样的实验条件下采用普通块体材料热膨胀系数的设备，分别测试出基体层热膨胀系数α_s和复合体热膨胀系数利用图像测量和分析工具，如光学显微镜等，分别测量试件上涂层的横截面积S_c和基体层的横截面积S_s，则涂层的热膨胀系数α_c可通过下式计算求得，即：

${\mathrm{\α}}_c=\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}({\mathrm{\α}}_s-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})$

其中，算式中的为复合体(即基体层与涂层的组合体)热膨胀系数，α_s为基体层热膨胀系数，均可以利用测试普通块体材料热膨胀系数的设备获得。E_c为涂层弹性模量，E_s为基体层弹性模量。上述算式里面已经包含了两种材料的牵连膨胀和残余应力的影响。

在本发明中，基体层弹性模量E_s可从材料手册中获取，或采用脉冲激励法测试去除涂层后的基体层试件。脉冲激励法是一种常用而方便测试固体材料弹性模量的方法。涂层弹性模量E_c也可从产品说明中获取，或采用脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方 法，详见发明专利《脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方法》(申请号201410038225.6)(以下简称：脉冲激励相对法)。

亦即，上述计算式中，除涂层材料的热膨胀系数α_c为待测量参数外，其余参数均为可测参数或已知量，由此即可算出涂层材料的热膨胀系数α_c。

这种方法是一种间接测试的方法，因为是通过比较有涂层和无涂层试件的弹性模量参数以及截面积参数等来确定涂层的热膨胀系数，本发明把这种方法称为相对法。

其中，有关上述脉冲激励相对法，简述如下：首先将所述对称形式的涂层试件去除掉多余部分，仅保留一面涂层，获得单涂层试件。针对由基体层和涂层组成的单涂层试件，分别测量试件基体层的厚度H和涂层的厚度h,用脉冲激励器测量复合体试件的弹性模量E_q并获取试件基体层的弹性模量E_s，利用下列算式(1)计算涂层的弹性模量E_c：

E_c＝β·E_s (1)

算式中， $\mathrm{\β}=\frac{-A+\sqrt{A^2+C}}{{2R}^3}$

A＝4R²+6R+4-F

C＝4R²·(F-1)

F＝(1+R)³·(E_q/E_s)

R＝h/H。

如此，即可获得涂层弹性模量E_c和试件基体层弹性模量Es。

本发明计算涂层热膨胀系数α_c的算式的具体推导过程如下：

为了在升温测试过程中不发生弯曲变形，我们要求试件具有对称形式的涂层，如圆棒表面均匀涂层、方截面的棒四周或轴对称两面有涂层。假设涂层与基体层之间的界面是连续均匀。依据对称型涂层试件在测试热膨胀系数(温度差为ΔT)的模型，如图2所示，在自由膨胀条件下，根据材料力学中材料热膨胀系数的计算公式为：

涂层热膨胀系数 ${\mathrm{\α}}_c=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{L_0\·\mathrm{\ΔT}}---\left(2\right)$

基体层热膨胀系数 ${\mathrm{\α}}_s=\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{L_0\·\mathrm{\ΔT}}---\left(3\right)$

其中，Δ₁为涂层在温度差为ΔT时刻沿长度方向的自由膨胀量，Δ₂为基体层沿长度方向的自由膨胀量。

考虑到涂层与基体层之间的界面应力约束作用力下，复合体(基体层与涂层的组合体)沿长度方向实际膨胀量为ΔL₀，复合体热膨胀系数可表示为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\ΔL}}_0}{L_0\·\mathrm{\ΔT}}---\left(4\right)$

涂层与基体层的复合体内部的横截面应力状态应达到自平衡,属于此正彼负,总和为零。假定涂层的热膨胀系数小于基体层的膨胀系数，则在升温过程中涂层内部拉应力为σ₁，基体层内部压应力为σ₂。反之亦然。根据材料力学基本原理可知：

$d_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{E_c}\×L_0---\left(5\right)$

$d_2=\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{E_s}\×L_0---\left(6\right)$

其中，d₁是在涂层内部残余拉应力σ₁作用下的涂层伸长位移量，d₂是在基体层内部残余压应力σ₂作用下的位移量。E_c为涂层弹性模量，E_s为基体层弹性模量，L₀为复合体试件的初始长度。

由公式(5)和(6)可得：

$d_1+d_2=L_0\×(\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{E_c}+\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{E_s})---\left(7\right)$

由图2中的几何关系可知

d₁+d₂＝Δ₂-Δ₁＝L₀·Δα·ΔT (8)

由公式(7)和(8)可得

$\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{E_c}+\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{E_s}=\mathrm{\Δ\α}\·\mathrm{\ΔT}---\left(9\right)$

对于整个试件来说，其应力应处于一种平衡状态，则

σ₁S_c＝σ₂S_s (10)

其中S_c为涂层的横截面面积(垂直于长度L₀方向)，S_s为基体层的横截面面积。

由公式(10)可得代入公式(5)可得，

$d_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{E_c}\×\left(\frac{S_s}{S_c}\right)\×L---\left(11\right)$

将公式(11)和(6)代入公式(8)，

$L_0{\mathrm{\σ}}_2\×(\frac{S_s}{E_c{S}_c}+\frac{1}{E_s})=L\·\mathrm{\Δ\α}\·\mathrm{\ΔT}---\left(12\right)$

根据图2中的几何关系可知，

d₁＝ΔL₀-Δ₁ (13)

d₂＝Δ₂-ΔL₀ (14)

由公式(13)并将公式(11)代入可得,

${\mathrm{\Δ}}_1={\mathrm{\ΔL}}_0-d_1={\mathrm{\ΔL}}_0-\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{E_c}\left(\frac{S_s}{S_c}\right)L---\left(15\right)$

由公式(14)并将公式(4)代入可得,

${\mathrm{\Δ}}_2=d_2+{\mathrm{\ΔL}}_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{E_s}L+{\mathrm{\ΔL}}_0---\left(16\right)$

将公式(16)变形为，

σ₂＝E_s(Δ₂-ΔL₀)/L (17)

将公式(17)代入公式(15)

${\mathrm{\Δ}}_1={\mathrm{\ΔL}}_0-\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_s}({\mathrm{\Δ}}_2-{\mathrm{\ΔL}}_0)---\left(18\right)$

将公式两边同时除以L₀·ΔT，如此可得，

${\mathrm{\α}}_c=\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}({\mathrm{\α}}_s-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})---\left(19\right)$

算式中为复合体热膨胀系数，α_s为基体层热膨胀系数，均可以利用测试普通块体材料热膨胀系数的设备获得。E_c为涂层弹性模量，E_s为基体层弹性模量，均可通过上述算式(1)获得，由此即可求出复合体热膨胀系数α_c。

本发明通过以下方式验证上述算式的合理性：假设涂层的热膨胀系 数和基体层的热膨胀系数相等，即α_c＝α_s。则涂层与基体层组成的复合体热膨胀系数一定与涂层或基体层的热膨胀系数相等，而与涂层弹性模量E_c，基体层弹性模量E_s，涂层的横截面积S_c，基体层的横截面积S_s等参数无关。验算如下：将α_c＝α_s代入算式(19)

则有 ${\mathrm{\α}}_c\×[1+\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}]=\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\×[1+\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}]$

由于E_c，E_s，S_c和S_s等相关参数值均大于0，所以故求出的复合体热膨胀系数与涂层或基体层的热膨胀系数相等。这样也验证了上述理论和计算算式的正确性。

本发明的涂层材料热膨胀系数的测试方法可简单地归纳为：通过普通块体材料热膨胀系数的设备测试出基体层和复合体的热膨胀系数,并测量涂层与基体层的横截面积比值，即可算出涂层的热膨胀系数。因此，本发明测试涂层热膨胀系数的方法包括以下四个大步骤：

1)利用光学显微镜等仪器测量涂层和基体层的横截面积；

2)按照标准方法测试含涂层的试件的热膨胀系数；

3)取另外一个完全相同的含涂层试件，研磨掉试件的涂层，用标准方法测试不含涂层试件的膨胀系数；

4)用算式(19)计算出涂层的热膨胀系数 。

基体层弹性模量E_s和涂层弹性模量E_c为已知参数，若不知也可以用前述脉冲激励相对法获得。其中，基体层的弹性模量E_s可对另外准备的相同基体试样用脉冲激励器测量获得，也可以通过对研磨去掉涂层后的试件再测试一次弹性模量获得。其余的参数均可直接测量。

另外，本发明的试件可以是圆柱体表面或长方体表面均匀涂敷有涂层的试件、也可以是长方体的对称两面涂敷有涂层的试件。

以下以具体实例进一步说明本发明的测试方法。

实施例 1 ：对称型两面陶瓷涂层弹性模量的测试

试件：石墨基体层表面化学气相沉积碳化硅膜的复合材料(碳化硅涂层+石墨基体层)。试件长度为50.54mm。

测试步骤如下：

(1)涂层和基体层横截面积的测量

测量涂层横截面积S_c：涂层表面形貌见图3的(a)，用光学显微 镜或千分尺测量试件涂层的截面积，测得S_c＝1505264.7398μm²；

测量基体层横截面积S_s：用光学显微镜或千分尺测量试件基体层的截面积，测得S_s＝8258665.0302μm²；

(2)基体层/涂层弹性模量的测算

测量基体层的弹性模量Es：准备另一个与基体层试件完全相同的石墨试件，用脉冲激励器测量该基体层的弹性模量，测得Es＝9.80GPa；

计算涂层的弹性模量Ec：用脉冲激励器测得复合体的弹性模量Eq＝20.76GPa(块体试件弹性模量的脉冲激励法测试原理及方法参见标准ASTM C1259-01)；

依据前述脉冲激励相对法(申请号201410038225.6)，算出涂层的弹性模量Ec＝375GPa；

(3)基体层/复合体的热膨胀系数的测量

依据标准方法使用常规热膨胀系数试验仪测量复合体的热膨胀系数(常规热膨胀系数试验测试方法参见标准GB/T3810.8-2006)；

取另外一个完全相同的含涂层试件，研磨掉试件的涂层，采用上述标准方法测试基体层的热膨胀系数α_s＝1.628×10^-6/℃，

(4)计算碳化硅涂层的热膨胀系数α_c：依据算式(19)计算出碳化硅涂层的热膨胀系数α_c＝2.481×10^-6/℃。

本例计算结果与碳化硅材料热膨胀系数单独测试数值或公开发表的文献值(D.T.Wan等，Ceramic International 32:883-890,2006)相吻合，表明本发明的测试方法可行。

综上，本发明针对这样一种现状：涂层的热膨胀系数测试一直是个难题，这影响了涂层材料的应用选材和构件设计。其原因是由于涂层无法单独从基体层上取下并制作成热膨胀系数测试所要求的试件，人们一直还没有找到一种合适的测试涂层热膨胀系数的方法。本发明能达到这种效果:只要有测试普通块体材料热膨胀系数的设备就可以评价涂层材料的热膨胀系数，这将可以很方便地解决涂层热膨胀系数测试的难题。技术上的考虑是：本发明中利用相对法技术测试陶瓷涂层 热膨胀系数的解析关系式中共涉及有三个热膨胀系数参数：即基体层材料的热膨胀系数α_s、涂层材料的热膨胀系数α_c、复合体(带有涂层的试件)的热膨胀系数二个弹性模量参数：即弹性模量E_s、弹性模量E_c，和二个横截面积参数：即横截面积S_s、横截面积S_c。其中仅涂层材料的热膨胀系数α_c为待测量参数。基体层材料E_s和涂层材料弹性模量E_c为已知，或采用前述脉冲激励相对法测试单层或多层复合涂层的弹性模量的方法即可测得。基体层材料的热膨胀系数α_s和复合体(带有涂层的试件)的热膨胀系数采用普通块体材料热膨胀系数的设备测试即可获得。基体层材料横截面积S_s和涂层材料横截面积S_c采用光学显微镜测试就可以获得。

本发明的核心是用一种传统的测试热膨胀系数的技术，通过相对法原理和技术，获得过去无法直接测试的陶瓷涂层(或玻璃涂层、金属涂层)的热膨胀系数。本发明解决了这一难题，对陶瓷涂层的应用与发展具有重要的现实意义。

Claims (10)

1.一种测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对由基体层和涂层组成的复合体试件，分别测量所述基体层的横截面积S_s和涂层的横截面积S_c；

(2)获得所述基体层的弹性模量E_s和所述涂层的弹性模量E_c；

(3)采用热膨胀系数试验仪分别测试所述基体层的热膨胀系数α_s和所述复合体试件的热膨胀系数

(4)利用下列算式计算所述涂层的热膨胀系数α_c：

${\mathrm{\α}}_c=\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-\frac{E_s{S}_s}{E_c{S}_c}({\mathrm{\α}}_s-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}).$

2.根据权利要求1所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述基体层的弹性模量E_s和所述涂层的弹性模量E_c从材料手册中获得。

3.根据权利要求1所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述基体层的弹性模量E_s通过对另外准备的相同基体层用脉冲激励器测量获得。

4.根据权利要求1所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述基体层的弹性模量E_s通过对研磨去掉所述涂层后的基体层用脉冲激励器测量获得。

5.根据权利要求1所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述涂层的弹性模量E_c采用脉冲激励相对法计算获得；

所述脉冲激励相对法为：首先将所述对称形式的涂层试件去除掉多余部分，仅保留一面涂层，获得单涂层试件，针对由基体层和涂层组成的单涂层试件，分别测量试件基体层的厚度H和涂层的厚度h,用脉冲激励器测量复合体试件的弹性模量E_q并获取试件基体层的弹性模量E_s，利用算式(1)计算涂层的弹性模量E_c：

E_c＝β·E_s (1)

算式中，

A＝4R²+6R+4-F

C＝4R²·(F-1)

F＝(1+R)³·(E_q/E_s)

R＝h/H。

6.根据权利要求1所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述基体层的横截面积S_s和所述涂层的横截面积S_c用光学显微镜或千分尺测量获得。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述步骤(3)中基体层的热膨胀系数α_s通过取另外一个完全相同的复合体试件，去除该复合体试件的涂层，之后，采用热膨胀系数试验仪测试获得。

8.根据权利要求7所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述涂层的厚度大于20微米。

9.根据权利要求8所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述复合体试件包括圆柱体表面或长方体表面均匀涂敷有涂层的试件、长方体的对称两面涂敷有涂层的试件。

10.根据权利要求9所述的测试涂层热膨胀系数的方法，其特征在于：

所述涂层包括镀覆在金属或陶瓷基体层表面的陶瓷涂层、金属涂层或玻璃涂层；所述陶瓷涂层为陶瓷热障涂层或陶瓷耐磨涂层的高模量涂层材料。