CN109959558A - 用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，所述试样基体包括：第一固定段和第二固定段；连接段，所述连接段连接在所述第一固定段和所述第二固定段之间，所述第一固定段的宽度与所述第二固定段的宽度相等且大于所述连接段的宽度，所述连接段设有喷涂面；其中，所述第一固定段和所述第二固定段中的至少一个被施加拉伸载荷时，所述连接段及其喷涂面上的涂层材料被拉伸。根据本发明实施例的试样基体适于与小体积的原位拉伸机配合以完成对涂层材料的拉伸，从而可置于扫描电子显微镜内观测，进而利于分析涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。

Description

用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体
技术领域
本发明涉及航天航空技术领域，尤其是涉及一种用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体。
背景技术
相关技术中对于涂层材料力学性能检测及损伤机理的探究，通常利用万能拉伸试验机在宏观尺度下进行，例如采用高分辨率相机拍摄的方法观测涂层的拉伸开裂过程，并结合数字图像相关方法测量涂层正表面的应变变化情况。
由于涂层材料大都通过等离子喷涂或者物理气相沉积等方法制备得到的，由于喷涂方法的特殊性，涂层材料的喷涂厚度可能会受到限制，例如某些陶瓷涂层材料的喷涂制备厚度一般在几十微米至几毫米的范围之内，由于厚度较小，所以在宏观尺度下即使利用高分辨率相机也较难详细地观察涂层材料的开裂过程，无法有效观察到涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，该试样基体适于与小体积的原位拉伸机配合以完成对涂层材料的拉伸，从而可置于扫描电子显微镜内观测，进而利于分析涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。
根据本发明的实施例提出一种用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，所述试样基体包括：第一固定段和第二固定段；连接段，所述连接段连接在所述第一固定段和所述第二固定段之间，所述第一固定段的宽度与所述第二固定段的宽度相等且大于所述连接段的宽度，所述连接段设有喷涂面；其中，所述第一固定段和所述第二固定段中的至少一个被施加拉伸载荷时，所述连接段及其喷涂面上的涂层材料被拉伸。
根据本发明实施例的试样基体适于与小体积的原位拉伸机配合以完成对涂层材料的拉伸，从而可置于扫描电子显微镜内观测，进而利于分析涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。
根据本发明的一些具体实施例，所述试样基体的抗拉强度为σb/MPa，拉伸载荷为F/N，所述试样基体的最大厚度a/mm和宽度b/mm满足：υb*ab≤F。
根据本发明的一些具体实施例，所述试样基体的延伸率为δ，拉伸的最大量程为Lm/mm，所述试样基体的长度L/mm满足：δ*L≤Lm-L。
根据本发明的一些具体示例，所述试样基体的长度L≤30mm、宽度b≤14mm、厚度a≤3mm。
进一步地，所述试样基体的抗拉强度σb＝205MPa，所述拉伸载荷F＝1000N，所述试样基体的最大厚度a＝3mm，所述试样基体的宽度b≤1.63mm。
进一步地，所述试样基体的延伸率δ＝6％，所述拉伸的最大量程Lm＝30mm，所述试样基体的长度L≤28.3mm。
根据本发明的一些具体示例，所述第一固定段设有第一定位孔，所述第二固定段设有第二定位孔。
进一步地，所述第一定位孔和所述第二定位孔均为圆形孔且直径d＝4mm。
根据本发明的一些具体实施例，所述第一固定段的厚度、所述第二固定段的厚度与所述连接段的厚度彼此相等，所述喷涂面形成在所述连接段的上表面。
根据本发明的一些具体实施例，所述第一固定段的厚度与所述第二固定段的厚度相等且小于所述连接段的厚度，所述喷涂面形成在所述连接段的侧表面。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体的结构示意图。
图3是根据本发明另一个实施例的涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体的结构示意图。
附图标记：
涂层材料原位拉伸观测系统1、
原位拉伸机100、工作台110、滑动导轨111、防脱凹槽112、第一载物台120、第一夹板121、第一螺纹孔122、第一定位销孔123、第二载物台130、第二夹板131、第二螺纹孔132、第二定位销孔133、驱动器140、滑动导杆141、传动螺杆142、
试样基体200、第一固定段210、第一定位孔211、第二固定段220、第二定位孔221、连接段230、喷涂面231、
样品仓400。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
相关技术中对于涂层材料力学性能检测及损伤机理探究大多利用万能拉伸试验机在宏观尺度下进行，通常采用高分辨率相机拍摄的方法观测涂层的拉伸开裂过程，并结合数字图像相关方法测量涂层正表面的应变变化情况。
通常情况下需要制作拉伸试样基体，然后在基体材料上喷涂待测试涂层材料，之后对涂层材料表面进行常规喷涂散斑，目的是为后续数字图像相关法计算应变提供标识点。准备完成之后利用万能拉伸试验机对拉伸试样进行拉伸试验，实验过程中需要利用高分辨率相机录制拉伸过程以观测涂层开裂的具体过程，并连续拍摄照片，以便能够利用数字图像相关法计算涂层正表面的应变变化情况。
使用数字图像相关算法计算散斑在拉伸过程中的变化规律，得出应变关系。将涂层材料在承受拉伸载荷到表面裂纹开裂主要分为4个阶段：
(1)涂层刚开始承受拉伸载荷时，应变呈现无规律变化；
(2)随着拉伸载荷的增加，涂层表面应变为有序波动状态，近似于正弦曲线，最大应变与最小应变分别为波峰和波谷，且波峰和波谷不断向同一方向移动；
(3)拉伸载荷达到一定阶段时，涂层的小部分区域应变急剧增加；
(4)当急剧增加的涂层区域的应变达到极限，即区域内的应力达到抗拉极限时，涂层发生断裂。
但是，由于涂层太薄，这种方法只能检测涂层表面应变变化及裂纹扩展，无法观察到涂层的侧面处界面裂纹及表面裂纹向界面裂纹扩展的变化规律。
通常采用的观察界面裂纹及表面裂纹向界面裂纹扩展的方法是通过控制万能试验机的载荷渐变实现的。如准备参数相同的多个喷涂有涂层材料的试样基体，分别以逐渐增加的固定载荷拉伸试样基体，在拉伸达到所定载荷时，停止拉伸，将试样取下将拉伸试样的截面制成金相试样，在扫描电子显微镜下观察来确定拉伸过程中的裂纹形式及裂纹转变过程。但是，这种方法并不能实时反应裂纹的扩展过程，且载荷范围的选择具有一定的随机性，导致所得的裂纹随拉伸载荷变化规律不连续，可能会影响裂纹扩展过程的准确性。另外在观察试样的制备过程中，由于磨抛的不规范，可能会造成脆性涂层内部出现裂纹，影响结果观察的准确性。
考虑到相关技术中涂层材料拉伸试验观测方式的现状，根据本发明的实施例提出一种涂层材料原位拉伸观测系统1，涂层材料原位拉伸观测系统1可以应用于航天航空技术领域，例如，对于航天航空设备中发动机叶片上的热障涂层，可采用涂层材料原位拉伸观测系统1对其进行观测和分析，下面参考附图描述根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1。
如图1-图3所示，根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1包括原位拉伸机100、试样基体200、扫描电子显微镜和计算机系统(图中未示出)。
试样基体200设有待测涂层的喷涂面，试样基体200固定于原位拉伸机100，原位拉伸机100工作时拉伸试样基体200及其上的待测涂层。所述扫描电子显微镜具有样品仓400，原位拉伸机100设于样品仓400内，所述扫描电子显微镜在所述待测涂层被拉伸时连续拍摄图像或进行全过程录像。所述计算机系统分别与所述扫描电子显微镜和原位拉伸机100相连,可利用数字图像相关法对图片进行处理得到涂层材料表面的应变大小及其变化过程。
根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1，通过设置可以放置于扫描电子显微镜的样品仓400内的原位拉伸机100，从而能够利用所述扫描电子显微镜对拉伸过程进行观测，实现了从微纳米级别观测涂层的开裂过程，可以清楚地捕捉到涂层开裂的具体过程，包括裂纹萌生的位置，裂纹扩展的路径及速度等。另外利用扫描电子显微镜在高放大倍数下进行原位观测，可以观测到涂层材料微观形貌的变化，有助于分析涂层开裂的机理。
举例而言，在拉伸过程中可以同步记录位移/载荷信号，从而可以实现对涂层材料力学性能的分析；并且可以在微纳米尺度下记录涂层材料的变化过程，从而可以推断涂层材料在拉伸/压缩过程中的损伤机理；用纳米压印方法在涂层待观测表面进行标识点标记之后，利用数字图像相关法处理扫描电子显微镜在拉伸实验过程中拍摄得到的图像，可获得涂层表面的应变大小及局部应变变化过程。
因此，根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1，能够详细地观察涂层材料的开裂过程，利于分析涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。
在本发明的一些具体实施例中，如图1所示，原位拉伸机100包括工作台110、第一载物台120、第二载物台130和驱动器140。
第一载物台120和第二载物台130设于工作台110，第一载物台120和第二载物台130中的至少一个可向远离另一个的方向移动，试样基体200的一端固定于第一载物台120且另一端固定于第二载物台130。驱动器140与第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个传动连接，第一载物台120和第二载物台130相对远离运动时，拉伸试样基体200，从而拉伸试样基体200上的涂层材料。
进一步地，工作台110设有滑动导轨111，第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个可滑动地配合于滑动导轨111，以保证第一载物台120和/或第二载物台130移动时与工作台110的同轴性。驱动器140连接有滑动导杆141，第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个可滑动地配合于滑动导杆141，以保证第一载物台120和/或第二载物台130移动时与驱动器140的同轴性。
其中，滑动导轨111的两侧表面设有防脱凹槽112，第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个设有配合于防脱凹槽112的防脱棱，从而防止第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个脱离滑动导轨111。
在本发明的一些具体示例中，驱动器140为伺服电机，所述伺服电机的电机轴通过联轴器连接有传动螺杆142，传动螺杆142与第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个螺纹配合，以将电机轴的旋转运动转化为第一载物台120和第二载物台130中的所述至少一个的线性运动。例如，传动螺杆142的两端部分别有方向相反的螺纹，传动螺杆142的转动带动第一载物台120和第二载物台130分别向反向移动以达到拉伸的功能。
在本发明的一些具体实施例中，如图1所示，第一载物台120设有可拆卸的第一夹板121，第二载物台130设有可拆卸的第二夹板131，试样基体200的一端被夹持在第一载物台120和第一夹板121之间，试样基体200的另一端被夹持在第二载物台130和第二夹板131之间。
具体而言，如图1所示，第一夹板121设有第一螺纹孔122和第一定位销孔123，例如，第一螺纹孔122为两个且第一定位销孔123位于两个第一螺纹孔122之间，第一夹板121通过配合于第一螺纹孔122的第一螺纹紧固件(例如螺栓)可拆卸地安装于第一载物台120，第一夹板121通过配合于第一定位销孔123的第一定位销对试样基体200的所述一端进行固定，该第一定位销可以进一步插入第一载物台120。
第二夹板131设有第二螺纹孔132和第二定位销孔133，例如，第二螺纹孔132为两个且第二定位销孔133位于两个第二螺纹孔132之间，第二夹板131通过配合于第二螺纹孔132的第二螺纹紧固件(例如螺栓)可拆卸地安装于第二载物台130，第二夹板131通过配合于第二定位销孔133的第二定位销对试样基体200的所述另一端进行固定，该第二定位销可以进一步插入第二载物台130。
在本发明的一些具体示例中，原位拉伸机100的拉伸速率、最大载荷，扫描电子显微镜的放大倍数及观测范围均可实时定量调节，拉伸速率可实现在0.036mm/min～1mm/min的范围内的线性调节，最大载荷量可达到1kN，拉伸最大量程可达10mm，可满足不同性能的涂层材料的测试需求。
鉴于如陶瓷的脆性材料的涂层，其在拉伸过程中弹性变形阶段很短，其断裂行为发生十分迅速，在使用大型万能拉伸试验机进行试验时，由于试验机拉伸载荷较高，拉伸速率较快，因此很难捕捉到涂层材料详细的断裂过程。
根据本发明实施例的原位拉伸机100，其拉伸速率可调节范围在0.036mm/min-1mm/min范围内，通过调慢拉伸速率，可实现对脆性陶瓷涂层的“延时”拉伸断裂过程，从而可以实现观测涂层材料缓慢开裂至断开剥落的详细过程。
在本发明的一些具体实施例中，如图2和图3所示，试样基体200包括第一固定段210、第二固定段220和连接段230。
连接段230连接在第一固定段210和第二固定段220之间，第一固定段210的宽度与第二固定段220的宽度相等且大于连接段230的宽度，连接段230设有喷涂面231。
其中，第一固定段210和第二固定段220中的至少一个被施加拉伸载荷时，连接段230及其喷涂面231上的涂层材料被拉伸。
根据本发明实施例的试样基体200，适于与小体积的原位拉伸机100配合以完成对涂层材料的拉伸，从而可置于扫描电子显微镜内观测，进而利于分析涂层材料在拉伸过程中裂纹的萌生和扩展机制以及材料的损伤机理。
在本发明的一些具体示例中，为了与扫面电子显微镜匹配，本发明对试样基体200的尺寸作了进一步设计，具体地，试样基体200的抗拉强度为σb/MPa，拉伸载荷为F/N，试样基体200的最大厚度a/mm和宽度b/mm满足：σb*ab≤F。
进一步地，试样基体200的延伸率为δ，拉伸的最大量程为Lm/mm，试样基体200的长度L/mm满足：δ*L≤Lm-L。
可以理解地是，σb/MPa是指σb的单位为MPa，F/N是指F的单位为N，a/mm是指a的单位为mm，b/mm是指b的单位为mm，Lm/mm是指Lm的单位为mm，L/mm是指L的单位为mm。
例如，试样基体200的长度L≤30mm、宽度b≤14mm、厚度a≤3mm。
举例而言，试样基体200的材料为6061铝合金，试样基体200的材料力学性能参数如下所示：
其中，试样基体200的抗拉强度σb＝205MPa，所述拉伸载荷F＝1000N，试样基体200的最大厚度a＝3mm，试样基体200的宽度b≤1.63mm，例如b＝1.5mm。
试样基体200的延伸率δ＝6％，所述拉伸的最大量程Lm＝30mm，试样基体200的长度L≤28.3mm。
在本发明的一些具体示例中，为了便于将第一固定段210和第二固定段220固定于原位拉伸机100，第一固定段210设有第一定位孔211，第二固定段220设有第二定位孔221。
可选地，第一定位孔211和第二定位孔221均为圆形孔，两者的直径d可以根据第一定位销和第二定位销的直径而设置，例如d＝4mm。
在本发明的一些具体实施例中，如图2和图3所示，试样基体200分为两种。其中，一种试样基体200用于从涂层材料的正面进行观察(如图2所示)，另一种试样基体200用于从涂层的侧面进行观察(如图3所示)，由此能够更加详细地获取涂层开裂时裂纹的萌生和扩展以及表面应变的变化情况等相关信息。
具体而言，如图2所示，所述一种试样基体200包括第一固定段210、第二固定段220和连接段230。
第一固定段210和第二固定段220分别设有第一定位孔211和第二定位孔221，从而分别通过第一定位销和第二定位销固定于第一载物台120和第二载物台130。连接段230连接在第一固定段210和第二固定段220之间。
其中，第一固定段210的宽度与第二固定段220的宽度相等且大于连接段230的宽度，第一固定段210的厚度、第二固定段220的厚度与连接段230的厚度彼此相等，连接段230的上表面形成有喷涂面231，涂层喷涂在喷涂面231，便于扫描电子显微镜观察涂层的正面。
如图3所示，所述另一种试样基体200包括第一固定段210、第二固定段220和连接段230。
第一固定段210和第二固定段220分别设有第一定位孔211和第二定位孔221，从而分别通过第一定位销和第二定位销固定于第一载物台120和第二载物台130。连接段230连接在第一固定段210和第二固定段220之间。
其中，第一固定段210的宽度与第二固定段220的宽度相等且大于连接段230的宽度，第一固定段210的厚度与第二固定段220的厚度相等且小于连接段230的厚度，连接段230的侧表面形成有喷涂面231，涂层喷涂在喷涂面231，便于扫描电子显微镜观察涂层的侧面。
通过设计两种不同结构的试样基体200，经过喷涂之后可以有效地观测涂层材料在拉伸过程中正表面和侧面的变化情况，另外借助扫描电子显微镜的高放大倍数，可以在拉伸试验之前对涂层的正面及侧面利用纳米压印方法进行标记处理，然后利用数字图像相关法处理扫描电子显微镜拍摄得到的照片，便可同时获得涂层正面及侧面的应变情况。
下面举例描述根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1的工作过程。
对于待观测涂层材料，首先需要根据涂层材料属性选取试样基体，然后在试样基体上喷涂待观测涂层材料，之后利用纳米压印技术在涂层的待观测表面(正面或侧面)进行散斑的标记，将试样基体上的定位孔与第一载物台120和第二载物台130上的定位孔对准，盖上第一夹板121和第二夹板131，插入第一定位销和第二定位销，拧紧第一螺纹紧固件和第二螺纹紧固件，然后对原位拉伸机100进行除尘处理之后，送入扫描电子显微镜，样品仓400侧面有芯片与扫描电子显微镜接触连接，可实现计算机系统对原位拉伸机100的控制。在计算机系统上设定拉伸速率、拉伸载荷等参数，然后调整扫描电子显微镜至合适的放大倍数，对焦后寻找待观测区域。然后开启扫描电子显微镜屏幕录像功能，即可开始拉伸实验进行观测，在拉伸过程中可随时暂停原位拉伸机100，然后利用扫描电子显微镜进行高倍数拍照操作，可获得涂层萌生及扩展的相关过程图片。
根据本发明实施例的涂层材料原位拉伸观测系统1，利用扫描电子显微镜从微观尺度上观测薄涂层材料的拉伸开裂过程，能够完全展现材料在拉伸测试条件下的损伤及开裂过程。并且，可以通过调节原位拉伸机100的拉伸速率及载荷实现脆性涂层材料缓慢开裂过程。此外，可以同时测得涂层正表面和侧面的应变情况，利用扫描电子显微镜对拉伸测试过程进行随时记录或者全程记录。
在本说明书的描述中，参考术语“具体实施例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，包括：
第一固定段和第二固定段；
连接段，所述连接段连接在所述第一固定段和所述第二固定段之间，所述第一固定段的宽度与所述第二固定段的宽度相等且大于所述连接段的宽度，所述连接段设有喷涂面；
其中，所述第一固定段和所述第二固定段中的至少一个被施加拉伸载荷时，所述连接段及其喷涂面上的涂层材料被拉伸。
2.根据权利要求1所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述试样基体的抗拉强度为σb/MPa，拉伸载荷为F/N，所述试样基体的最大厚度a/mm和宽度b/mm满足：σb*ab≤F。
3.根据权利要求1所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述试样基体的延伸率为δ，拉伸的最大量程为Lm/mm，所述试样基体的长度L/mm满足：δ*L≤Lm-L。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述试样基体的长度L≤30mm、宽度b≤14mm、厚度a≤3mm。
5.根据权利要求4所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述试样基体的抗拉强度σb＝205MPa，所述拉伸载荷F＝1000N，所述试样基体的最大厚度a＝3mm，所述试样基体的宽度b≤1.63mm。
6.根据权利要求4所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述试样基体的延伸率δ＝6％，所述拉伸的最大量程Lm＝30mm，所述试样基体的长度L≤28.3mm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述第一固定段设有第一定位孔，所述第二固定段设有第二定位孔。
8.根据权利要求7所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述第一定位孔和所述第二定位孔均为圆形孔且直径d＝4mm。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述第一固定段的厚度、所述第二固定段的厚度与所述连接段的厚度彼此相等，所述喷涂面形成在所述连接段的上表面。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的用于涂层材料原位拉伸观测系统的试样基体，其特征在于，所述第一固定段的厚度与所述第二固定段的厚度相等且小于所述连接段的厚度，所述喷涂面形成在所述连接段的侧表面。
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