CN110823714A - 高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法 - Google Patents

高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，包括：在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；在所述热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，所述预设深度小于所述预设厚度；将所述模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；检测所述待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。实现了对热障涂层一次DIC观察，可以检测热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性两种性能，避免了现有热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久的问题。从而提高了热障涂层表面断裂韧性和界面断裂韧性的检测效率，也减少了材料的损耗，节约了成本。

Description

高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法
技术领域
本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60％以上。
目前，热障涂层在我国航空发动机涡轮叶片上的应用研究已经开始并得到重视，已在某些涡轮叶片上喷涂出热障涂层，取得了阶段性成果。热障涂层技术的应用可以大幅提升发动机和地面燃气轮机的综合性能，延长其使用寿命，是高性能发动机和燃气轮机研制的关键技术之一，随着我国大飞机、地面燃气轮机、固体燃料发动机技术的不断进步，对热障涂层的需求将会越来越巨大，热障涂层将在航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件上拥有广泛的应用前景。与此同时，热障涂层制造工艺及设备将得到不断改进，设计人员对带热障涂层的认识将更加全面，热障涂层工艺人员技术也将更加娴熟。
热障涂层制造工艺日渐完善，但是热障涂层的检测还是停留在非常落后的阶段，例如：热障涂层的高温表面断裂韧性和界面断裂韧性检测；
上述热障涂层的两种基本性能的检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法以解决现有热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，包括：在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；在所述热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，所述预设深度小于所述预设厚度；将所述模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；检测所述待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。
进一步地，在所述在基底层上喷涂预设厚度的热障涂层步骤之前还包括：在所述基底层上以第二预设参数喷涂粘结层。
进一步地，所述预设深度为所述预设厚度的25％-75％。
进一步地，所述预设厚度为1-1.5mm。
进一步地，所述预设深度为0.25-0.75mm。
进一步地，所述预设温度为室温-1200℃。
进一步地，所述预设时间为15-20min。
进一步地，所述第一预设参数：电压为78.9-79.1V，电流为538.9-539.1A，粉末粒度为30-70μm。
进一步地，所述第二预设参数：电压为66.9-67.1V，电流为497.9-498.1A，粉末粒度为15-45μm。
进一步地，所述粘结层的厚度为60-100μm。
本发明旨在提供高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，包括：在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；在热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，预设深度小于预设厚度；将模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；检测待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性，通过一次DIC观察待检样品可以直接得出该样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；在热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，预设深度小于预设厚度；将模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；检测待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。实现了对热障涂层一次DIC观察，可以检测热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性两种性能，避免了现有热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久的问题。从而提高了热障涂层表面断裂韧性和界面断裂韧性的检测效率，也减少了材料的损耗，节约了成本。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测方法流程图；
图2是根据本发明一可选实施方式的喷涂粘结层步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
DIC为Digital image correlation的缩写，含义为数字图像相关(技术)。
如图1所示，在本发明实施例的第一方面，提供了高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，包括：
S1：在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；
S2：在所述热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，所述预设深度小于所述预设厚度；
S3：将所述模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；
S4：检测所述待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。
上述实施例实现了对热障涂层一次DIC观察，可以检测热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性两种性能，避免了现有热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久的问题。从而提高了热障涂层表面断裂韧性和界面断裂韧性的检测效率，也减少了材料的损耗，节约了成本。
如图2所示，可选的，在所述在基底层上喷涂预设厚度的热障涂层步骤之前还包括：
S0：在所述基底层上以第二预设参数喷涂粘结层。
可选的，所述预设深度为所述预设厚度的25％-75％。在此厚度比范围可以同时比较准确的测出表面断裂韧性和界面断裂韧性的实验数据。
可选的，所述预设厚度为1-1.5mm。在此厚度范围，可以准确测出涂层的相关数据的同时还能节省原料。
可选的，所述预设温度为室温-1200℃。优选的，所述预设温度为650-1200℃；因为650℃时粘结层会脆韧转变，1200摄氏度时，陶瓷层受力会相变，所以介于这两温度之间的实验检测特别有意义。
可选的，所述预设加热时间为15-20min。在此时间范围即可准确测出实验结果，又节省时间成本。
可选的，所述第一预设参数：电压为78.9-79.1V，电流为538.9-539.1A，粉末粒度为30-70μm。
可选的，所述第二预设参数：电压为66.9-67.1V，电流为497.9-498.1A，粉末粒度为15-45μm。
可选的，所述粘结层的厚度为60-100μm。
可选的，所述热障层由所述基底层向上依次包括：过渡层、氧化层和陶瓷涂层；所述预设深度小于所述陶瓷涂层的厚度。
可选的，所述预设深度为所述陶瓷涂层厚度的25％-75％。
上述实施例中，表面断裂韧性和界面断裂韧性均是通过DIC和拉伸机读取相关检测数据，通过合理的公式计算求得，具体如下：
表面断裂韧性：通过DIC读取出样品的挠度-时间数据和样品预制裂纹尖端上方紧挨着裂纹尖端的陶瓷的应变-时间数据，将其应变-时间曲线斜率显然增大的点的时间作为表面预制裂纹扩展的时刻，对应扩展的时刻的挠度即为临界挠度，由临界挠度计算得到临界应力进而得到表面断裂韧性；
ρ＝[(L/2)2+u2]/2u
σ＝Ec(l+y)/ρ
ρ:样品的曲率半径；L：三点弯曲实验的跨距；u：样品挠度；
l：为陶瓷层/粘结层界面到中性轴的距离；
y：裂纹尖端到陶瓷层/粘结层界面的距离；
ls/lc：基底/陶瓷层厚度；Es/Ec：基底/陶瓷层弹性模量；
K1：应力强度因子；ρ：临界应力；a0：预制裂纹长度；Y1：修正系数。
界面断裂韧性：通过DIC测量样品界面处竖直方向上的应变-时间数据，将其应变-时间曲线斜率显然增大的点对应的时间作为此位置出现界面裂纹的时刻，从而得到各时刻界面裂纹的所在得位置，进而得到各时刻的界面裂纹的长度，由拉伸机得到载荷-时间数据，DIC得到挠度-时间数据，进而计算得到界面断裂韧性。
Figure BDA0002264875660000061
C＝u/p
Gc：能量释放率；p：载荷；W：样品宽度；C：柔度；l：裂纹长度；u：样品挠度；
Figure BDA0002264875660000064
求偏导的符号，具体计算的话是画图并求其拟合直线的斜率。
具体实施例1
室温测量表面断裂韧性和界面断裂韧性测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 裂纹槽深度
室温 0min 0.4mm/min 1mm 0.25mm
根据三点弯纯弯曲模型，可计算出裂纹尖端的应变，由应变与陶瓷层的弹性模量的乘积与其室温残余应力得到其临界断裂应力，从而算出表面断裂韧性，表面断裂韧性计算公式：
K1：应力强度因子；ρ：临界应力；a0：预制裂纹长度；Y1：修正系数。
由DIC观察到界面裂纹的出现，并随着样品挠度的增加，界面裂纹逐渐变长，根据DIC与万能试验机数据与界面断裂韧性计算公式，得到界面断裂韧性。
Figure BDA0002264875660000063
C＝u/p
Gc：能量释放率；p：载荷；W：样品宽度；C：柔度；l：裂纹长度；u：样品挠度；
Figure BDA0002264875660000065
求偏导的符号，具体计算的话是画图并求其拟合直线的斜率。
得出实验结果：
表面断裂韧性 界面断裂韧性
1.31MPa·m<sup>1/2</sup> 78.6875J/m<sup>2</sup>
具体实施例2
650℃测量表面断裂韧性和界面断裂韧性测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 裂纹槽深度
650℃ 17min 0.4mm/min 1.0mm 0.5mm
根据三点弯纯弯曲模型，可计算出裂纹尖端的应变，由应变与陶瓷层的弹性模量的乘积与其室温残余应力得到其临界断裂应力，从而算出表面断裂韧性，表面断裂韧性计算公式：
Figure BDA0002264875660000071
K1：应力强度因子；ρ：临界应力；a0：预制裂纹长度；Y1：修正系数。由DIC观察到界面裂纹的出现，并随着样品挠度的增加，界面裂纹逐渐变长，根据DIC与万能试验机数据与界面断裂韧性计算公式，得到界面断裂韧性。
Figure BDA0002264875660000072
C＝u/p
Gc：能量释放率；p：载荷；W：样品宽度；C：柔度；l：裂纹长度；u：样品挠度；
Figure BDA0002264875660000073
求偏导的符号，具体计算的话是画图并求其拟合直线的斜率。
得出实验结果：
表面断裂韧性 界面断裂韧性
1.21MPa·m<sup>1/2</sup> 117.06J/m<sup>2</sup>
具体实施例3
1200℃测量表面断裂韧性和界面断裂韧性测量结果：
实验温度 加热时间 试验机加载速率 陶瓷层厚度 裂纹槽深度
1200℃ 20min 0.4mm/min 1.0mm 0.5mm
根据三点弯纯弯曲模型，可计算出裂纹尖端的应变，由应变与陶瓷层的弹性模量的乘积与其室温残余应力得到其临界断裂应力，从而算出表面断裂韧性，表面断裂韧性计算公式：
Figure BDA0002264875660000081
K1：应力强度因子；ρ：临界应力；a0：预制裂纹长度；Y1：修正系数。
由DIC观察到界面裂纹的出现，并随着样品挠度的增加，界面裂纹逐渐变长，根据DIC与万能试验机数据与界面断裂韧性计算公式，得到界面断裂韧性。
Figure BDA0002264875660000082
C＝u/p
Gc：能量释放率；p：载荷；W：样品宽度；C：柔度；l：裂纹长度；u：样品挠度；
Figure BDA0002264875660000083
求偏导的符号，具体计算的话是画图并求其拟合直线的斜率。
得出实验结果：
表面断裂韧性 界面断裂韧性
0.98MPa·m<sup>1/2</sup> 164.30J/m<sup>2</sup>
对比实施例
室温界面断裂韧性75.2J/m2
参考文献：Qi Z,Wei H,Jianguo Z,et al.Surface and Coatings Technology,2018,353:75-83.
表面断裂韧性：1.3-0.9(室温-1000℃)
参考文献：Qu Z,Wei K,He Q,et al.Ceramics International,2018:S0272884218302578.
由上述具体实施例和对比实施例可以看出，通过本方法进行试验检测得出的表面断裂韧性和界面断裂韧性结果与目前传统方法分别得出的试验结果均在试验偏差允许范围内，用本方法一次试验即可得出现有检测方法两次的实验结果，大大节省了材料成本和时间成本。
本发明旨在保护高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，包括：在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；在所述热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，所述预设深度小于所述预设厚度；将所述模拟样品在预设温度下加热预设时间，得到待检样品；检测所述待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。实现了对热障涂层一次DIC观察，可以检测热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性两种性能，避免了现有热障涂层的表面断裂韧性和界面断裂韧性检测需要分别进行，通过DIC观察重复操作，复杂繁琐，耗时久的问题。从而提高了热障涂层表面断裂韧性和界面断裂韧性的检测效率，也减少了材料的损耗，节约了成本。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.高温环境热障涂层表面和界面断裂韧性三点弯曲检测方法，其特征在于，包括：
在基底层上以第一预设参数喷涂预设厚度的热障涂层；
在所述热障涂层表面切割出预设深度的凹槽，得到模拟样品，其中，所述预设深度小于所述预设厚度；
将所述模拟样品以预设升温速率加热到预设温度并保温预设时间，得到待检样品；
检测所述待检样品的表面断裂韧性和界面断裂韧性。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在所述在基底层上喷涂预设厚度的热障涂层步骤之前还包括：
在所述基底层上以第二预设参数喷涂粘结层。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设深度为所述预设厚度的25％-75％
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设厚度为1-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设深度为0.25-0.75mm。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设温度为室温-1200℃。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设时间为15-20min。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第一预设参数：电压为78.9-79.1V，电流为538.9-539.1A，粉末粒度为30-70μm；
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第二预设参数：电压为66.9-67.1V，电流为497.9-498.1A，粉末粒度为15-45μm。
10.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述粘结层的厚度为60-100μm。
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