CN110895225B - 一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，对上表面喷涂涂层基底进行切削，形成纵截面为凸字形结构，凸出部分上部为涂层，涂层下方切削有条形镂空，由此可将凸出部分中部构造为等效压杆，使得实验机在施加大载荷时，基底材料承受主要载荷，而凸出部分上部测试涂层仅分担较小载荷，从而使得脆弱的涂层结构也能在大型实验机下进行实验。在实验过程中需要试验机对试件进行轴向加压，并记录实验过程相关数据。同时可以利用加热装置对试件加热并在在实验过程中保持高温环境，从而实现高温环境下对实验件进行实验。

Description

一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法
技术领域
本发明涉及航空发动机热防护涂层力学性能参数测试领域，具体来说是一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法。
背景技术
目前，国外最先进战斗机发动机涡轮前燃气温度范围已达1811-2144K，如此高的温度已经超过了现有高温合金的熔点，必须采取相应的措施才能保证涡轮部件在上述高温条件下长时间可靠地工作。除了发展新型耐高温材料、改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面喷涂热障涂层也是一种有效的手段。特别是在传统冷却降温手段趋成熟的情况下，未来先进发动机的发展将会更加重视热障涂层技术的应用。
热障涂层应用的主要难点在于热障涂层材料多层多物理属性结构的高温力学行为和相关数据的缺乏，无法支撑先进航空发动机结构设计和技术储备。想要对热障涂层结构高温力学行为进行准确的描述，首要的问题是热障涂层各层的高温材料力学性能参数的获取，高温性能的测试既有高温(1100℃)的要求，又有80-150um量级的薄层在线测试的约束。目前工程上普遍采用机械或腐蚀手段获得单层涂层材料，而后通过压缩实验，结合理论模型反推获得涂层材料参数，且都回避了高温条件下的力学性能测试，仅有NASA对高温进行了测试与研究，然而仍然存在测试重复性差、数据点少等突出问题。
传统涂层杨氏模量的测量方法中，最大的困难便是如何在高温测量条件下对涂层的杨氏模量进行测量，现有的大部分微观力学测量手段(如划痕法、纳米压痕等)只能在常温下进行测试，难以实现高温环境下涂层杨氏模量的准确测量。同时大多数测量方法需要将涂层从薄膜从基底上剥离出来。这个过程难免对涂层造成损伤，从而影响测量结果。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，能够快速准确的测量高温环境下(800～1100℃)涂层的杨氏模量；不需要将涂层从基底上剥离，简化试件制备过程，缩短实验周期；且通过巧妙地实验件设计，解决常用大中型吨位实验设备难以测量涂层微小区域力学性能的问题。
本发明测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，具体步骤如下：
步骤1：在基底上表面喷涂涂层，形成初始试件。
步骤2：将初始试件上部左右两部分涂层连同部分基底进行切削，得到纵截面为凸字形结构的切削后试件；且切削后试件的凸出部分包括凸出部分下部基底与凸出部分上部测试涂层。
步骤3：在凸出部分下部基底上切削出沿前后方向的条形镂空部分，得到实验测试试件。
步骤4：对实验测试试件进行加载，记录轴向载荷的变化数据与凸出部分上部测试涂层中部的挠度变化数据以及基底的应变数据。
步骤5：计算凸出部分上部测试涂层受到轴向载荷。
步骤6：计算凸出部分上部测试涂层的杨氏模量。
本发明的优点在于：
1、本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法,为测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，可以解决热障涂层高温下的杨氏模量难以测量的困难。本发明在实验过程中需要试验机对试件进行轴向加压，并记录实验过程相关数据。同时可以利用加热装置对试件加热并在在实验过程中保持高温环境，从而实现高温环境下对实验件进行实验。
2、本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，所设计的实验件尺寸，无复杂的结构，无较高的尺寸精度要求。且制备工艺简单，便于批量加工。从而能大大缩短实验周期，在较短时间内得到实验结果，能及时对实验结果进行分析或对试件尺寸进行改进。
3、本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，凭借设计试件尺寸结构特点，在大吨位试验机施加较大载荷时，涂层仅仅分摊载载荷中的较小的部分，使得较为脆弱的涂层也能够在大吨位试验机下进行实验。因此本发明的适用范围广，且适用的过程中不需要专门的测试仪器。
附图说明
图1为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中初试试件结构示意图；
图2为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中切削后试件结构示意图；
图3为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中切削后试件前侧面示意图；
图4为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中最终实验测试试
件结构示意图；
图5为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中最终实验测试试
件结构侧视图；
图6为本发明一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法中测试涂层承载位置示意图。
图中：
1-基底 2-涂层 3-凸出部分下部基底
4-凸出部分上部测试涂层 5-条形镂空部分
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，具体步骤如下：
步骤1：制备初始试件。
初始试件包括基底1与涂层2；其中基底1采用立方体结构，如图1所示，本实施方式中，基底1为矩形横截面的块状结构，令其底面长边方向为空间x轴方向，短边方向为y轴，厚度方向为z轴。基底1的材料与所测试涂层所需附着机体材料一致。涂层2喷涂于基底1上表面，按照正常工艺喷涂涂层2。
步骤2：对初始试件进行加工，使其外形达到设计要求；
通过线切割机器对初始试件进行切削，沿x轴方向将初始试件上部左右对称的两部分涂层2连同部分基底1进行切削，切削部分均为横截面为矩形；由此得到纵截面为凸字形结构的切削后试件，如图2所示。切削后试件的凸出部分包括凸出部分下部基底3与凸出部分上部测试涂层4；且切削后试件凸出部分y轴方向宽度为1.5mm，如图3所示。
步骤3：对凸出部分下部基底3进行切削，形成最终实验测试试件。
由于步骤2中凸出部分上部测试涂层4需要利用压杆受压屈曲的力学性质，因此对凸出部分下部基底3进行切削，切削部分为沿前后方向的条形部分，横截面为矩形，使凸出部分上部测试涂层4下方沿x轴方向形成条形镂空部分5，如图4所示，进而将凸出部分中部构造为等效压杆，使得后续实验中，能够利用实验仪器观测到涂层2挠度剧增的现象。
上述条形镂空部分5中心位于基底1的竖直中轴线上，其与凸出部分顶面即为凸出部分上部测试涂层4底面，条形镂空部分5在x轴方向上的前后端端面距离基底1前后侧面距离相等，且条形镂空部分5的z轴方向厚度为0.5～0.8mm，本实施例中为0.5mm，底面距凸出部分下部基底3底面1mm，x轴方向长度设计为50mm，如图5所示。
由于涂层2本身较薄，结构机械性能较弱，难以承受大载荷，因此通过将试件设计成上述结构，使得实验机在施加大载荷时，基底材料承受主要载荷，而凸出部分上部测试涂层仅分担较小载荷，如图6所示，从而使得脆弱的涂层结构也能在大型实验机下进行实验。
步骤4：对实验测试试件施加载荷。
利用万能试验机对实验测试试件进行x轴方向上的加载，利用实验仪器记录下试验机施加的轴向载荷的变化过程。加载过程中利用DIC(Digital Image Correlation)设备，对凸出部分上部测试涂层结构中部的挠度变化进行记录，并对基底部分的应变进行记录。
步骤5：计算凸出部分上部测试涂层4受到轴向载荷。
根据步骤4中记录的试件受到轴向载荷的变化数据和DIC设备记录的实验数据，对应找到凸出部分上部测试涂层4挠度剧增时，实验测试试件受到的轴向载荷，并通过式(1)计算凸出部分上部测试涂层4受到轴向载荷F2
F2＝F1-E1ε1S1 (1)
式(1)中，E1为基底1材料的杨氏模量；F1为实验测试试件受到的轴向载荷；S1为切削后试件中基底1的凸字形纵截面面积；ε1为基底1材料的应变；
步骤6：计算凸出部分上部测试涂层4的杨氏模量。
借助压杆在受到的轴向载荷为临界载荷时会挠度剧增的特性，在步骤4得到的凸出部分上部测试涂层4轴向载荷即为凸出部分上部测试涂层4的临界载荷Fcr；则根据式(2)可反算出凸出部分上部测试涂层4的杨氏模量。
Figure GDA0002338312510000041
式(2)为临界载荷的计算公式；其中，l为凸出部分上部测试涂层4对应条形镂空部分5一段的长度，即等于条形镂空部分5的长度；I为凸出部分上部测试涂层对应条形镂空部分一段的抗弯截面模量；E为凸出部分上部测试涂层4的杨氏模量。
步骤7：以10mm递增逐次增加条形镂空部分5一段x轴方向的长度，每次增加长度后，返回进行4～6步；直至相邻两次增加长度后求得的凸出部分上部测试涂层4杨氏模量误差不超过8％，此时杨氏模量即为最终测试结果。

Claims (4)

1.一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：在基底上表面喷涂涂层，形成初始试件；初始试件包括基底与涂层，基底为矩形横截面的块状结构，基底底面长边方向为空间x轴方向，短边方向为y轴，厚度方向为z轴；
步骤2：将初始试件上部左右两部分涂层连同部分基底进行切削，得到纵截面为凸字形结构的切削后试件；且切削后试件的凸出部分包括凸出部分下部基底与凸出部分上部测试涂层；
步骤3：在凸出部分下部基底上切削出沿前后方向的条形镂空部分，得到实验测试试件；
步骤4：利用万能试验机对实验测试试件进行x轴方向上的加载，利用实验仪器记录下试验机施加的轴向载荷的变化过程；加载过程中利用DIC设备，对凸出部分上部测试涂层结构中部的挠度变化进行记录，并对基底部分的应变进行记录；
步骤5：计算凸出部分上部测试涂层受到轴向载荷；
根据步骤4中记录的试件受到轴向载荷的变化数据和DIC设备记录的实验数据，对应找到凸出部分上部测试涂层挠度剧增时，实验测试试件受到的轴向载荷F1，并通过式(1)计算凸出部分上部测试涂层受到的轴向载荷F2
F2＝F1-E1ε1S1 (1)
式(1)中，E1为基底材料的杨氏模量；S1为切削后试件中基底的凸字形纵截面面积；ε1为基底材料的应变；
步骤6：计算凸出部分上部测试涂层的杨氏模量；
借助压杆在受到的轴向载荷为临界载荷时会挠度剧增的特性，在步骤4得到的凸出部分上部测试涂层受到的轴向载荷F2即为凸出部分上部测试涂层的临界载荷Fcr；则根据式(2)可反算出凸出部分上部测试涂层的杨氏模量，
Figure FDA0002825860230000011
式(2)为临界载荷的计算公式；其中，l为凸出部分上部测试涂层对应条形镂空部分一段的长度，即等于条形镂空部分的长度；I为凸出部分上部测试涂层对应条形镂空部分一段的抗弯截面模量；E为凸出部分上部测试涂层的杨氏模量。
2.如权利要求1所述一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，其特征在于：步骤2中，切削后试件的凸出部分宽度为1.5mm。
3.如权利要求1所述一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，其特征在于：步骤3中，条形镂空部分顶面为凸出部分上部测试涂层底面。
4.如权利要求1所述一种测量不同温度下涂层杨氏模量的实验方法，其特征在于：以等长度递增逐次增加条形镂空部分的长度，每次增加长度后，进行步骤4～6；直至相邻两次增加长度后求得的凸出部分上部测试涂层杨氏模量误差不超过8％，此时杨氏模量为实验结果。
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