CN114965553A - 一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数计算方法,属于表面涂层热物理参数测试领域。通过获取不同温度下涂层/基底平板试样的弯曲曲率,计算出涂层热应力,再根据热应力对温度的变化率计算出涂层的热膨胀系数。该技术将热膨胀系数这个微小量的测量,转变为涂层/基底试样的弯曲曲率测量。该方法克服了传统的基于带涂层圆棒试样顶杆法无法用于薄涂层的缺点。可以实现各种厚度高温涂层的在不同温度下的热膨胀系数测试。
Description
技术领域
本发明属于表面涂层热物理参数测试领域,特别涉及一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法。
背景技术
液氧煤油火箭发动机、航空发动机等高端动力装备的热端部件通常在极端高温、高压、氧化等恶劣环境下服役,现有结构材料(如高温合金)难以同时兼顾高温力学性能、抗氧化性能等,在热端部件表面涂覆高温涂层进行热防护,是提升热端部件使用寿命和服役耐久性的有效措施。
高温涂层是指能在高温环境下为基底材料提供有效的抗氧化、抗腐蚀、隔热等防护的涂层,已广泛应用于航空航天、能源、石油化工等领域。典型的高温涂层如航空发动机用热障涂层、环境障涂层,液氧煤油火箭发动机用搪瓷涂层等。高温涂层大多由陶瓷、搪瓷等耐高温材料构成,在高温下将不可避免地发生热膨胀。测定不同温度下高温涂层的热膨胀系数,是开展高温涂层热应力分析的前提,可为高温涂层强度评定提供支撑。
顶杆法是测定块体材料在不同温度下热膨胀系数的常用方法,可用于由单一材料构成、且尺寸固定的圆柱形试样。然而,高温涂层通常由热喷涂、物理气相沉积、浆料烧结等方法制备于基底材料表面,厚度很薄(通常不足300μm),无法得到单独的涂层块体,顶杆法不能直接应用于高温涂层的热膨胀系数测试。基于带涂层圆棒试样的顶杆法被用来间接测试涂层的热膨胀系数,该方法通过测试带涂层圆棒试样的平均热膨胀系数,再依据涂层与基底在受热膨胀过程中的力平衡关系,建立涂层热膨胀系数与平均热膨胀系数的关系,进而根据试验测试得到的平均热膨胀系数计算出涂层的热膨胀系数。由于圆棒试样直径一般为固定值(如φ6mm),该方法仅适用于涂层较厚的情况,且要求涂层的热膨胀系数必须小于基底的热膨胀系数,否则可能产生很大的计算误差。为了解决上述问题,需要一种新的手段测试获得高温涂层在不同温度下的热膨胀系数。
发明内容
本发明解决的技术问题是:本发明的目的在于提供一种高温涂层的热膨胀系数测试方法,该方法能够获取高温涂层在不同温度下的热膨胀系数,且对各种厚度的涂层均适用,可解决现有测试方法仅适用于厚涂层的局限。
本发明的技术方案是:一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法,包括以下步骤:
步骤1:制备涂层/基底试样;
步骤2:确定需要开展高温涂层热膨胀系数测试的n个温度点(n≥2),分别记为T1,T2,…,Tn;其中,T1<T2<…<Tn;温度点Ti应大于等于25℃,且不高于涂层和基底的熔点温度;
步骤3:涂层/基底试样依次置于温度为T1,T2,…,Tn的环境中,在试样旁放置长度为LB的标记物,测定温度为Ti(i=1,2,…,n)时涂层/基底试样的纵向跨度Li和中心高度Hi为:
本发明进一步的技术方案是:所述步骤1中,所述基底为平板型基底,且平板型基底的厚度依据涂层厚度确定,应是涂层厚度的2至10倍。
本发明进一步的技术方案是:所述步骤3中,所述纵向跨度是指将试样放置在水平面上时,试样长度方向的左端点至右端点的水平距离;所述中心高度是指试样长度方向的中心位置的拱起高度,即试样中心点到水平面的垂直距离。
本发明的技术效果在于:本发明公开的一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数测试方法,通过获取不同温度下涂层/基底平板试样的弯曲曲率,计算出涂层热应力,再根据热应力对温度的变化率计算出涂层的热膨胀系数。
该技术是一种间接测试热膨胀系数的方法,通过将热膨胀系数这个微小量的测量,转变为涂层/基底试样的弯曲曲率测量。
本发明不需要使用复杂的测试设备,采用常见的测量尺、相机等工具就能实现结果的测量。该方法克服了传统的基于带涂层圆棒试样顶杆法无法用于薄涂层的局限,可以有效获取高温涂层在不同温度下的热膨胀系数,且对不同厚度的涂层均适用。
附图说明
图1为本发明专利的技术流程图;
图2为本发明专利的技术原理图;
图3为采用本发明技术得到的搪瓷涂层热膨胀系数随温度的变化;
图4为采用本发明技术得到的陶瓷涂层热膨胀系数随温度的变化。
图中,1-高温涂层,2-基底。
具体实施方式
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”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。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。本发明的技术流程如图1所示,技术原理如图2所示。
参见图1-图4,一种高温涂层的热膨胀系数测试方法,包括以下步骤:
步骤1:
将高温涂层均匀涂覆至平板型基底的其中一个表面上,得到涂层/基底试样。所述平板基底为长方形,其长度应不低于其厚度的200倍,宽度应是长度的0.1~0.4倍;平板型基底的厚度依据涂层厚度确定,应是涂层厚度的2至10倍。
步骤2:
确定需要开展高温涂层热膨胀系数测试的n个温度点(n≥2),分别记为T1,T2,…,Tn;其中,T1<T2<…<Tn。所述温度点Ti应大于等于25℃,且不高于涂层和基底的熔点温度。
步骤3:
将试样依次置于温度为T1,T2,…,Tn的环境中,涂层与基底由于热膨胀不匹配作用将使得试样整体发生弧形弯曲,测定温度为Ti(i=1,2,…,n)时试样的纵向跨度Li和中心高度Hi。所述纵向跨度是指将试样放置在水平面上时,试样长度方向的左端点至右端点的水平距离;所述中心高度是指试样长度方向的中心位置的拱起高度,即试样中心点到水平面的垂直距离;所述高温下测定试样的纵向跨度Li和中心高度Hi,可通过在试样旁放置长度为LB的标记物,采用无畸变的工业相机对试样侧面和标记物同时进行拍照,得到图像中标记物的像素数nB、试样纵向跨度的像素数以及中心高度的像素数分别采用式(1)和(2)计算得到试样的纵向跨度Li和中心高度Hi。
步骤4:
式中,是高温涂层在Ti温度下的热应力;tf和ts分别是高温涂层和基底的厚度;和分别是基底在Ti温度下的杨氏模量和泊松比;Ri是试样在Ti温度下的弯曲曲率半径,根据测得的纵向跨度Li和中心高度Hi通过式(4)计算得到。
步骤5:
步骤6:
步骤7:
实施方案一
为了更好的理解本发明的技术方案,将以上方法应用于涂覆了搪瓷涂层的高温合金平板试样。本实施例的具体过程包括以下步骤:
步骤1:试样准备。
将搪瓷涂层采用浆料烧结方法涂覆于平板基底的一个表面上,其中搪瓷涂层厚度为tf=66μm;平板基底的材料为高温合金,长度80mm,宽度20mm,厚度ts=340μm。
步骤2:确定待测温度范围。
选取待测温度区间为100~550℃,共10个待测温度,T1~T10分别为:100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃。
步骤3:将试样置于Ti(i=1,2,…,10)的温度环境中,测量试样的纵向跨度Li和中心高度Hi;
a.将试样放置于带观测窗的温度环境箱内,需保证通过观测窗能够直视试样侧面;
b.设定温度环境箱的温度为Ti,待环境箱温度达到预定温度后,在预定温度下对试件保温5~30min,本实施例选取10min;
c.在试样旁放置长度为LB的标记物,LB应是试件长度的0.1~1倍。本实施例选取0.25倍,即LB=20mm;
d.用无畸变的工业相机(MER2-2000-19U3M-L,配备镜头HN-2520-20M-C1/1X)对试件侧面和标记物进行拍照;
e.将采集得到的试件侧面和标记物的照片,利用图像处理软件(如GetData)进行尺寸像素数的测量,按照式(1)和(2)计算尺寸,测得试件的纵向跨度Li和中心高度Hi。
步骤4:不同温度下的搪瓷涂层的热应力计算。
根据公式(4),计算得到不同温度Ti下试件的弯曲曲率半径Ri;根据公式(3),计算搪瓷涂层在不同温度Ti下的热应力其中,认为基底的材料参数不随温度变化,基底的杨氏模量为基底的泊松比i=1,2,…,10。测试结果和计算结果如表1所示。
采用的拟合公式为σf=a-bln(T+c),其中a=2797.15,b=290.14,c=120.17。
步骤6:不同温度下搪瓷涂层热应力的温度梯度计算。
步骤7:搪瓷涂层热膨胀系数计算。
采用公式(5)计算搪瓷涂层在不同温度Ti下的热膨胀系数其中,认为搪瓷涂层的弹性模量和泊松比不随温度变化,基底的热膨胀系数不随温度变化; αs=14.96×10-6℃-1。根据上述步骤,计算得到的结果如表1和图3所示。
从图3结果可知,通过本发明测得的搪瓷涂层热膨胀系数随温度的增加而增加,该结果与采用传统顶杆法测得的其他高温涂层的测试结果趋势一致。
实施方案二
为了进一步理解本发明,将以上方法应用于带陶瓷涂层高温合金平板试样。本实施例的具体过程包括以下步骤:
步骤1:试样准备。
将陶瓷涂层采用热喷涂方法制备于平板基底的一个表面上,其中陶瓷涂层厚度为tf=250μm;平板基底的材料为高温合金,长度200mm,宽度30mm,厚度ts=1mm。
步骤2:确定待测温度范围。
选取待测温度区间为25~1100℃,共12个待测温度,T1~T12分别为:25℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃。
步骤3:将试样置于Ti(i=1,2,…,12)的温度环境中,测量试样的纵向跨度Li和中心高度Hi;
a.将试样放置于带观测窗的温度环境箱内,需保证通过观测窗能够直视试样侧面;
b.设定温度环境箱的温度为Ti,待环境箱温度达到预定温度后,在预定温度下对试件保温5~30min,本实施例选取10min;
c.在试样旁放置长度为LB的标记物,LB应是试件长度的0.1~1倍。本实施例选取0.15倍,即LB=30mm;
d.用无畸变的工业相机(MER2-2000-19U3M-L,配备镜头HN-2520-20M-C1/1X)对试件侧面和标记物进行拍照;
e.将采集得到的试件侧面和标记物的照片,利用图像处理软件(如GetData)进行尺寸像素数的测量,按照式(1)和(2)计算尺寸,测得试件的纵向跨度Li和中心高度Hi。
步骤4:不同温度下的陶瓷涂层的热应力计算。
根据公式(4),计算得到不同温度Ti下试件的弯曲曲率半径Ri;根据公式(3),计算陶瓷涂层在不同温度Ti下的热应力其中,基底的杨氏模量随温度变化,表示为基底的泊松比不随温度变化i=1,2,…,12。测试结果和计算结果如表2所示。
采用的拟合公式为σf=a+bT+cT2+dT3,其中a=460.70,b=-0.72,c=2.85×10-4,d=3.50×10-8。
步骤6:不同温度下陶瓷涂层热应力的温度梯度计算。
步骤7:陶瓷涂层热膨胀系数计算。
采用公式(5)计算陶瓷涂层在不同温度Ti下的热膨胀系数其中,认为陶瓷涂层的弹性模量随温度变化,泊松比不随温度变化基底的热膨胀系数随温度变化,αs=(24-0.006T)×10-6℃-1。根据上述步骤,计算得到的结果如表2和图4所示。
从图4结果可知,通过本发明测得的陶瓷涂层热膨胀系数随温度的增加而增加,该结果与采用传统顶杆法测得的其他陶瓷涂层的测试结果趋势一致。
表1
表2
Claims (4)
1.一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:制备涂层/基底试样;
步骤2:确定需要开展高温涂层热膨胀系数测试的n个温度点(n≥2),分别记为T1,T2,…,Tn;其中,T1<T2<…<Tn;温度点Ti应大于等于25℃,且不高于涂层和基底的熔点温度;
步骤3:涂层/基底试样依次置于温度为T1,T2,…,Tn的环境中,在试样旁放置长度为LB的标记物,测定温度为Ti(i=1,2,…,n)时涂层/基底试样的纵向跨度Li和中心高度Hi为:
2.如权利要求1所述的一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法,其特征在于,所述步骤1中,所述基底为平板型基底,且平板型基底的厚度依据涂层厚度确定,应是涂层厚度的2至10倍。
3.如权利要求1所述的一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法,其特征在于,所述步骤3中,所述纵向跨度是指将试样放置在水平面上时,试样长度方向的左端点至右端点的水平距离;所述中心高度是指试样长度方向的中心位置的拱起高度,即试样中心点到水平面的垂直距离。
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CN202210645414.4A CN114965553A (zh) | 2022-06-08 | 2022-06-08 | 一种基于平板弯曲曲率的高温涂层热膨胀系数的计算方法 |
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2022
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