太阳城集团

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基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法.pdf

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基于 应力 结合 强度 演变 机制 涂层 寿命 预测 方法
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摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201510657869.8

申请日:

2015.10.13

公开号:

CN105223125A

公开日:

2016.01.06

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 17/00申请日:20151013|||公开
IPC分类号: G01N17/00; G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G01N17/00
申请人: 哈尔滨工业大学
发明人: 朱嘉琦; 高鸽; 代兵; 王杨; 舒国阳; 陈亚楠; 刘康; 赵继文
地址: 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
优先权:
专利代理机构: 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人: 杨立超
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510657869.8

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.03.30|||2016.02.03|||2016.01.06

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,涉及一种涂层寿命的预测方法。本发明为了解决目前还没有一种全面客观的涂层寿命预测方法的问题。本发明首先建立残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系;并建立涂层应力演变物理模型;然后进行热循环加速试样老化实验,根据涂层应力演变物理模型与试样应力值—太阳城集团关系得到人工加速老化的试样的加速倍数;再采用划痕仪对人工加速老化的试样进行结合强度测试,拟合出结合强度—老化太阳城集团的关系并绘制成变化曲线将变化曲线与太阳城集团轴的交点所对应的太阳城集团作为人工加速老化的试样寿命l;以L=试样寿命l*最终加速倍数k作为的预测寿命。本发明适用于涂层寿命的预测领域。

权利要求书

权利要求书
1.  基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述方法包括以下步骤:
步骤一、建立残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系;根据太阳城集团变化关系,将残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系按照太阳城集团进行叠加,得到涂层内应力—太阳城集团变化关系,即涂层应力演变物理模型;
步骤二、热循环加速试样老化:
制备大量涂层试样,将涂层试样放入试样老化设备中进行太阳城集团长度不等的高低温循环热老化处理,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N);
步骤三、XRD衍射及数据处理:
采用X射线衍射仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)进行衍射测试,采用sin2ψ法分别对试样i=(1,2,3,…,N)进行试验,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)的应力值;
根据人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)的太阳城集团和应力值,建立试样应力值—太阳城集团关系;
将涂层应力演变物理模型与试样应力值—太阳城集团关系进行对比,针对人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N),找到试样应力值—太阳城集团关系对应应力下的涂层应力演变物理模型的太阳城集团,记为ti1,同时找到相同应力下的试样应力值—太阳城集团关系的太阳城集团,记为ti2,以作为人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)的加速倍数;然后取作为最终加速倍数;
步骤四、划痕实验建立结合强度演变过程:
采用划痕仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)进行结合强度测试,得到不同加速太阳城集团的结合强度,即人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)的结合强度,然后拟合出结合强度—老化太阳城集团的关系并绘制成变化曲线,然后将变化曲线与太阳城集团轴的交点所对应的太阳城集团作为人工加速老化的试样寿命l;
步骤五、预测涂层寿命:
以L=试样寿命l*最终加速倍数作为的预测寿命。

2.  根据权利要求1所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤一中获得涂层应力演变物理模型的具体操作步骤如下:
步骤1、采集涂层服役或者储存环境的温度—太阳城集团函数关系,以最低温度为参考温度,获得参考温度—太阳城集团函数关系;
步骤2、建立残余应力—太阳城集团变化关系:以24小时为一个温度变化周期,根据厚基底上弹性—理想塑性薄膜模型简化涂层系统,根据热应力计算公式建立残余应力—温度周期变化模型,并结合参考温度—太阳城集团函数关系,获得残余应力—太阳城集团变化关系;
步骤3、建立氧化层应力—太阳城集团变化关系:根据氧化层和过渡层的变形协调方程,获得氧化层应力—太阳城集团变化关系;
步骤4、建立涂层应力演变物理模型:根据太阳城集团变化关系,将残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系按照太阳城集团进行叠加,得到涂层内应力—太阳城集团变化关系,即涂层应力演变物理模型。

3.  根据权利要求2所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤1中获得参考温度—太阳城集团函数关系的具体操作步骤如下:
首先将涂层置于服役或者储存环境下,记录该环境下的最低温度Tmin,并采集涂层的温度—太阳城集团函数关系;以最低温度为参考基准将当前温度T表示成参考温度即参考温度记最高温度对应的参考温度为
对于一个温度变化周期,参考温度首先从0升到然后降为0,再升到将参考温度历程对太阳城集团作图,即可得到步骤一中所述的参考温度—太阳城集团函数关系。

4.  根据权利要求3所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤2中获得残余应力—太阳城集团变化关系的具体操作步骤如下:
设厚度为hf的涂层与厚度为hs的基底相连,没有厚度比限制;应力和变形场采用坐标系统平面中的极坐标,且z方向与界面垂直,坐标原点位于基底的中平面上;设膜和基底的双轴弹性模量分别是Mf和Ms,相应的线性热膨胀系数分别为αf和αs;指定将膜基体系的初始状态,初始状态下的温度为参考温度假设在初始状态下,所有应力和塑性应变分量均为零,在时参考基底曲率也为零;假设与基底相比,与其相连的涂层足够薄,对于较厚基底上弹性—理想塑性薄膜有

其中,是薄膜材料在等双轴应力条件下塑性屈服时的流变应力;
薄的弹性—理想塑性膜在较厚的弹性基底上的材料体系中等双轴应力条件下塑性屈服时的流变应力即为残余应力;得到残余应力—参考温度变化关系;
当材料体系受到参考温度—太阳城集团函数关系中温度历程的作用,再由残余应力—参考温度变化关系,获得残余应力—太阳城集团变化关系。

5.  根据权利要求4所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤3中获得氧化层应力—太阳城集团变化关系的具体操作步骤如下:
假设涂层中氧化层的生长是从过渡层的表面向其内部进行的;设氧化层的厚度h是贮存太阳城集团t的函数,表示为h(t);H为过渡层的初始厚度,发生氧化后过渡层的厚度变化为H-h(t);
氧化层中垂直于氧化生长方向存在应变,并且在过渡层的约束下产生弹性变形,同时过渡层也发生变形;假设涂层体系不受外界约束,则氧化层与过渡层的变形存在相互协调的关系,总应变与氧化太阳城集团存在如下的关系:

其中,εg为氧化生长应变,εe为弹性应变,下标TGO和BC分别表示氧化层和过渡层;t为太阳城集团;
可得:

其中,kp为氧化层厚度与氧化太阳城集团关系模型参数;EBC为过渡层材料的弹性模量;ETGO为氧化层材料的弹性模量;νBC为过渡层材料泊松比;νTGO为氧化层材料泊松比;σTGO为氧化层应力;
对于材料体系,当其受到参考温度—太阳城集团函数关系中的温度历程的作用,根据上述公式,在一个温度变化周期中,确定的时刻对应确定唯一的氧化层应力值;获得步骤一中氧化层应力—太阳城集团变化关系。

6.  根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤三中采用sin2ψ法分别对试样i=(1,2,3,…,N)进行试验的具体操作步骤如下:
用波长λ的X射线,先后数次以不同的入射角照射到老化的试样i=(1,2,3,…,N)上,得到多个图谱;并使用专业软件MRIJade对X射线衍射图谱进行后处理,利用专业软件中的应力计算功能,得到涂层内部应力的数值变化情况。

7.  根据权利要求6所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于所述步骤四中结合强度测试的具体步骤如下:
采用划痕仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,…,N)进行结合强度测试,以涂层从基体上剥落时的最小应力定义为结合强度的度量;得到试样的结合强度数据。

8.  根据权利要求7所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于步骤四中所述拟合出结合强度—老化太阳城集团关系并绘制成变化曲线的拟合过程采用Origin软件内置的线性拟合功能对测量数据进行拟合。

9.  根据权利要求8所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于步骤二中所述的将涂层试样放入试样老化设备中进行太阳城集团长度不等的高低温循环热老化处理的具体过程如下:
将涂层试样放入天津市中环实验电炉有限公司生产1200℃开启式真空/气氛管式电炉,型号为SK-G08123K,对涂层体系进行太阳城集团长度不等的高低温热循环处理。

10.  根据权利要求5所述的基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,其特征在于步骤3中所述的kp通过反演法推算得到。

说明书

说明书基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法
技术领域
本发明涉及一种涂层寿命的预测方法。
背景技术
热障涂层、吸波涂层等涂层在导弹和航天器中均有着广泛的应用。这些涂层在长期贮存的过程中会出现不同程度的功能退化、性能下降等失效或潜在失效问题,对导弹和航天器的结构与功能造成严重危害。所以,研究涂层的失效是十分重要的。
涂层中的应力是其生产、制备和服役过程中普遍存在的现象。涂层的应力有其自身的特点,涉及到制备时由于膜、基之间热膨胀系数不匹配产生的热残余应力,使用时由于高温氧化产生的氧化应力以及缺陷应力等等。
涂层在制备及服役过程中会经历高温、低温交替的过程,涂层材料和基体材料间的力学性能和热性能等存在差异,使涂层和基体中必然存在一定的残余应力。涂层中残余应力的存在有可能引起涂层的脱落,使构件失效。因此涂层中残余应力的研究是太阳城集团涂层系统制备和性能研究的重要内容。此外,涂层在贮存过程中由于孔结构的存在,使过渡层很容易接触氧原子,进而发生氧化。此时新生成的氧化物在结构、成分等方面都影响着过渡层的稳定,产生应力。又因为氧化层的产生使得涂层原有的晶格结构产生变化,生成大量缺陷,产生应力。从上述的涂层应力分析可以发现,在研究涂层长贮的过程中,对应力演变的研究是十分重要并且必要的。
但是目前的研究仅仅是研究力学性能,是比较片面的。目前还没有一种全面客观的涂层寿命预测方法。
发明内容
本发明为了解决目前还没有一种全面客观的涂层寿命预测方法的问题。
基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,包括以下步骤:
步骤一、建立残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系;根据太阳城集团变化关系,将残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系按照太阳城集团进行叠加,得到涂层内应力—太阳城集团变化关系,即涂层应力演变物理模型;
步骤二、热循环加速试样老化:
制备大量涂层试样,将涂层试样放入试样老化设备中进行太阳城集团长度不等的高低温循环热老化处理,使试样的老化速度加快,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N);
步骤三、XRD衍射及数据处理:
采用X射线衍射仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)进行衍射测试,采用sin2ψ法分别对试样i=(1,2,3,...,N)进行试验,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的应力值;
根据人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的太阳城集团和应力值,建立试样应力值—太阳城集团关系;
将涂层应力演变物理模型与试样应力值—太阳城集团关系进行对比,针对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N),找到试样应力值—太阳城集团关系对应应力下的涂层应力演变物理模型的太阳城集团,记为ti1,同时找到相同应力下的试样应力值—太阳城集团关系的太阳城集团,记为ti2,以作为人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的加速倍数;然后取作为最终加速倍数;
步骤四、划痕实验建立结合强度演变过程:
采用划痕仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)进行结合强度测试,得到不同加速太阳城集团的结合强度,即人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的结合强度,然后拟合出结合强度—老化太阳城集团的关系并绘制成变化曲线,然后将变化曲线与太阳城集团轴的交点所对应的太阳城集团作为人工加速老化的试样寿命l;
步骤五、预测涂层寿命:
以L=试样寿命l*最终加速倍数作为的预测寿命。
本发明具有以下有益效果:
本发明通过全面的考量了涂层的应力,并结合实际加速老化试样的应力判断,根据划痕实验得到的涂层结合强度预测涂层的寿命。不但考量的因素全面,而且有实际的老化模拟实验,可以全面客观的反应涂层的寿命。本发明预测涂层寿命的准确率可达95%以上。
附图说明
图1为YSZ热障涂层系统参考温度—太阳城集团函数关系图;
图2为YSZ热障涂层系统残余应力—太阳城集团变化关系图;
图3为氧化层与过渡层厚度关系示意图;
图4为YSZ热障涂层系统氧化层应力—太阳城集团变化关系图;
图5为YSZ热障涂层系统应力演变物理模型图;
图6为YSZ热障涂层系统人工加速老化试样的试样应力值—太阳城集团关系图;
图7为YSZ热障涂层系统人工加速老化试样在划痕仪检测中剥落的临界载荷图;
图8为根据YSZ热障涂层系统结合强度检测值进行线性拟合的拟合图,即结合强度—老化太阳城集团关系图。
具体实施方式
具体实施方式一:
基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法,包括以下步骤:
步骤一、建立残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系;根据太阳城集团变化关系,将残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系按照太阳城集团进行叠加,得到涂层内应力—太阳城集团变化关系,即涂层应力演变物理模型;
步骤二、热循环加速试样老化:
制备大量涂层试样,将涂层试样放入试样老化设备中进行太阳城集团长度不等的高低温循环热老化处理,使试样的老化速度加快,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N);
步骤三、XRD衍射及数据处理:
采用X射线衍射仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)进行衍射测试,采用sin2ψ法分别对试样i=(1,2,3,...,N)进行试验,得到人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的应力值;
根据人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的太阳城集团和应力值,建立试样应力值—太阳城集团关系;
将涂层应力演变物理模型与试样应力值—太阳城集团关系进行对比,针对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N),找到试样应力值—太阳城集团关系对应应力下的涂层应力演变物理模型的太阳城集团,记为ti1,同时找到相同应力下的试样应力值—太阳城集团关系的太阳城集团,记为ti2,以作为人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的加速倍数;然后取作为最终加速倍数;
步骤四、划痕实验建立结合强度演变过程:
采用划痕仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)进行结合强度测试,得到不同加速 太阳城集团的结合强度,即人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)的结合强度,然后拟合出结合强度—老化太阳城集团的关系并绘制成变化曲线,然后将变化曲线与太阳城集团轴的交点所对应的太阳城集团作为人工加速老化的试样寿命l;
步骤五、预测涂层寿命:
以L=试样寿命l*最终加速倍数作为的预测寿命。
具体实施方式二:
本实施方式步骤一中获得涂层应力演变物理模型的具体操作步骤如下:
步骤1、采集涂层服役或者储存环境的温度—太阳城集团函数关系,以最低温度为参考温度,获得参考温度—太阳城集团函数关系;
步骤2、建立残余应力—太阳城集团变化关系:以24小时为一个温度变化周期,根据厚基底上弹性—理想塑性薄膜模型简化涂层系统,根据热应力计算公式建立残余应力—温度周期变化模型,并结合参考温度—太阳城集团函数关系,获得残余应力—太阳城集团变化关系;
步骤3、建立氧化层应力—太阳城集团变化关系:根据氧化层和过渡层的变形协调方程(变形约束方程),获得氧化层应力—太阳城集团变化关系;
步骤4、建立涂层应力演变物理模型:根据太阳城集团变化关系,将残余应力—太阳城集团变化关系和氧化层应力—太阳城集团变化关系按照太阳城集团进行叠加,得到涂层内应力—太阳城集团变化关系,即涂层应力演变物理模型。
认为涂层中的应力由制备、贮存时由温度变化产生的残余应力,与贮存时过渡层氧化产生的氧化层应力组成;其中,残余应力为热残余应力,与材料系统的热膨胀系数、杨氏模量、泊松比等材料参数有关;由于考虑陶瓷涂层,构造塑性力学模型,对热残余应力建.立应力—温度历程,并考虑贮存中温度—太阳城集团为循环变化;对于氧化层应力,认为与氧化层厚度有关,而氧化层厚度随太阳城集团增长而加厚,从而建立氧化层应力—太阳城集团的物理模型;将二者叠加,得到图层中应力的演变机制,即涂层应力演变物理模型。
其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:
本实施方式步骤1中获得参考温度—太阳城集团函数关系的具体操作步骤如下:
首先将涂层置于服役或者储存环境下,记录该环境下的最低温度Tmin,并采集涂层的温度—太阳城集团函数关系;以最低温度为参考基准将当前温度T表示成参考温度,即参考温度记最高温度对应的参考温度为
对于一个温度变化周期,参考温度首先从0升到然后降为0,再升到将参考温度历程对太阳城集团作图,即可得到步骤一中所述的参考温度—太阳城集团函数关系。需要说明的是,由于变形速率对温度不敏感,则参考温度—太阳城集团曲线的具体“波形”对涂层一般的性质影响极小。
其它步骤和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四:
本实施方式步骤2中获得残余应力—太阳城集团变化关系的具体操作步骤如下:
设厚度为hf的涂层与厚度为hs的基底相连,没有厚度比限制;应力和变形场采用坐标系统平面中的极坐标,且z方向与界面垂直,坐标原点位于基底的中平面上;有塑性变形的双层材料受力情况为等双轴应力,即主应力只作用在两个正交方向上且大小相等,等双轴应力分量可用极坐标表示;
设膜和基底的双轴弹性模量分别是Mf和Ms,相应的线性热膨胀系数分别为αf和αs;指定将膜基体系的初始状态,初始状态下的温度为参考温度假设在初始状态下,所有应力和塑性应变分量均为零,在时参考基底曲率也为零;假设与基底相比,与其相连的涂层足够薄,比如η=hf/hs≤0.025,则膜材料内的应力状态在其厚度范围内基本是均匀的,而且变形响应不依赖于基底的变型;对于较厚基底上弹性—理想塑性薄膜有
σYf=T‾Mf(αs-αf)]]>
其中,是薄膜材料在等双轴应力条件下塑性屈服时的流变应力;
这种薄的弹性—理想塑性膜在较厚的弹性基底上的体系,其材料体系中等双轴应力条件下塑性屈服时的流变应力即为残余应力;由此得到残余应力—参考温度变化关系;
当一个具体的材料体系受到参考温度—太阳城集团函数关系中温度历程的作用,在一个温度变化周期中,由参考温度—太阳城集团函数关系可确定对应的参考温度,再由残余应力—参考温度变化关系,获得残余应力—太阳城集团变化关系。
其它步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:
本实施方式步骤3中获得氧化层应力—太阳城集团变化关系的具体操作步骤如下:
涂层并不是致密的,不同的涂层系统,其表面均存在大小不等的孔隙率;在制备过程中或者长期贮存的过程中,过渡层中的金属元素可以和从陶瓷层中扩散来的氧元素反应生成致密的金属氧化物膜,对涂层起到保护作用;在长太阳城集团的贮存过程中,随着太阳城集团增长,氧化层进一步增厚,同时系统内部产生内应力,即为氧化层应力;
氧化层的生长受到涂层体系结构的限制,所以假设涂层中氧化层的生长是从过渡层的表面向其内部进行的;设氧化层的厚度h是贮存太阳城集团t的函数,表示为h(t);H为过渡层的初始厚度,发生氧化后过渡层的厚度变化为H-h(t),如图3所示;
氧化层中垂直于氧化生长方向存在应变,并且在过渡层的约束下产生弹性变形,同时过渡层也发生变形;假设涂层体系不受外界约束,则氧化层与过渡层的变形存在相互协调的关系,总应变与氧化太阳城集团存在如下的关系:
d(ϵTGOe+ϵTGOg)dt=dϵBCedt]]>
其中,εg为氧化生长应变,εe为弹性应变,下标TGO和BC分别表示氧化层和过渡层;t为太阳城集团;
根据胡克定律,σ是应力,在塑性变形的双层材料受等双轴应力时,应力即为E是材料的弹性模量;在平面双轴应力下,等效弹性模量取ν是材料泊松比;整个涂层体系在长贮过程中不受外力作用,时刻满足静力平衡条件,则有
σTGOh(t)+σBC(H-h(t))=0
其中,σBC为过渡层应力,σTGO为氧化层应力;
根据Wagner氧化理论,氧化生长由被氧化材料中的离子扩散机制所控制,大部分金属和合金在氧化过程中热生长氧化层的厚度与氧化太阳城集团成抛物线关系为:
h(t)=kpt]]>
由于氧化层的厚度远远小于过渡层的厚度,即h<<H,上式可进一步简化为:
1-vTGOETGOTGOdt+1-vBC2HEBCkptσTGO+D2kpt=0]]>
最终求解此微分方程可得:
σTGO=HEBC(e-ETGO(1-vBC)kptEBC(1-vTGO)H-1)1-νBC]]>
其中,kp为氧化层厚度与氧化太阳城集团关系模型参数;EBC为过渡层材料的弹性模量;ETGO为氧化层材料的弹性模量;νBC为过渡层材料泊松比;νTGO为氧化层材料泊松比;σTGO为氧化层应力;
对于一个具体的材料体系,当其受到参考温度—太阳城集团函数关系中的温度历程的作用,根据上述公式,在一个温度变化周期中,确定的时刻对应确定唯一的氧化层应力值;获得步骤一中氧化层应力—太阳城集团变化关系。
其它步骤和参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六:
本实施方式步骤三中采用sin2ψ法分别对试样i=(1,2,3,...,N)进行试验的具体操作步骤如下:
用波长λ的X射线,先后数次以不同的入射角照射到老化的试样i=(1,2,3,...,N)上,得到多个图谱;并使用专业软件MRIJade对X射线衍射图谱进行后处理,利用专业软件中的应力计算功能,得到涂层内部应力的数值变化情况。
其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:
本实施方式步骤四中结合强度测试的具体步骤如下:
采用划痕仪对人工加速老化的试样i=(1,2,3,...,N)进行结合强度测试,以涂层从基体上剥落时的最小应力(即临界载荷Lc)定义为结合强度的度量;得到试样的结合强度数据。
其它步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:
本实施方式步骤四中所述拟合出结合强度—老化太阳城集团关系并绘制成变化曲线的拟合过程采用Origin软件内置的线性拟合功能对测量数据进行拟合。
其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:
本实施方式步骤二中所述的将涂层试样放入试样老化设备中进行太阳城集团长度不等的高低温循环热老化处理的具体过程如下:
将涂层试样放入天津市中环实验电炉有限公司生产1200℃开启式真空/气氛管式电炉(Furnace1200℃),型号为SK-G08123K,对涂层体系进行太阳城集团长度不等的高低温热循环处理。
对管式电炉进行编程,程序参数设置如表1,
表1管式炉程序参数
参数名称参数数值(℃或min)备注C-0T1℃温度,从室温加热T-1T2min升温太阳城集团C-2T3℃高温T-3T4min保温太阳城集团C-3T5℃高温T-4T6min降温(随炉冷却),程序结束标志
即所使用热循环参数为:
温度范围:室温(约27℃)~高温(1050℃)
保温太阳城集团:360mins、720mins、1080mins和1440mins
升温速率:5℃/min
降温速率:约1.67℃/min
其中各参数数值的确定与具体的材料体系有关,且最高温度T4需低于材料体系中熔点最低的组分的熔点。
其它步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:
本实施方式步骤3中所述的kp通过反演法推算得到。
其它步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例:
以YSZ热障涂层系统在室温下的贮存为例,按照具体实施方式九进行实验;YSZ热 障涂层表面的孔隙率在10-15%范围内,其涂层厚度与基底相比,满足η=hf/hs≤0.025,即适用于残余应力—太阳城集团变化关系对于热障涂层,其kp可由反演法推算出来,这里取kp=200cm-1;
步骤一、建立涂层应力演变物理模型:
以最低温度为参考温度,获得参考温度—太阳城集团函数关系,如图1所示;
分别建立残余应力—太阳城集团变化关系,如图2所示;氧化层应力—太阳城集团变化关系,如图4所示;叠加后获得涂层应力演变物理模型,如图5所示;
步骤二、热循环加速试样老化:
对试样进行高低温循环人工加速老化,具体程序参数设定见表2;
表2YSZ材料体系管式炉程序参数

步骤三、XRD衍射及数据处理:
计算加速老化后的试样应力,结果如图6所示;
将结果与应力演变的理论结论比较,发现进行了6小时加速氧化的试样中实际应力与理论值的长贮1989.82h值相近,同样的,12h、18h及24h加速氧化的试样中实际应力值与理论值的3770.18h、5236.36h和6178.91h较为接近;说明加速氧化的速率约为实际长贮时氧化速率的298倍,即最终加速倍数
步骤四、划痕实验建立结合强度演变过程:
利用划痕仪测量加速老化的试样的结合强度,得到结合强度—老化太阳城集团的关系并绘制成变化曲线,然后将变化曲线与太阳城集团轴的交点所对应的太阳城集团作为人工加速老化的YSZ试样寿命l,如图7和图8所示,由应力的拟合结果可以得知加速氧化29.5h时膜基结合强度降为0。
步骤五、预测涂层寿命:
太阳城集团加速氧化29.5h时乘以最终加速倍数即加速氧化的速率约为实际长贮时氧化速率的298倍;实际的贮存太阳城集团为8791h,约为367天时,涂层与基体间结合强度降低为零,此时发生涂层脱层失效。

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本文标题:基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法.pdf
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