热障涂层体系断裂韧性与残余应力的压痕测试的分析.pdf

InvestigationsonFracture Toughness and Residual Stress of Thermal Barrier Coatings by Vickers Indentation Technique Candidate Jie Wan Supervisor Associate Professor Weiguo Mao College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics Program Thermal Barrier Coatings Materials Specialization Materials Scienceand Engineering Degree Engineering Master University Xiangtan University Date May, 2012 湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名: 日期: 年月日导师签名: 日期: 年月日 I 摘要热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)具有良好的隔热、耐磨、耐蚀性性能, 已被广泛应用在核技术或航空航天发动机内高温部件的热防护领域。然而,在实际服役环境中,许多因素会导致热障涂层系统在陶瓷层表面或陶瓷层界面处发生剥落。本文采用维氏压痕仪分析了热处理前后热障涂层体系断裂韧性和残余应力随热循环的变化规律,采用数字图像相关法、单边切口梁法和拉曼光谱法测试了热障涂层的断裂强度、断裂韧性和残余应力。主要研究内容如下: 第一,通过制备长方体块的8wt.%Y 2O 3部分稳定的ZrO 2(8YSZ)纯陶瓷样品,采用单边切口梁法得到了热循环条件下样品的断裂韧性。采用数字图像相关技术对缺口处进行实时监测,得到了测试试样的应变场、断裂应变、断裂时间以及裂纹的扩展路径等数据。由于陶瓷材料是一种各向异性和不均匀的材料,其测试的结果具有一定的分散性。本文采用韦伯模数统计的方法分析了基于压痕断裂测试的实验数据。结果表明:用数字图像相关法测试得到的断裂时间和载荷要小于拉伸机测试得到的断裂时间与载荷。随着热处理时间的增加,实验得到纯陶瓷的断裂强度从28 ±2 ± MPa; ±·m 1/ ±·m 1/2, ± MPa·m 1/ ± MPa·m 1/2。第二,应用拉曼光谱法,测试在热循环前后真空喷涂粘结层的热障涂层拉曼平移,并测试热障涂层的压电光谱系数。在考虑杨氏模量随热循环变化的基础上,应用拉曼光谱法测试热障涂层残余应力随杨氏模量变化的影响。通过扫描电镜观察,分析了热氧化层(TGO)的厚度和形貌对陶瓷涂层的影响,探讨了TBCs在热循环处理下的破坏特征。结果表明:用拉曼光谱得到热障涂层的残余应力从? ±5MPa变化到?±10MPa。此结果与XRD 测试得到的结果具有较好的一致性。第三,用改进的维氏压痕仪测试了热障涂层表面、界面以及横截面的断裂韧性和残余应力的演变规律。基于现有的表面压痕断裂力学理论模型,考虑了压痕最大深度和残余应力对断裂韧性的影响。首先得到了表面与截面处陶瓷层和粘结层的杨氏模量与硬度, ±·m 1/ ± MPa·m 1/2,表面残余应力的数值从? ±5MPa变化到?234 ±10MPa。真空喷涂粘结层的热障涂层的残余应力从?± 15MPa变化到?± 12MPa, ± MPa·m 1/± MPa·m 1/2。在考虑压痕轨迹和残余应力影响下,±·m 1/