基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法技术

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。本发明专利技术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。本发明专利技术首先建立残余应力—时间变化关系和氧化层应力—时间变化关系；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—时间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—老化时间的关系并绘制成变化曲线将变化曲线与时间轴的交点所对应的时间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。本发明专利技术适用于涂层寿命的预测领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种涂层寿命的预测方法。
技术介绍
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关于涂层 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。
技术实现思路
本专利技术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。 ，包括以下步骤： 步骤一、建立残余应力一时间变化关系和氧化层应力一时间变化关系；根据时间 变化关系，将残余应力一时间变化关系和氧化层应力一时间变化关系按照时间进行叠加， 得到涂层内应力一时间变化关系，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时间长度不等的高低温 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sin2也法分别对试样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)的时间和应力值，建立试样应力 值一时间关系； 将涂层应力演变物理模型与试样应力值一时间关系进行对比，针对人工加速老化 的试样i= (1，2, 3,???，N)，找到试样应力值一时间关系对应应力下的涂层应力演变物理 模型的时间，记为tu，同时找到相同应力下的试样应力值一时间关系的时间，记为tl2，以 作为人工加速老化的试样i= (1，2, 3,. ..，N)的加速倍数： 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 不同加速时间的结合强度，即人工加速老化的试样i= (1，2, 3,...，N)的结合强度，然后拟 合出结合强度一老化时间的关系并绘制成变化曲线，然后将变化曲线与时间轴的交点所对 应的时间作为人工加速老化的试样寿命1 ; 步骤五、预测涂层寿命： 以L=试样寿命1*最终加速倍数左作为的预测寿命。 本专利技术具有以下有益效果： 本专利技术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。本专利技术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一时间函数关系图； 图2为YSZ热障涂层系统残余应力一时间变化关系图； 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一时间变化关系图； 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一时间关系图； 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 度一老化时间关系图。【具体实施方式】【具体实施方式】 一： ，包括以下步骤： 步骤一、建立残余应力一时间变化关系和氧化层应力一时间变化关系；根据时间 变化关系，将残余应力一时间变化关系和氧化层应力一时间变化关系按照时间进行叠加， 得到涂层内应力一时间变化关系，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时间长度不等的高低温 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sin2也法分别对试样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)的时间和应力值，建立试样应力 值一时间关系； 将涂层应力演变物理模型与试样应力值一时间关系进行对比，针对人工加速老化 的试样i= (1，2, 3, ???，N)，找到试样应力值一时间关系对应应力下的涂层应力演变物理 模型的时间，记为tu，同时找到相同应力下的试样应力值一时间关系的时间，记为tl2，以 f乍为人工加速老化的试样i= (1，2, 3,. . .，N)的加速倍数 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 不同加速时间的结合强度，即人工加速老化的试样i= (1，2, 3,...，N)的结合强度，然后拟 合出结合强度一老化时间的关系并绘制成变化曲线，然后将变化曲线与时间轴的交点所对 应的时间作为人工加速老化的试样寿命1 ; 步骤五、预测涂层寿命： 以L=试样寿命1*最终加速倍数I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一时间函数关系，以最低温度为参考温 度，获得参考温度一时间函数关系； 步骤2、建立残余应力一时间变化关系：以24小时为一个温度变化周期，根据厚基 底上弹性一理想塑性薄膜模型简化涂层系统，根据热应力计算公式巧=771/, 建立 残余应力一温度周期变化模型，并结合参考温度一时间函数关系，获得残余应力一时间变 化关系； 步骤3、建立氧化层应力一时间变化关系：根据氧化层和过渡层的变形协调方程 (变形约束方程），获得氧化层应力一时间变化关系； 步骤4、建立涂层应力演变物理模型：根据时间变化关系，将残余应力一时间变化 关系和氧化层应力一时间变化关系按照时间进行叠加，得到涂层内应力一时间变化关系， 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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—时间变化关系和氧化层应力—时间变化关系；根据时间变化关系，将残余应力—时间变化关系和氧化层应力—时间变化关系按照时间进行叠加，得到涂层内应力—时间变化关系，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时间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)的时间和应力值，建立试样应力值—时间关系；将涂层应力演变物理模型与试样应力值—时间关系进行对比，针对人工加速老化的试样i＝(1,2,3,…,N)，找到试样应力值—时间关系对应应力下的涂层应力演变物理模型的时间，记为ti1，同时找到相同应力下的试样应力值—时间关系的时间，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，得到不同加速时间的结合强度，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—老化时间的关系并绘制成变化曲线，然后将变化曲线与时间轴的交点所对应的时间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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱嘉琦，高鸽，代兵，王杨，舒国阳，陈亚楠，刘康，赵继文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23