一种热障涂层界面结合强度的测量方法技术

本发明专利技术涉及材料力学性能测量领域，特别是涉及一种热障涂层界面结合强度的测量方法，包括如下步骤：步骤1、应力‑应变数据的获取：首先制备测量试件，然后利用三点弯曲法，获取并记录载荷‑位移曲线，获得应力‑应变数据；步骤2、裂纹长度的计算：利用数字图像相关法表征测量试件变形，结合张开角位移来确定裂尖位置，从而计算出裂纹长度；步骤3、能量释放率的计算：取得应力‑应变数据、裂纹长度后，采用柔度的方法计算能量释放率。本发明专利技术提供了一种利用脆性热障涂层和硬质合金基体之间在受到外力作用变形时不一致的特点，改进的三点弯曲方法在合金基底上施加外力，并通过数字图像相关方法表征界面变形的热障涂层界面结合强度的测量方法。

A method for measuring interfacial bonding strength of thermal barrier coatings

The present invention relates to the field of measuring the mechanical properties of materials, and particularly relates to a thermal barrier coating bonding strength measurement method, which comprises the following steps: Step 1, should obtain stress strain data: firstly, preparation of test piece, and then use the three point bending method, obtain and record the load displacement curve, the stress strain data; 2, the crack length calculation steps: deformation of the specimen by means of digital image correlation measurement method, combined with the opening angle displacement to determine the crack tip position, so as to calculate the crack length calculation; step 3, the energy release rate: stress strain data, crack length, the flexibility of the method to calculate the energy release rate. The invention provides a thermal barrier coating using brittle and carbide under external force deformation characteristics are not the same, the three point bending method improved the applied force in the alloy substrate, method for measuring bonding strength of thermal barrier coating interface and through the digital image correlation method to characterize the interfacial deformation.

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层界面结合强度的测量方法
本专利技术涉及材料力学性能测量
，特别是涉及一种热障涂层界面结合强度的测量方法。
技术介绍
热障涂层是指金属缓冲层或称金属粘结层和耐热性、隔热性好的陶瓷层与金属表面结合在一起，起到隔热保护功能的一种“层合型”系统，即金属陶瓷复合涂层系统。热障涂层主要是利用了陶瓷材料热传导率低、高熔点、抗腐蚀以及耐磨等特点来降低叶片表面温度、保护叶片，从而提高燃气轮机效率。目前的研究表明，陶瓷层能产生高达300℃的温降。经典的热障涂层结构包括超高温基合金基底、氧化层(thermallygrownoxide，简称TGO)、粘结层(bondcoat，简称BC)、陶瓷层(topceramiccoat，简称TC)。人们一般将涂层与超高温基合金基底构成体系称为热障涂层体系，在这一体系中，高温基底合金基底主要承受机械载荷作用；粘结层主要是减缓陶瓷与金属基底之间的热失配,能够有效的避免陶瓷层在服役过程中过早剥落，其厚度一般在100um左右；陶瓷层起到降低基底温度和隔绝高温燃气保护金属基底的作用，该层的厚度在100～400um；TGO是由于粘结层材料氧化所致，能够阻止高温环境下燃气进一步向粘结层内部和基底扩散，同样起保护高温基底材料的作用，其厚度在10～100um范围内。由此我们可以看出热障涂层体系是一种多层结构，且在陶瓷层与基底金属之间存在热失配应力，所以有效的提高涂层的结合力以及抗热震性是非常重要的，这将关系到热障涂层可靠性及使用寿命。由于热障涂层是一种极具优势的涂层防护结构，其有着非常广阔的应用前景，但是热障涂层体系在使用的过程中容易发生失效。热障涂层的失效是由一系列的裂纹成核、扩展和连结事件累积所造成。热障涂层失效形式主要有：陶瓷层表面垂直裂纹引起的涂层断裂、各层之间的界面裂纹导致的剥落。造成热障涂层的失效的因素有很多种，主要失效原因为：机械载荷、材料自身的物理性质和化学性质、苛刻的服役环境、氧化腐蚀、制备工艺以及部件本身复杂的几何结构等。弯曲法也是一种常用的测量涂层/基体界面结合性能的专利技术测试方法，弯曲法分为四点弯曲法和三点弯曲法。四点弯曲试验在对多层材料界面结合性能测定中得到了广泛的应用，但是该方法存在自身不足，特别是试样预制裂纹制作准备较为复杂，在疲劳法预制裂纹时很难保证载荷的对称性，在非对称的载荷条件下缺口两端的预制裂纹长度不同。三点弯曲法采用三点弯专利技术方法测得TBCs的临界能量释放率，在基体的一个断面上制备上热障涂层，并通过环氧胶在涂层表面粘接上金属，将去掉的一部分涂层当作预制裂纹；但是传统的三点弯曲法存在的局限性：首先是三点弯试样的预制裂纹并不是沿着界面方向，而是将去掉一半涂层的长度当作界面预制裂纹，再者，裂纹往往在涂层内产生，而不会出现界面裂纹，这样得到的界面结合性能不是很准确。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用脆性热障涂层和硬质合金基体之间在受到外力作用变形时不一致的特点，通过改进的三点弯曲方法在合金基底上施加外力，直到层状结构界面发生破坏，并通过数字图像相关方法表征界面变形的热障涂层界面结合强度的测量方法，可以解决现有技术中单一的界面结合强度测量方法中的缺点。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、应力-应变数据的获取：首先制备测量试件，然后利用三点弯曲法，获取并记录载荷-位移曲线，获得应力-应变数据；(1)测量试件的制备；(2)三点弯曲法断裂；步骤2、裂纹长度的计算：利用数字图像相关法表征测量试件变形，结合张开角位移来确定裂尖位置，从而计算出裂纹长度；(1)利用数字图像相关法对变形图片进行计算，得到变形图；(2)通过变形图得到张开角位移，通过张开角位移得到裂纹长度；(3)换算得到裂纹长度与载荷的关系曲线；步骤3、能量释放率的计算：取得应力-应变数据、裂纹长度后，采用柔度的方法计算能量释放率。作为优选的，所述测量试件的制备的步骤包括：(1)选用SUS304不锈钢作为热障涂层的基体材料，使用电火花线切割机将基体材料切割成尺寸为50mm×5mm×2mm的长方体；(2)取基体材料，通过去油、热处理、喷丸处理、超声波清洗的方式将基体材料待喷涂的表面清洗干净；(3)取基体材料，对基体材料喷涂面进行喷砂，然后在基体材料喷涂面上覆盖住两块钢片，两块钢片之间距离为15mm；(4)取基体材料，采用大气等离子喷涂工艺将NiCoCrAl粉末喷涂于基体材料上形成粘接层，将含8wt％Y2O3-ZrO2粉末喷涂于在粘接层上形成陶瓷层；(5)取基体材料，将制作好的含有界面自由边界热障涂层试样的涂层表面用尺寸为15mm×5mm×3mm的硬质钢片粘接上，硬质钢片的粘接面为喷砂处理的粘接面。作为优选的，所述硬质钢片粘接时采用的胶水为环氧树脂胶E-7胶，其粘接强度为60-70MPa，大于热障涂层界面结合强度。作为优选的，所述基体材料、粘接层和陶瓷层的厚度分别为2mm、100um和200um，所述环氧树脂胶和硬质钢片的厚度分别为50um和3mm。作为优选的，所述三点弯曲法断裂的步骤为：(1)取制备好的测量试件，置于三点弯支座上，采用微型加载试验机进行加载，用圆型的压头从测量试件的中间位置向下压，压缩的方向垂直于测量试件的界面方向，加载的速率为0.05mm/min；(2)利用CCD相机对热障涂层试样的断裂过程进行实时同步观察，通过力传感器和引伸计记录加载过程中的力和位移的大小；(3)获取并记录载荷-位移曲线，获得应力-应变数据。作为优选的，所述力传感器和引伸计的分辨率分别为1N和1um。作为优选的，所述CCD相机的分辨率为1600×1200pixels。作为优选的，所述步骤2中，(1)的具体步骤为：第一步，从放大倍数较小的图片得到界面自由边界处距离矩形区域左边的距离，并在矩形左边做上标记点以便于在将矩形区域放大时和数字图像相关法计算选择计算区域时有一个参考点；第二步，通过数字图像相关计算得到ROI内的裂纹长度；将第一步的测量数字与第二步的计算数字加起来即为实际裂纹长度；使用数字图像软件Vic-2D计算界面处的位移和应变；定义ROI区域的大小为2×2.8mm2，在数字图像相关计算是选取的子区和步长的大小分别为37pixels和13pixels,计算应变时选取的窗口大小为7pixel，一个像素代表的大小为2.70um。作为优选的，所述步骤2中，(2)的具体步骤为：通过对陶瓷层与粘接层界面处上下各取两条100um的平行线上的数据做差值得到δy；通过位移场来得到裂纹尖端附近的沿着y方向张开角位移δy；沿y方向张开角位移δy从最大值71um减小到0；当δy为0是为裂纹尖端。作为优选的，所述步骤3中的采用柔度的方法计算能量释放率；其能量释放率柔度法公式为：C＝u/P式中C为试样的柔度，通过C＝u/P来表示；p：载荷；b：试件宽度；c：柔度；l：裂纹长度；u：加载位移。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种利用脆性热障涂层和硬质合金基体之间在受到外力作用变形时不一致的特点，通过改进的三点弯曲方法在合金基底上施加外力，直到层状结构界面发生破坏，并通过数字图像相关方法表征界面变形的热障涂层界面结合强度的测量方法，可以解决现有技术中单一的界面结合强度测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、应力‑应变数据的获取：首先制备测量试件，然后利用三点弯曲法，获取并记录载荷‑位移曲线，获得应力‑应变数据；(1)测量试件的制备；(2)三点弯曲法断裂；步骤2、裂纹长度的计算：利用数字图像相关法表征测量试件变形，结合张开角位移来确定裂尖位置，从而计算出裂纹长度；(1)利用数字图像相关法对变形图片进行计算，得到变形图；(2)通过变形图得到张开角位移，通过张开角位移得到裂纹长度；(3)换算得到裂纹长度与载荷的关系曲线；步骤3、能量释放率的计算：取得应力‑应变数据、裂纹长度后，采用柔度的方法计算能量释放率。

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、应力-应变数据的获取：首先制备测量试件，然后利用三点弯曲法，获取并记录载荷-位移曲线，获得应力-应变数据；(1)测量试件的制备；(2)三点弯曲法断裂；步骤2、裂纹长度的计算：利用数字图像相关法表征测量试件变形，结合张开角位移来确定裂尖位置，从而计算出裂纹长度；(1)利用数字图像相关法对变形图片进行计算，得到变形图；(2)通过变形图得到张开角位移，通过张开角位移得到裂纹长度；(3)换算得到裂纹长度与载荷的关系曲线；步骤3、能量释放率的计算：取得应力-应变数据、裂纹长度后，采用柔度的方法计算能量释放率。2.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：所述测量试件的制备的步骤包括：(1)选用SUS304不锈钢作为热障涂层的基体材料，使用电火花线切割机将基体材料切割成尺寸为50mm×5mm×2mm的长方体；(2)取基体材料，通过去油、热处理、喷丸处理、超声波清洗的方式将基体材料待喷涂的表面清洗干净；(3)取基体材料，对基体材料喷涂面进行喷砂，然后在基体材料喷涂面上覆盖住两块钢片，两块钢片之间距离为15mm；(4)取基体材料，采用大气等离子喷涂工艺将NiCoCrAl粉末喷涂于基体材料上形成粘接层，将含8wt％Y2O3-ZrO2粉末喷涂于在粘接层上形成陶瓷层；(5)取基体材料，将制作好的含有界面自由边界热障涂层试样的涂层表面用尺寸为15mm×5mm×3mm的硬质钢片粘接上，硬质钢片的粘接面为喷砂处理的粘接面。3.根据权利要求2所述的一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：所述硬质钢片粘接时采用的胶水为环氧树脂胶E-7胶，其粘接强度为60-70MPa，大于热障涂层界面结合强度。4.根据权利要求3所述的一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：所述基体材料、粘接层和陶瓷层的厚度分别为2mm、100um和200um，所述环氧树脂胶和硬质钢片的厚度分别为50um和3mm。5.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面结合强度的测量方法，其特征在于：所述三点弯曲法断裂的步骤为：(1)取制备好的测量试件，置于三点弯支...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建国，朱奇，李伟，颜高升，杨官保，曾宇春，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32