一种陶瓷涂层结合强度的测试试样、制备方法及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷涂层结合强度的测试试样、制备方法及测试方法。具体的，所述测试试样包括基底、陶瓷层、刚性梁和支撑块；所述基底上设置有所述陶瓷层；所述支撑块和所述陶瓷层均粘接所述刚性梁，所述支撑块与所述陶瓷层位于所述刚性梁的同侧且两者间存在间隔，在第一方向上，所述支撑块的长度小于所述陶瓷层的长度。这样的结构设置，由于在一侧界面端萌生分层裂纹，有效避免了现有技术中裂纹扩展失稳的问题，通过加载点的位移‑载荷曲线测量获取陶瓷层断裂特性，无须实时测量涂层界面裂纹的扩展长度，使得测试方法更加简便与快捷。

A test sample, preparation method and test method for bonding strength of ceramic coatings

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷涂层结合强度的测试试样、制备方法及测试方法
本专利技术涉及材料力学性能测试与评价
，特别是指一种陶瓷涂层结合强度的测试试样、制备方法及测试方法。
技术介绍
随着现代燃气轮机、航空发动机等大型动力装备的发展，关键部件的工作环境温度越来越高，已经远超过目前耐高温合金材料的熔点。为了提高这些动力装备热端部件的抗高温性能及使用寿命，在金属构件表面热喷涂或物理气相沉积耐高温和隔热性能好的陶瓷涂层材料，如氧化钇增强氧化锆(YSZ)等，并通过过渡层的过渡和粘接增强陶瓷涂层与基底金属的结合强度，这样就构成了包括基底、过渡层及隔热涂层在内的热障涂层系统。热障涂层系统在使用过程中长期受到高温及外载荷的热-力联合作用，加之系统本身材料组成复杂且容易发生化学反应和性能劣化，容易在系统内部缺陷处或多材料界面处产生较大的应力集中现象，引起陶瓷涂层失效及破坏，其主要表现为界面分层、脱粘或剥落等。结合强度是表征热障涂层系统可靠性及耐久性的一项重要力学性能指标，陶瓷涂层与基底结合的强弱从根本上决定了热端部件的服役寿命大小。由于热障涂层系统的复杂性和多样性，且涂层及过渡层厚度一般较薄，标准、成熟的力学测试方法已经不能满足测试目标要求。目前常用的测量涂层系统结合强度的试验方法包括拉伸法、剪切法、划痕法、鼓泡法、激光层裂法、弯曲法等。拉伸法、剪切法、划痕法和鼓泡法存在试样制作困难，或需要实时、原位测量裂纹扩展的长度等问题，这对于微小材料而言是极难实现的。相比较而言，“三明治”夹层结构的弯曲试样具有试样几何形状简单和测试技术方便的优点，Charalambides等人应用如图1所示的四点弯曲法对金属/陶瓷界面的断裂韧性进行了实验测试和理论估计，但是该试样要求制作两条严格对称的疲劳预裂纹，难题是如何在实验过程中保持预裂纹的对称、平衡扩展，实验加载过程中轻微的振动或加载不平衡都会导致裂纹扩展失稳，对陶瓷涂层结合强度测试及表征带来较大的困难和误差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种陶瓷涂层结合强度的测试试样，能够实现测试试样界面端单侧裂纹的萌生和稳定扩展，使得测试方法更加简单易操作。基于上述目的本专利技术提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样，所述测试试样包括基底、陶瓷层、刚性梁和支撑块；所述基底上设置有所述陶瓷层；所述支撑块和所述陶瓷层均粘接所述刚性梁，所述支撑块与所述陶瓷层位于所述刚性梁的同侧且两者间存在间隔，在第一方向上，所述支撑块的长度小于所述陶瓷层的长度。进一步的，还包括过渡层，所述过渡层位于所述基底和所述陶瓷层之间。进一步的，还包括热生长氧化层，所述热生长氧化层位于所述过渡层和所述陶瓷层之间。进一步的，在第一方向上，所述间隔的长度大于等于所述陶瓷层长度的二分之一。进一步的，所述支撑块的长度大于等于所述陶瓷层长度的五分之一且小于等于所述陶瓷层长度的三分之一。本专利技术还提供前述任一种陶瓷涂层结合强度的测试试样的制备方法，所述制备方法包括：在所述基底上沉积所述陶瓷层；将所述支撑块和所述陶瓷层间隔粘接在所述刚性梁的同侧。进一步的，所述制备方法还包括在所述基底上沉积所述过渡层的步骤，使得所述过渡层位于所述基底和所述陶瓷层之间。进一步的，将沉积有所述过渡层和所述陶瓷层的所述基底进行预氧化，形成热氧化生长层。本专利技术还提供一种陶瓷涂层结合强度的测试方法，所述测试方法使用前述任一种测试试样，所述测试方法包括如下步骤：将所述测试试样安装在加载夹具上；对所述测试试样施加对称的弯曲载荷；通过测力传感器和差动变压器分别实时、连续测量并记录所述弯曲载荷以及加载点位移大小，并输出为载荷-位移曲线；测试试样萌生裂纹并扩展至加载点处，测试结束。进一步的，采用刚性块和滚针作为上夹具，所述弯曲载荷通过所述刚性块和所述滚针施加于所述测试试样。从上面所述可以看出，本专利技术提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样和测试方法，通过在刚性梁上间隔设置支撑块和沉积有陶瓷层的基底，并且所述陶瓷层的长度大于所述支撑块的长度，使得测试试样具有非对称结构，进而保证在施加对称载荷的过程中，由于测试试样本身结构的非对称性会在两个加载点和界面端(支撑块和陶瓷层位于间隔侧的端面)之间产生非平衡弯矩分布，使得陶瓷层界面端附近的内力和应力集中程度远大于支撑块端面，当应力值超过陶瓷层的结合强度后，分层裂纹将在陶瓷层界面端处萌生并沿材料结合界面扩展。这样的结构设置，由于在一侧界面端萌生分层裂纹，有效避免了现有技术中裂纹扩展失稳的问题。同时，通过加载点的位移-载荷曲线测量获取陶瓷层断裂特性，无须实时测量涂层界面裂纹的扩展长度，使得测试方法更加简便与快捷。此外，刚性梁能够有效抑制陶瓷层的纵向裂纹和突然崩裂，提高该层储存的应变能为界面的分层提供裂纹扩展动力，使得本专利技术的测试试样能够用于断裂韧性较低的薄陶瓷层的结合强度的测试。本专利技术提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样和测试方法，在所述基底和陶瓷层之间设置过渡层，通过过渡层增加基底和陶瓷层之间的结合强度，这样的设置与热障涂层的结构相类似，使得本专利技术的测试试样能够用于热障涂层结构中陶瓷层的结合强度的测试。本专利技术提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样和测试方法，还在过渡层和陶瓷层之间制作了热生长氧化层，具有热生长氧化层的测试试样更接近于现实使用环境中的热障涂层，因此能够更精准的评估该结构中陶瓷层的结合强度，为工业使用提供可靠的结合强度参考。本专利技术提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样和测试方法，便于采用有限元模拟的方法分析测试试样裂纹萌生时的界面应力场，提取正应力和剪应力的峰值，从而方便的表征界面拉伸强度和剪切强度；能够使用梁弯曲理论推导出该陶瓷层系统能量释放率的解析表达式，进而计算陶瓷层界面的断裂韧性。附图说明图1为现有技术中的四点弯曲试样结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种陶瓷涂层结合强度的测试试样结构示意图；图3为本专利技术提供的测试试样进行测试时加载方式示意图；图4为本专利技术实施例提供的测试试样断裂过程的截面照片；图5为本专利技术实施例提供的测试试样用于测试试验所得的载荷-位移关系曲线；图6为本专利技术实施例中的测试试样的有限元网格和边界条件；图7A为本专利技术实施例中的测试试样裂纹萌生时刻沿陶瓷层/TGO层界面的正应力分布图；图7B为图7A对应的剪应力分布图；图8为含非对称裂纹的测试试样；图9为本专利技术实施例中测试试样裂纹迹线处于TGO层的试样截面示意图；图10为本专利技术实施例中测试试样裂纹迹线处于陶瓷层的试样截面示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，本专利技术实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本专利技术实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。现有技术中采用如图1所示的四点弯曲试样对金属/陶瓷界面的断裂韧性进行实验测试和理论估计。具体的，对称设置的支点104支撑基底101，在基底101上对称设置涂层102，涂层102和基底101之间设置有预裂纹103。施加对称载荷106至加载点105，在对称载荷106的作用下，预裂纹103开始启裂，但是在实验过程中如果不能保证预裂纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷涂层结合强度的测试试样，其特征在于，所述测试试样包括基底、陶瓷层、刚性梁和支撑块；所述基底上设置有所述陶瓷层；所述支撑块和所述陶瓷层均粘接所述刚性梁，所述支撑块与所述陶瓷层位于所述刚性梁的同侧且两者间存在间隔，在第一方向上，所述支撑块的长度小于所述陶瓷层的长度。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷涂层结合强度的测试试样，其特征在于，所述测试试样包括基底、陶瓷层、刚性梁和支撑块；所述基底上设置有所述陶瓷层；所述支撑块和所述陶瓷层均粘接所述刚性梁，所述支撑块与所述陶瓷层位于所述刚性梁的同侧且两者间存在间隔，在第一方向上，所述支撑块的长度小于所述陶瓷层的长度。2.根据权利要求1所述的测试试样，其特征在于，还包括过渡层，所述过渡层位于所述基底和所述陶瓷层之间。3.根据权利要求2所述的测试试样，其特征在于，还包括热生长氧化层，所述热生长氧化层位于所述过渡层和所述陶瓷层之间。4.根据权利要求1所述的测试试样，其特征在于，在第一方向上，所述间隔的长度大于等于所述陶瓷层长度的二分之一。5.根据权利要求1所述的测试试样，其特征在于，所述支撑块的长度大于等于所述陶瓷层长度的五分之一且小于等于所述陶瓷层长度的三分之一。6.一种如权利要求1-5任一项所述的陶瓷涂层结合强度的测试试样的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵朋飞，
申请(专利权)人：航天科工防御技术研究试验中心，
类型：发明
国别省市：北京,11