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《湘潭大学》 2010年
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热循环条件下热障涂层断裂韧性和残余应力的测试分析

陈强  
【摘要】: 热障涂层(Thermal Barrier Coatings,简称TBCs)具有抗高温氧化和腐蚀的能力,可以有效地降低高温耐热合金基底的使用温度,延长高温部件的使用寿命,从而被广泛应用于航空、航天和大型火力发电等领域。然而,陶瓷涂层内裂纹的萌生、扩展甚至涂层过早的剥落是导致热障涂层失效的重要原因,这一直是研究人员关注的重点问题。在1000°C的热循环条件下,本文首先研究了热障涂层部分材料参数随热氧化时间的变化规律,然后在考虑其演变的影响下,测试分析了热障涂层系统断裂韧性和残余应力的变化规律。主要研究内容如下:第一,用纳米压痕法研究了8wt.% Y_2O_3部分稳定的ZrO_2(8YSZ)热障涂层杨氏模量和硬度随热循环次数增加的演变关系。研究发现:由于受到高温烧结作用的影响,热障涂层的杨氏模量和硬度随热循环次数的不同而出现不同程度的的增长,主要分为两个阶段,当在100次热循环之前,两者随热循环次数的增加而快速增大。当热循环次数超过100次之后,两者随热循环次数的增加而逐渐趋于平缓,甚至保持稳定。热障涂层的杨氏模量和硬度具有明显的各向异性。在测试中,由于陶瓷材料是典型的脆性材料,其压痕测试的实验数据具有一定的分散性。本文采用Weibull分布统计分析方法进行处理,获得了比较满意的结果。 第二,用Vickers压痕的方法研究了8YSZ热障涂层系统的断裂韧性。分别采用基于半硬币状裂纹系统的传统压痕断裂力学模型和考虑残余应力影响的Lawn-Evans-Marshall(简称LEM)压痕断裂力学模型来分析维氏压痕实验数据。研究表明,在98N的压制载荷下,用传统模型分析得到的热循环条件下热障涂层表面断裂韧性从1.19MPa·m~(1/2)变化到4.4MPa·m~(1/2);其界面断裂韧性从0.54MPa·m~(1/2)变化到2.8MPa·m~(1/2)。在不同的压制载荷下,用LEM模型分析计算得到的热障涂层表面断裂韧性从0.52MPa·m~(1/2)变化到3.06MPa·m~(1/2),相应的表面残余应力从-41MPa变化到-268MPa。热障涂层系统的断裂韧性也呈现出各向异性,且表面断裂韧性整体比界面断裂韧性值要大。 第三,通过制备长方形的8YSZ陶瓷棒样品,采用微拉曼光谱法标定了8YSZ材料的压电光谱系数(Piezo-spectroscopic Coefficient,简称PSC)随热循环变化的演变关系。结果表明,PSC随热循环次数增加呈现出指数衰减的趋势,且与杨氏模量的变化趋势相反。 第四,研究了热障涂层杨氏模量的变化对X射线衍射法(XRD)测试其残余应力的影响。实验结果表明,在考虑杨氏模量变化的条件下所测得的结果比未考虑其演变情况下的测试结果更加准确。利用PSC的演变规律,本文用微拉曼光谱法测试了热障涂层残余应力随热循环次数的演变关系,其结果与XRD的测试结果具有很好的一致性。在本文中,我们研究了8YSZ热障涂层系统相关力学性能及残余应力场随热循环次数的变化规律,这些结果对评价热障涂层的可靠性具有重要的参考价值。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB302.3

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