收藏本站
《湘潭大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘奇星;热障涂层涡轮叶片失效的有限元模拟[D];湘潭大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 刘雁玲;活塞铝合金微弧氧化热障涂层生长及组织性能[D];西安工业大学;2012年
2 路鹏程;温度与循环应力联合作用下碳化钨涂层失效机理研究[D];中国民航大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 李晓海,陈贵清,孟松鹤,韩杰才;热障涂层的研究进展[J];宇航材料工艺;2004年01期
2 陈会丽,钟毅,王华昆,张家涛,起华荣;残余应力测试方法的研究进展[J];云南冶金;2005年03期
3 李美栓,辛丽,余家康,李铁藩;喇曼光谱方法测量金属表面氧化膜的残余应力[J];中国腐蚀与防护学报;1999年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王国军;铝及铝合金板带材织构[J];轻合金加工技术;2004年06期
2 潘晓亮;高芝;谢世坤;左孝青;;金属层状材料的复合技术及其新进展[J];轻合金加工技术;2008年05期
3 安小强;周长春;李振;吴彬;刘亮;魏德洲;;铝土矿分析方法综述[J];轻金属;2008年11期
4 刘凯;张宝诚;蔡九菊;马洪安;;某重型燃气轮机双燃料喷嘴组流量特性试验研究[J];汽轮机技术;2009年03期
5 徐丽;孙丽艳;;某型燃气轮机燃烧室性能数值模拟[J];汽轮机技术;2012年02期
6 任帅;孙康宁;庞来学;;Ti_3Al含量对TiC/(Ti_3Al+ZrO_2)陶瓷复合材料晶粒生长及性能的影响[J];人工晶体学报;2006年06期
7 孙军龙;刘长霞;王保卫;;力学性能对B_4C/TiB_2基陶瓷喷嘴抗冲蚀特性的影响[J];人工晶体学报;2009年02期
8 阮永丰;马鹏飞;贾敏;李文润;张宇晖;张守超;王丹丽;;中子辐照6H-SiC晶体中的钉扎效应[J];人工晶体学报;2009年06期
9 刘笑笑;徐强;;碳纳米管增韧Sm_2Zr_2O_7基热障涂层复合材料的制备[J];人工晶体学报;2009年S1期
10 丁红燕;不同粒度Al_2O_3复合涂层的磨粒磨损行为研究[J];润滑与密封;2004年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 何振;高春生;张则敏;;刍议装备的可靠性维修性和保障性[A];中国电子学会可靠性分会第十四届学术年会论文选[C];2008年
2 于霄;张兴;周建军;黄涛;邓明春;柴军生;李云单;牟宇飞;;先进计测技术在航空发动机温度分析中的应用[A];第三届民用飞机先进制造技术及装备论坛论文汇编[C];2011年
3 刘阳春;徐彬;武军宽;李飞;金永春;阳代军;朱国森;;首钢船板钢热轧板卷的生产和使用[A];2011年全国中厚板生产技术交流会论文集[C];2011年
4 王裕;梁军;方国东;韩文波;;ZrB_2基陶瓷断口形貌及增韧机理[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
5 马辉;虎燕;王水锋;郭敬华;;北京部分地区植物叶面滞尘的XRD研究[A];北京高教学会实验室工作研究会2007年学术研讨会论文集[C];2007年
6 赵改改;戴国欣;聂诗东;王维说;李鹏程;;GJ钢构件残余应力研究思路[A];钢结构工程研究⑧——中国钢协结构稳定与疲劳分会第12届(ASSF-2010)学术交流会暨教学研讨会论文集[C];2010年
7 侯根良;吕秋娟;苏勋家;;等离子喷涂ZrO_2涂层隔热耐烧蚀性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
8 黄春峰;侯敏杰;;航空发动机叶尖间隙测量技术研究[A];2008年航空试验测试技术峰会论文集[C];2008年
9 杨志民;张书华;赵煜;杨殿成;;两种高温热电偶的测温对比试验研究[A];2008年航空试验测试技术峰会论文集[C];2008年
10 吴颖;田金光;赵宇;;某重型燃机用排气总温热电偶的设计与研究[A];2011航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵明利;多频率超声辅助磨削纳米氧化锆陶瓷表面/亚表面损伤机理研究[D];河南理工大学;2010年
2 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
3 宋建荣;7YSZ/Al_2O_3/Ni-343多层热障涂层的同步合成及其性能研究[D];武汉理工大学;2010年
4 曾芳;大型滑履磨机结构分析及焊接工艺研究[D];武汉理工大学;2010年
5 秦娜;旋转超声波磨削制孔的切削力建模与试验研究[D];大连理工大学;2011年
6 刘怀菲;二元稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂层材料的制备及性能研究[D];中南大学;2011年
7 许荔;涂层复合材料力学性能研究及界面强度有限元分析[D];西南交通大学;2010年
8 陈亚军;热障涂层热生长氧化物形成及生长过程的干预与控制研究[D];天津大学;2010年
9 佟富强;TN85金属陶瓷球面偶件ELID超精密磨削技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 王志强;高压压气机低速模拟方法研究[D];南京航空航天大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孔令志;纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究[D];河南理工大学;2010年
2 姚利盼;二维压痕脱层实验中的压痕应力研究[D];郑州大学;2010年
3 张颖君;聚苯胺对镁合金环氧防护涂层耐蚀性能的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 王启佳;聚合物光刻胶超声时效机理与实验研究[D];大连理工大学;2010年
5 吴勤勇;铁电薄膜残余应力X射线衍射测试方法研究[D];湘潭大学;2010年
6 段正君;陶瓷刀具干切削Inconel718实验研究及刀具磨损的离散元模拟[D];湘潭大学;2010年
7 岳汉威;岩石、混凝土材料的接触损伤及冲击球压法评价研究[D];中国建筑材料科学研究总院;2010年
8 丁小芹;放电等离子烧结镍基自熔合金涂层的研究[D];华东理工大学;2011年
9 杨秀琴;Ti-Al层状复合电极材料制备工艺与性能的研究[D];昆明理工大学;2010年
10 高凡;WC颗粒增强钢基表层复合材料的热震试验研究[D];昆明理工大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨超英;铝合金表面化学覆膜与电泳漆、粉末涂料的配套性研究[J];汽车工艺与材料;2004年03期
2 林晨,孙旭光,刘建平;钴基合金-碳化钨涂层组织及强度的研究[J];青岛建筑工程学院学报;2005年04期
3 郭洪波;彭立全;宫声凯;徐惠彬;;电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展[J];热喷涂技术;2009年02期
4 纪小健;李辉;栗卓新;宋永伦;;热障涂层的研究进展及其在燃气轮机的应用[J];燃气轮机技术;2008年02期
5 岳珠峰,吕震宙,彭知平,陶仙德;热障涂层的失效机理和力学模型[J];燃气涡轮试验与研究;1998年04期
6 张亮;章桥新;;普通与纳米ZrO_2涂层性能对比研究[J];热加工工艺;2008年07期
7 洪鹤,孙家仲,马春艳,孟祥东,王佳华,朱荆璞;对40Cr钢表层硬度残余应力及接触疲劳性能的研究[J];沈阳工业大学学报;2001年06期
8 胡传顺,王福会,吴维;热障涂层的破坏方式及影响因素[J];石油化工高等学校学报;1999年04期
9 王立君,阎俊霞,徐凯龄,贾燕;陶瓷/金属连接界面韧性及其实验测定[J];实验力学;1999年01期
10 单水维;安胜利;张军;程秀玲;;掺杂量变化对ZrO_2(Y_2O_3)陶瓷导热性能的影响[J];陶瓷学报;2008年01期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 周益春;桥田俊之;段祝平;;热障涂层的热-力耦合破坏机制[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
2 刘奇星;蒋俊平;毛卫国;杨丽;周益春;;热循环条件下涡轮叶片热障涂层系统的有限元模拟[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 杜少军;高能激光器及其发射系统的热变形研究[D];国防科学技术大学;2001年
2 张玉峰;特征造型技术在有限元分析建模中的应用研究[D];武汉大学;2004年
3 毛卫国;热—力联合作用下热障涂层界面破坏分析[D];湘潭大学;2006年
4 牟仁德;热障涂层隔热性能研究[D];北京航空材料研究院;2007年
5 李均明;铝合金微弧氧化陶瓷层的形成机制及其磨损性能[D];西安理工大学;2008年
6 黄志伟;MCrAlY涂覆的镍基高温合金及其基体合金的等温和热机械疲劳行为[D];大连理工大学;2008年
7 骆海贺;AZ91D镁合金微弧氧化ZrO_2-Y_2O_3复合陶瓷膜层的制备、表征及性能研究[D];华中科技大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋俊平;曲面结构的热障涂层系统残余应力有限元模拟分析[D];湘潭大学;2011年
2 吴多锦;热障涂层界面破坏实时测试分析及实验模拟系统的研制[D];湘潭大学;2011年
3 董曼红;带隔热涂层构件温度和应力分析边界元法及其应用[D];西北工业大学;2001年
4 张学忱;陶瓷/金属热障层活塞的研究[D];长春理工大学;2002年
5 殷复振;热障涂层的数学模型建立与隔热效果研究[D];大连理工大学;2006年
6 高西亚;热循环下热障涂层残余应力及稳定性的研究[D];西北工业大学;2007年
7 丁艳霞;热障涂层中界面形貌对涂层系统中应力影响的研究[D];吉林大学;2007年
8 钱思成;铝微弧氧化膜的制备及其性能研究[D];大连理工大学;2007年
9 侯正全;ZL201铸造铝合金微弧氧化工艺研究[D];上海交通大学;2007年
10 张海兵;铝合金表面稀土转化膜的成膜机理及其性能改善研究[D];北京化工大学;2008年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 傅丽华;EB-PVD热障涂层冲蚀过程及其裂纹扩展的有限元模拟[D];湘潭大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
1 蒲琪,任传波;球磨机轴头焊接残余应力的测量与分析[J];山东工程学院学报;2000年01期
2 陈炳贻;航空发动机用热障涂层的发展[J];推进技术;1996年04期
3 张艳梅,王宝,张汉谦;一种新的焊接残余应力测量方法[J];太原理工大学学报;2001年05期
4 鄢君辉,郑修麟,赵康,王锋会;陶瓷切口强度的概率分布(Ⅰ)基本表达式[J];无机材料学报;1998年04期
5 游敏,侯东芳,付建科,郭淑兰;反向叠加应力法无损检测焊接残余应力[J];三峡大学学报(自然科学版);2002年02期
6 黄清荣,张维;磁记忆检测技术在锅炉压力容器焊接残余应力测量中的应用分析[J];无损探伤;2003年02期
7 梅志,顾明元,吴人洁;金属基复合材料残余应力测量的新方法[J];宇航材料工艺;1996年06期
8 张勇;21世纪高效节能环保高新技术——振动消除应力技术[J];中国机械工程;2002年19期
9 刘致远;磁致伸缩振动时效在消除金属构件内应力上的应用[J];中国铸造装备与技术;2003年01期
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026