本文關(guān)鍵詞：高溫環(huán)境下熱障涂層材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

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【摘要】：熱障涂層以其良好的隔熱、耐磨蝕性能,被廣泛地應(yīng)用于軍事和國(guó)防領(lǐng)域。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,由于受到各層材料性能參數(shù)不匹配的影響,其表面和界面處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力,促使裂紋的萌生和擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致涂層的破壞失效,嚴(yán)重制約了熱障涂層體系的可靠性及廣泛應(yīng)用。因此,在服役溫度下實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層材料力學(xué)參數(shù),對(duì)指導(dǎo)涂層材料設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)有著十分重要的意義。本論文自主設(shè)計(jì)和研制了一套基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂層材料的熱變形,分析其熱膨脹系數(shù)、彈性模量、斷裂強(qiáng)度以及斷裂韌性等性能參數(shù),發(fā)展了一種材料高溫力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)表征方法。主要研究?jī)?nèi)容歸納如下:第一,自主設(shè)計(jì)和研制了一套基于數(shù)字圖像相關(guān)法的材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括1600°C高溫爐、Aramis變形測(cè)量系統(tǒng)、強(qiáng)光照系統(tǒng)以及紅外濾光系統(tǒng)等設(shè)備。并且完成一種耐高溫散斑的制備方法以滿足數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)散斑的要求。經(jīng)過調(diào)試,高溫爐溫度誤差能有效地控制在±1°C范圍內(nèi),為高溫環(huán)境下熱障涂層材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試,提供了適用的實(shí)驗(yàn)方法以及可靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。第二,在1600°C范圍內(nèi)測(cè)試熱障涂層材料的熱變形及熱膨脹系數(shù)分析。結(jié)合高溫爐與Aramis變形測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集樣品表面不同溫度下的數(shù)字圖像。依據(jù)樣品表面的全場(chǎng)熱變形信息,分析計(jì)算材料的熱膨脹系數(shù)。結(jié)果表明,在25~1600°C范圍內(nèi),8wt%Y2O3-ZrO2(8YSZ)陶瓷的熱膨脹系數(shù)為8.837×10-6/℃~14.332×10-6/°C;高溫合金基底的熱膨脹系數(shù)為12.37×10-6/°C~18.03×10-6/°C。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)字圖像相關(guān)法的準(zhǔn)確性,為高溫?zé)崾鋺?yīng)力的產(chǎn)生提供可靠的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。第三,在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂層材料的彈性模量及斷裂強(qiáng)度�；跀�(shù)字圖像相關(guān)法、單軸拉伸法以及三點(diǎn)彎曲法,對(duì)基底合金、8YSZ陶瓷樣品進(jìn)行高溫?cái)嗔褱y(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1000°C和1100°C時(shí),合金基底的楊氏模量分別為143 GP和129GPa,抗拉強(qiáng)度分別為159 MPa和132 MPa。而陶瓷涂層在1100°C和1200°C時(shí)的彈性模量分別為26.2 GPa和16.9 GPa,彎曲強(qiáng)度分別為33.55 MPa和29.64 MPa。第四,運(yùn)用單邊切口梁法在高溫環(huán)境下測(cè)試熱障涂層材料的斷裂韌性。通過單邊切口梁法以及數(shù)字圖像相關(guān)法,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制切口的8YSZ陶瓷樣品的受載彎曲過程、裂紋的擴(kuò)展路徑等圖像信息。通過時(shí)間-應(yīng)變曲線,確定陶瓷發(fā)生突變的時(shí)間和載荷。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,在1100°C時(shí),陶瓷涂層的斷裂韌性為1.98 MPa?m1/2;在1200°C時(shí),斷裂韌性為1.04 MPa?m1/2。為陶瓷涂層在高溫環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展、斷裂失效的研究提供一種可靠的實(shí)驗(yàn)表征方法。
【關(guān)鍵詞】：熱障涂層 數(shù)字圖像相關(guān)法 高溫環(huán)境 測(cè)試系統(tǒng) 力學(xué)參數(shù)
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V231
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 引言9-10
• 1.2 熱障涂層的研究與發(fā)展現(xiàn)狀10-11
• 1.3 熱障涂層的制備方法11-13
• 1.4 熱障涂層的研究熱點(diǎn)方向13-14
• 1.4.1 新型陶瓷材料的研究13
• 1.4.2 失效機(jī)理的研究13-14
• 1.4.3 壽命評(píng)估及預(yù)測(cè)14
• 1.5 熱障涂層失效檢測(cè)方法14-15
• 1.5.1 涂層的室溫材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法14
• 1.5.2 涂層殘余應(yīng)力的測(cè)試方法14-15
• 1.5.3 其它無損檢測(cè)技術(shù)15
• 1.6 涂層高溫力學(xué)性能測(cè)試方法15-16
• 1.7 本文選題依據(jù)和主要研究?jī)?nèi)容16-18
• 第2章 基于數(shù)字圖像相關(guān)法材料高溫性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制18-25
• 2.1 數(shù)字圖像相關(guān)法18-21
• 2.1.1 數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀18-19
• 2.1.2 數(shù)字圖像相關(guān)法的基本原理19-21
• 2.2 高溫散斑的研究進(jìn)展及制備方法21-23
• 2.2.1 高溫散斑的研究進(jìn)展21-22
• 2.2.2 高溫散斑的制備方法22-23
• 2.3 高溫?zé)嶙冃螠y(cè)量系統(tǒng)23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 1600 °C范圍內(nèi)熱障涂層材料熱膨脹系數(shù)測(cè)試分析25-40
• 3.1 熱應(yīng)變的計(jì)算與熱膨脹系數(shù)的測(cè)試原理25-27
• 3.1.2 平均熱應(yīng)變理論計(jì)算模型26-27
• 3.1.3 熱膨脹系數(shù)的確定27
• 3.2 實(shí)驗(yàn)樣品的制備與處理27-30
• 3.2.1 TBCS樣品制備及表面處理27-29
• 3.2.2 8YSZ陶瓷涂層的制備及表面處理29
• 3.2.3 基底合金(GH3030)的制備及表面處理29-30
• 3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案30-32
• 3.3.1 熱障涂層界面熱應(yīng)變的測(cè)定31
• 3.3.2 8YSZ陶瓷涂層熱膨脹系數(shù)的測(cè)定31-32
• 3.3.3 基底合金熱膨脹系數(shù)的測(cè)定32
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析32-39
• 3.4.1 熱障涂層界面熱變形分析32-34
• 3.4.2 純陶瓷熱膨脹系數(shù)的測(cè)試分析34-37
• 3.4.3 基底材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)試分析37-39
• 3.5 本章小結(jié)39-40
• 第4章 高溫環(huán)境下熱障涂層材料彈性模量及斷裂強(qiáng)度測(cè)試分析40-50
• 4.1 彈性模量以及斷裂強(qiáng)度的測(cè)試方法40-41
• 4.2 實(shí)驗(yàn)樣品的制備與表面處理41-43
• 4.2.1 GH3030高溫合金基底制備及處理41-42
• 4.2.2 陶瓷層樣品制備及表面處理42-43
• 4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案43-44
• 4.3.1 基底合金彈性模量及抗拉強(qiáng)度43-44
• 4.3.2 陶瓷涂層彈性模量及彎曲強(qiáng)度44
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析44-49
• 4.4.1 基底高溫彈性模量的測(cè)試分析44-46
• 4.4.2 8YSZ陶瓷層彈性模量以及彎曲強(qiáng)度的測(cè)試分析46-49
• 4.5 本章小結(jié)49-50
• 第5章 高溫環(huán)境下熱障涂層材料斷裂韌性測(cè)試分析50-56
• 5.1 斷裂韌性測(cè)試方法及測(cè)試原理50-51
• 5.1.1 斷裂韌性的測(cè)試方法50
• 5.1.2 單邊切.梁法測(cè)試原理50-51
• 5.2 樣品的制備與處理51-52
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析52-55
• 5.3.1 陶瓷斷裂應(yīng)變和斷裂韌性的確定52-53
• 5.3.2 基于數(shù)字圖像相關(guān)法的單邊切.梁涂層斷裂韌性測(cè)定53-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 第6章 總結(jié)與展望56-58
• 6.1 工作總結(jié)56-57
• 6.2 工作展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-65
• 致謝65-66
• 附錄A: 個(gè)人簡(jiǎn)歷、攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的專利及學(xué)術(shù)論文66

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 潘兵;吳大方;高鎮(zhèn)同;;基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的非接觸高溫?zé)嶙冃螠y(cè)量系統(tǒng)[J];航空學(xué)報(bào);2010年10期

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本文編號(hào)：995460