高温环境下热障涂层材料力学参数测试分析

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1、学校代码10530学号201230101290分类号TB35密级公开硕士学位论文高温环境下热障涂层材料力学参数测试分析学位申请人彭樟保指导教师毛卫国教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料工程研究方向新型高性能金属材料及其应用二零一五年五月湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研巧做出重要贡献的个人和集体，均己在文中１＾明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

2、作者签名。／：日期：＞＾年０月＾日／：杳巧５学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可レッ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。＇辉备＇王作者签名；文日期年抑佔曰导师签名；曰期年月曰＾中Themechanicalperformanceparametersdeterminationandanalysi

3、softhermalbarriercoatingmaterialunderthehightemperatureCandidateZhangbaoPengSupervisorProfessorWeiguoMaoCollegeSchoolofMaterialsScienceandEngineeringProgramHigh-performancemetalmaterialsanditsapplicationSpecializationMaterialsEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniv

4、ersityDateMay,2015摘要热障涂层以其良好的隔热、耐磨蚀性能，被广泛地应用于军事和国防领域。然而，在实际应用中，由于受到各层材料性能参数不匹配的影响，其表面和界面处容易产生较大的应力，促使裂纹的萌生和扩展，进而导致涂层的破坏失效，严重制约了热障涂层体系的可靠性及广泛应用。因此，在服役温度下实时测试热障涂层材料力学参数，对指导涂层材料设计及工艺改进有着十分重要的意义。本论文自主设计和研制了一套基于数字图像相关技术的材料高温力学性能实验测试系统。在高温环境下测试热障涂层材料的热变形，分析其热膨胀系数、弹性模量、断裂强度以及断裂韧性等性能参数，发展了

5、一种材料高温力学参数的实验表征方法。主要研究内容归纳如下：第一，自主设计和研制了一套基于数字图像相关法的材料高温力学性能实验测试系统。系统包括1600°C高温炉、Aramis变形测量系统、强光照系统以及红外滤光系统等设备。并且完成一种耐高温散斑的制备方法以满足数字图像相关法对散斑的要求。经过调试，高温炉温度误差能有效地控制在±1°C范围内，为高温环境下热障涂层材料的力学性能实验测试，提供了适用的实验方法以及可靠的实验设备。第二，在1600°C范围内测试热障涂层材料的热变形及热膨胀系数分析。结合高温炉与Aramis变形测量系统实时监测并采集样品表面不同温度下的

6、数字图像。依据样品表面的全场热变形信息，分析计算材料的热膨胀系数。结果表明，在25~1600°C范围内，8wt%Y-6-62O3-ZrO2(8YSZ)陶瓷的热膨胀系数为8.837×10/℃~14.332×10/°C；高温合金基底的热膨胀系数为12.37×10-6/°C~18.03×10-6/°C。通过实验验证了数字图像相关法的准确性，为高温热失配应力的产生提供可靠的理论和实验依据。第三，在高温环境下测试热障涂层材料的弹性模量及断裂强度。基于数字图像相关法、单轴拉伸法以及三点弯曲法，对基底合金、8YSZ陶瓷样品进行高温断裂测试。实验结果表明，在1000°C和1

7、100°C时，合金基底的杨氏模量分别为143GP和129GPa，抗拉强度分别为159MPa和132MPa。而陶瓷涂层在1100°C和1200°C时的弹性模量分别为26.2GPa和16.9GPa，弯曲强度分别为33.55MPa和29.64MPa。第四，运用单边切口梁法在高温环境下测试热障涂层材料的断裂韧性。通过单边切口梁法以及数字图像相关法，实时监测预制切口的8YSZ陶瓷样品的受载弯曲过程、裂纹的扩展路径等图像信息。通过时间-应变曲线，确定陶瓷发生突变的时间和载荷。实验和理论研究表明，在1100°C时，陶瓷涂层的断裂韧性为1.98MPa⋅m1/2；在1200°

8、C时，断裂韧性为1.04MPa⋅m1/2。为陶瓷涂层