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湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划
项 目 申 报 表
项目名称: 1100oC环境下热障涂层体系界面失效实时测试研究 学校名称 湘潭大学 学生姓名 专业名称 性别 学 号 李可可 测控技术与仪器 男 2011700928 冯添富 测控技术与仪器 男 2011700916 王晓丹 测控技术与仪器 女 2011700909 郑巧玲 测控技术与仪器 女 2011700903 吴 欢 材料科学与工程 女 2011700107
3. 拟解决的关键科学问题
(1)如何制作高质量的散斑,保证在高温环境下散斑不发生烧蚀、剥落,从而保证数字图像相关技术测试材料变形的可靠性和准确性。
(2)在1100oC高温环境下,被测材料会发出耀眼的红外辐射,如何保证非接触式数显图像相关技术观测材料变形的清晰度。
(3)发展一种基于数字图像相关技术的横向拉伸法,实现同步实时监测高温条件下涂层体系小尺度界面失效过程,如何建立不同仪器实验数据之间的关联来提出涂层失效的判断依据和方法。
国内外研究现状和发展动态
热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是一种典型的多层材料体系,广泛用于航空航天、发动机和海洋舰船的推力系统。由于能提高发动机叶片用材料的工作温度,热障涂层在未来发动机热端部件中发挥着不可替代的作用[1,2]。美国N. P. Padture等人在Science上指出:TBCs系统是所有涂层系统中最复杂的一种结构,也是最急需应用在航空发动机和工业涡轮机内高温部件的一种隔热涂层。热障涂层在热疲劳或高温氧化状态下会发生失效,一般而言,导致失效的原因主要有陶瓷涂层与基底之间热膨胀系数差产生的热应力、粘结层氧化导致氧化层增厚产生的应力、陶瓷层的相变应力、陶瓷层的烧结收缩应力及熔盐沉积带来的热腐蚀破坏[3]。然而,热障涂层的上述失效机制是在没有考虑外力的影响下得出的。但在实际服役环境下,发动机高速转动将产生较大的离心力,因此涂层的工作环境不仅仅是高温氧化腐蚀,而且有机械载荷。可以预见,在相同高温环境中、有无载荷条件下的热障涂层的失效模式与失效机制将存在巨大差别。因此,研究热障涂层的失效过程不仅要考虑涂层在热物理化学环境中的变化,同时必须考察涂层在外力作用下的失效过程。另一方面,由于热障涂层的失效过程是一个渐变的过程,掌握每一个环节涂层表面和内部微观组织的变化,对改善涂层制备工艺、提高涂层使用寿命是至关重要的。因此,进行涂层服役过程的原位监控是热障涂层失效机理研究中必不可少的手段[4-6]{徐惠彬, 2004 #658;徐颖强, 2009 #3414}。
发展先进的涂层材料界面结合性能实验表征方法具有重要的科学意义和工程应用价值。在服役中,由于受到材料参数不匹配、界面缺陷、工作温度、残余应力和外加载荷等因素影响,在实际应用中多层涂层体系的界面通常发生难以预知的界面脱层、屈曲和剥离破坏[1,7-11],甚至可能造成重大事故。因此,提高涂层材料界面结合性能是改善先进涂层材料可靠性的重要方法之一,如何更加准确的测定在服役环境中涂层材料的结合性能已成为力学界和材料界专家学者高度关注的焦点问题。目前评价涂层体系力学性能主要是在室温下采用拉伸、剪切、弯曲和压痕等一系列实验手段获得[12,13],虽然这些常温下获得的实验结果在一定程度上反映了涂层的结合性能,但在高温服役环境下,涂层体系自身的材料属性、界面结合情况以及不匹配热应力情况将会发生巨大变化。如果用室温下获得的结果去指导高温下的服役情况和可靠性,这是十分令人担忧的事情,也许会造成重大错误。因此,如何在高温环境下发展一种新的实验表征方法实时测试涂层材料本身力学性能的变化及各层界面结合强度,有效评价小尺度下涂层材料界面结合性能的好坏也就必然成为了国内外研究人员迫切需要解决的关键科学问题。
基于数字图像相关原理的三维全场应变光学测量技术将为实现TBCs界面结合强度实验测试及可靠性评价提供强有力的工具和保障。本申请项目所选用的数字图像相关法全场应变光学测量技术近年来取得了戏剧性发展和爆炸性应用[14],逐渐成为解决多尺度下材料应变场动态演变测试问题的一种强有力工具。该技术具有高效准确、操作简便、无损非接触等突出优势,正迅速地应用到各个学科的研究,如材料力学、生物力学、断裂力学、微观纳米应变测量、宏观大尺寸变形测量、各种新材料性能测试等。国内何小元教授[15]、亢一澜教授[16]、谢惠民教授[17,18]等诸多课题组开展了利用数字图像相关的光测力学技术来研究材料的变形和损伤行为,取得了许多非常优秀的成果。本申请项目的指导老师毛卫国副教授在数字图像相关技术研究方面积累了较好的基础,在前期预研中,采用该方法尝试性地研究了热障涂层系统拉伸变形的失效过程,观察了涂层界面区域上
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