[發明專利]用于界面高溫變形測量的微尺度散斑制作方法

無效

• 申請號: 201210146916.9
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN102679899A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 劉戰偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 北京萬慧達知識產權代理有限公司 11111
• 代理人: 于淼;楊穎

技術領域

本發明屬于光測力學、工程材料、構件變形和位移測試技術領域，尤其是涉及一種可用于界面高溫熱沖擊變形測量的微尺度耐高溫散斑的制作方法。

背景技術

在高溫熱沖擊作用下，耐高溫復合材料由于材料各層間的熱膨脹系數不匹配、或材料內部存在溫度梯度，會在材料內部產生熱失配應力，當熱失配應力達到一定值時就可能造成材料破壞，如發生脫層、斷裂等。通過實驗手段測量耐高溫復合材料在熱沖擊下界面區域的熱變形場，對研究耐高溫復合材料的性能具有重要意義。

數字圖像相關方法是在上個世紀80年代初由美國南卡羅萊納州大學(University?of?South?Carolina)的Peter和Ranson最早提出的，是一種基于試件表面散斑圖像分析獲得被測表面變形場的測量方法。數字散斑相關方法具有非接觸、全場測量、操作簡單和靈敏度高等優點，且經過長期的發展，已經有了很多成熟的商用數字圖像相關的處理軟件，使測量更加簡便。其在常溫下的變形測量技術得到了很好的發展及應用，在高溫熱沖擊下應用的研究也相繼展開。Lyons.J.S等于1996年提出通過在試件表面沉積、制作高溫散斑斑點的基于DIC技術研究高溫全場變形的方法(Lyons?S,Liu?J,Sutton?M?A,Exp.Mech.(1996)36:64-70)。2006，K.Zarrabi和Z.Lu發展了使用抗高溫的（耐750℃）噴漆來制作散斑斑點，利用基于DIC的機器視覺系統分析變形的高溫變形測量系統，可用于600℃的高溫變形測量(Zarrabi?K?and?Lu?Z,Materials?Forum(2006)30:49-54)。2009，一種通過藍光照亮和濾波技術抑制黑體輻射影響的可用于1400°C的高溫應變場測量技術發表(Grant?B?M?B,Stone?H?J等，J.Strain?Anal.Eng(2009)44:2041-3130)。高溫DIC測量方法在電廠的安全與壽命檢測中也起到關鍵作用(Latini?V，Striano?V等SPIE,Bellingham,Wash(2007),ETATS-UNIS)。2011年，潘兵等人采用高溫無機膠混合氧化鈷制作散斑并結合濾光技術和藍光照明手段測量了鉻鎳奧氏體不銹鋼試樣的熱膨脹系數(Pan?B,Wu?D?F等,Meas.Sci.Technol.(2011)22:015701)。前人的研究表明：通過光學濾波技術可以有效抑制黑體輻射對圖像灰度的影響。

通過在試件待測區域制作清晰可辨的耐高溫微尺度散斑，采用光學濾波技術與顯微鏡頭結合可進行材料界面區域的微米尺度的高溫變形測量，提高其在熱沖擊下微區域變形測量的潛力。

但現有的耐高溫散斑制作技術存在很多不足之處，尤其在反差較大的兩種材料的界面或復合材料界面的耐高溫微尺度散斑的制作更是一大難題，例如在具有廣泛應用前景的熱障涂層界面區域如何制作耐高溫的微尺度散斑。

現有的高溫數字圖像相關法使用高溫漆/高溫膠結合高溫顆粒做散斑，這些制斑方法有一定的局限性。高溫漆制作的散斑的耐熱溫度在750℃以下，在更高溫度下高溫漆會被氧化并脫落，且散斑顆粒較大，顆粒尺度為亞毫米量級，僅適用于宏觀試件的宏觀變形測量，達不到1100℃高溫下界面微區域測量的要求。高溫無機膠混合耐高溫顆粒做散斑的方法是通過高溫無機膠把耐高溫顆粒粘附在試件表面。當試件的熱膨脹系數和高溫無機膠的熱膨脹系數接近時，這種方法適用于高溫下的熱變形測量，但當試件的熱膨脹系數和高溫無機膠的熱膨脹系數差異較大時，測量得到的熱變形受到膠層的變形的影響，而掩蓋了試件本身的熱變形，此時，這種制斑方法就不再適用，尤其是在測量熱障涂層界面這種各層材料屬性差別較大的微區域附近的熱變形時，膠層的變形對界面的變形測量影響更大。如圖3所示，測量在1100℃高溫沖擊作用下熱障涂層界面附近的變形場，熱障涂層厚度為500μm，要精確測量涂層界面附近的變形，需要使用顯微鏡頭配合的顯微DIC測量方法；而熱障涂層界面附近的顏色主要分為黑白兩色，黑色的為基底和過渡層，白色的為陶瓷涂層，涂層與基底倆者顏色差別過大，很難把相機調節到一個的合適的曝光量，使得整個界面附近成像清晰，從圖4所示的灰度直方圖可以看出圖像灰度成兩級分化，涂層界面附近的紋理不足以作為相關計算的散斑圖。