[發(fā)明專利]基于應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度演變機(jī)制的涂層壽命預(yù)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510657869.8
• 申請(qǐng)日: 2015-10-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105223125A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱嘉琦;高鴿;代兵;王楊;舒國(guó)陽(yáng);陳亞楠;劉康;趙繼文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N17/00
• 分類號(hào): G01N17/00;G06F19/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 楊立超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種涂層壽命的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

熱障涂層、吸波涂層等涂層在導(dǎo)彈和航天器中均有著廣泛的應(yīng)用。這些涂層在長(zhǎng)期貯存的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的功能退化、性能下降等失效或潛在失效問(wèn)題，對(duì)導(dǎo)彈和航天器的結(jié)構(gòu)與功能造成嚴(yán)重危害。所以，研究涂層的失效是十分重要的。

涂層中的應(yīng)力是其生產(chǎn)、制備和服役過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象。涂層的應(yīng)力有其自身的特點(diǎn)，涉及到制備時(shí)由于膜、基之間熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，使用時(shí)由于高溫氧化產(chǎn)生的氧化應(yīng)力以及缺陷應(yīng)力等等。

涂層在制備及服役過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷高溫、低溫交替的過(guò)程，涂層材料和基體材料間的力學(xué)性能和熱性能等存在差異，使涂層和基體中必然存在一定的殘余應(yīng)力。涂層中殘余應(yīng)力的存在有可能引起涂層的脫落，使構(gòu)件失效。因此涂層中殘余應(yīng)力的研究是關(guān)于涂層系統(tǒng)制備和性能研究的重要內(nèi)容。此外，涂層在貯存過(guò)程中由于孔結(jié)構(gòu)的存在，使過(guò)渡層很容易接觸氧原子，進(jìn)而發(fā)生氧化。此時(shí)新生成的氧化物在結(jié)構(gòu)、成分等方面都影響著過(guò)渡層的穩(wěn)定，產(chǎn)生應(yīng)力。又因?yàn)檠趸瘜拥漠a(chǎn)生使得涂層原有的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，生成大量缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力。從上述的涂層應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，在研究涂層長(zhǎng)貯的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)力演變的研究是十分重要并且必要的。

但是目前的研究?jī)H僅是研究力學(xué)性能，是比較片面的。目前還沒(méi)有一種全面客觀的涂層壽命預(yù)測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決目前還沒(méi)有一種全面客觀的涂層壽命預(yù)測(cè)方法的問(wèn)題。

基于應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度演變機(jī)制的涂層壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一、建立殘余應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系；根據(jù)時(shí)間變化關(guān)系，將殘余應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系按照時(shí)間進(jìn)行疊加，得到涂層內(nèi)應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系，即涂層應(yīng)力演變物理模型；

步驟二、熱循環(huán)加速試樣老化：

制備大量涂層試樣，將涂層試樣放入試樣老化設(shè)備中進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)度不等的高低溫循環(huán)熱老化處理，使試樣的老化速度加快，得到人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)；

步驟三、XRD衍射及數(shù)據(jù)處理：

采用X射線衍射儀對(duì)人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)進(jìn)行衍射測(cè)試，采用sin2ψ法分別對(duì)試樣i＝(1,2,3,...,N)進(jìn)行試驗(yàn)，得到人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)的應(yīng)力值；

根據(jù)人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)的時(shí)間和應(yīng)力值，建立試樣應(yīng)力值—時(shí)間關(guān)系；

將涂層應(yīng)力演變物理模型與試樣應(yīng)力值—時(shí)間關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)，找到試樣應(yīng)力值—時(shí)間關(guān)系對(duì)應(yīng)應(yīng)力下的涂層應(yīng)力演變物理模型的時(shí)間，記為t_i1，同時(shí)找到相同應(yīng)力下的試樣應(yīng)力值—時(shí)間關(guān)系的時(shí)間，記為t_i2，以作為人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)的加速倍數(shù)；然后取作為最終加速倍數(shù)；

步驟四、劃痕實(shí)驗(yàn)建立結(jié)合強(qiáng)度演變過(guò)程：

采用劃痕儀對(duì)人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，得到不同加速時(shí)間的結(jié)合強(qiáng)度，即人工加速老化的試樣i＝(1,2,3,...,N)的結(jié)合強(qiáng)度，然后擬合出結(jié)合強(qiáng)度—老化時(shí)間的關(guān)系并繪制成變化曲線，然后將變化曲線與時(shí)間軸的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為人工加速老化的試樣壽命l；

步驟五、預(yù)測(cè)涂層壽命：

以L＝試樣壽命l*最終加速倍數(shù)作為的預(yù)測(cè)壽命。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)全面的考量了涂層的應(yīng)力，并結(jié)合實(shí)際加速老化試樣的應(yīng)力判斷，根據(jù)劃痕實(shí)驗(yàn)得到的涂層結(jié)合強(qiáng)度預(yù)測(cè)涂層的壽命。不但考量的因素全面，而且有實(shí)際的老化模擬實(shí)驗(yàn)，可以全面客觀的反應(yīng)涂層的壽命。本發(fā)明預(yù)測(cè)涂層壽命的準(zhǔn)確率可達(dá)95％以上。

附圖說(shuō)明

圖1為YSZ熱障涂層系統(tǒng)參考溫度—時(shí)間函數(shù)關(guān)系圖；

圖2為YSZ熱障涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系圖；

圖3為氧化層與過(guò)渡層厚度關(guān)系示意圖；

圖4為YSZ熱障涂層系統(tǒng)氧化層應(yīng)力—時(shí)間變化關(guān)系圖；

圖5為YSZ熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)力演變物理模型圖；

圖6為YSZ熱障涂層系統(tǒng)人工加速老化試樣的試樣應(yīng)力值—時(shí)間關(guān)系圖；

圖7為YSZ熱障涂層系統(tǒng)人工加速老化試樣在劃痕儀檢測(cè)中剝落的臨界載荷圖；