[發(fā)明專利]一種熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試試樣、制備方法及測試方法

在審

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• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN110031331A
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙朋飛
• 申請（專利權(quán)）人: 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20
• 代理公司: 北京風(fēng)雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 李弘

本發(fā)明公開了一種熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試試樣、制備方法及測試方法。所述測試試樣包括長方體基底、過渡層、第一陶瓷層和第二陶瓷層；所述基底的第一面中間設(shè)置有凹槽，所述凹槽的延伸方向與所述基底的短邊平行；與所述第一面相背的所述基底的第二面上覆蓋有所述過渡層；所述過渡層上并排設(shè)置有第一陶瓷層、間隔區(qū)和第二陶瓷層，且三者長度和等于所述過渡層的長度；所述第一陶瓷層與所述第二陶瓷層中任一的長度大于所述過渡層長度的二分之一，其與所述間隔區(qū)的交界線的位置與所述凹槽的位置相對應(yīng)。本發(fā)明的測試試樣能夠?qū)崿F(xiàn)測試試樣界面端單側(cè)裂紋的萌生和穩(wěn)定擴(kuò)展，對應(yīng)的測試方法更加簡單易操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能測試與評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試試樣、制備方法及測試方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)等大型動力裝備的發(fā)展，關(guān)鍵部件的工作環(huán)境溫度越來越高，已經(jīng)遠(yuǎn)超過目前耐高溫合金材料的熔點(diǎn)。為了提高這些動力裝備熱端部件的抗高溫性能及使用壽命，在金屬構(gòu)件表面熱噴涂或物理氣相沉積耐高溫和隔熱性能好的陶瓷涂層材料，如氧化釔增強(qiáng)氧化鋯(YSZ)等，并通過過渡層的過渡和粘接增強(qiáng)陶瓷涂層與基底金屬的結(jié)合強(qiáng)度，這樣就構(gòu)成了包括基底、過渡層及隔熱涂層在內(nèi)的熱障涂層系統(tǒng)。熱障涂層系統(tǒng)在使用過程中長期受到高溫及外載荷的熱-力聯(lián)合作用，加之系統(tǒng)本身材料組成復(fù)雜且容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和性能劣化，容易在系統(tǒng)內(nèi)部缺陷處或多材料界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起熱障涂層失效及破壞，其主要表現(xiàn)為界面分層、脫粘或剝落等。

結(jié)合強(qiáng)度是表征熱障涂層系統(tǒng)可靠性及耐久性的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，熱障涂層與基底結(jié)合的強(qiáng)弱從根本上決定了熱端部件的服役壽命大小。由于熱障涂層系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，且涂層及過渡層厚度一般較薄，標(biāo)準(zhǔn)、成熟的力學(xué)測試方法已經(jīng)不能滿足測試目標(biāo)要求。目前常用的測量涂層系統(tǒng)結(jié)合強(qiáng)度的試驗(yàn)方法包括拉伸法、剪切法、劃痕法、鼓泡法、激光層裂法、彎曲法等。拉伸法、剪切法、劃痕法和鼓泡法存在試樣制作困難，或需要實(shí)時(shí)、原位測量裂紋擴(kuò)展的長度等問題，這對于微小材料而言是極難實(shí)現(xiàn)的。相比較而言，“三明治”夾層結(jié)構(gòu)的彎曲試樣具有試樣幾何形狀簡單和測試技術(shù)方便的優(yōu)點(diǎn)，Charalambides等人應(yīng)用如圖1所示的四點(diǎn)彎曲法對金屬/陶瓷界面的斷裂韌性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和理論估計(jì)，從實(shí)驗(yàn)曲線中提取裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)的臨界載荷，應(yīng)用彎曲梁理論解析推導(dǎo)出表征界面斷裂韌性的臨界能量釋放率表達(dá)式，但是該試樣要求制作兩條嚴(yán)格對稱的疲勞預(yù)裂紋，難題是如何在實(shí)驗(yàn)過程中保持預(yù)裂紋的對稱、平衡擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)加載過程中輕微的振動或加載不平衡都會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，對涂層結(jié)合強(qiáng)度測試及表征帶來較大的困難和誤差。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試試樣，能夠?qū)崿F(xiàn)測試試樣界面端單側(cè)裂紋的萌生和穩(wěn)定擴(kuò)展，使得測試方法更加簡單易操作。

基于上述目的本發(fā)明提供的一種熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試試樣，所述測試試樣包括長方體基底、過渡層、第一陶瓷層和第二陶瓷層；所述基底的第一面中間設(shè)置有凹槽，所述凹槽的延伸方向與所述基底的短邊平行；與所述第一面相背的所述基底的第二面上覆蓋有所述過渡層；所述過渡層上并排設(shè)置有第一陶瓷層、間隔區(qū)和第二陶瓷層，且三者長度和等于所述過渡層的長度；所述第一陶瓷層與所述第二陶瓷層中任一的長度大于所述過渡層長度的二分之一，其與所述間隔區(qū)的交界線的位置與所述凹槽的位置相對應(yīng)。

進(jìn)一步的，還包括第一剛性梁和第二剛性梁，所述第一剛性梁和所述第二剛性梁分別粘結(jié)在所述第一陶瓷層和所述第二陶瓷層上。

進(jìn)一步的，所述凹槽的寬度大于等于所述基底長度的三分之一且小于等于所述基底長度的二分之一。

進(jìn)一步的，所述第一陶瓷層和所述第二陶瓷層的長度均大于等于所述過渡層長度的四分之一。