法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-04-19
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01N25/00 授权公告日:20151125 终止日期:20160305 申请日:20140305
专利权的终止
2015-11-25
授权
授权
2014-06-11
实质审查的生效 IPC(主分类):G01N25/00 申请日:20140305
实质审查的生效
2014-05-14
公开
公开
技术领域
本发明属于涂层的加速老化实验和寿命预测技术领域,涉及一种 陶瓷涂层加速老化实验及寿命预测的方法,尤其涉及一种陶瓷或无机 物涂层由于微脱粘而导致的脱落失效的模拟和预测方法。
背景技术
涂层材料现已得到广泛应用,特别是在各种飞行器表面,由于结 构和功能需要,要求涂覆各种类型的涂层,特别是陶瓷或无机物涂层。 涂层的脱落失效对于飞行器的结构和功能造成极大危害。关于无机物 和陶瓷涂层制备及后期处理过程中气体吸附和扩散及内部的孔洞聚 集长大的现象缺乏具体的实验方法及定量、定性解释。
现阶段关于有机物涂层的加速老化实验方法已经较为完备,对于 有机物涂层热循环过程中的温度选择和其他加速老化实验中相关实 验条件等已有较多报道。但由于陶瓷涂层特殊的性质,特别是具有有 机涂层难以达到的耐高温性能,使得有机涂层的热循环温度(一般低 于80℃)等结果很难运用于无机物涂层。对于无机物或陶瓷涂层,经 常使用热震的方法,通过一次性加热到较高温度并急速冷却来检验其 热稳定性,但这种实验难以准确描述涂层在整个破损过程中的变化情 况。
文献中对于涂层脱落的描述难以解释这一现象导致涂层脱落失 效的原因,从而在工程实际中很难针对此种原因导致的涂层脱落失效 现象做出预先的判断与预防。关于涂层失效方面的标准相对欠缺,也 为工程实际中关于涂层失效的判断带来了诸多不便。
发明内容
针对缺乏相关的陶瓷涂层加速老化及寿命预测方法的问题,本发 明提出了一种基于微脱粘的陶瓷涂层加速老化实验及寿命预测方法, 对涂层的寿命进行预测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于微脱粘的陶瓷涂层加速老化实验方法,其步骤如下:将 经过预处理的涂层试件放入管式炉中进行老化处理,控制管式炉的温 度参数为:低温200~300℃,高温400~500℃,升降温速率2~5℃/min, 高低温分别保温1h为一个循环,当涂层经历了所规定的循环数节点 时,取出完成特定循环数的试件。
一种基于微脱粘的陶瓷涂层寿命预测方法,包括如下步骤:
步骤一、热循环加载:
将经过预处理的涂层试件装入真空管中,然后放入管式炉中进行 热循环加载,当涂层经历了所规定的循环数节点时,取出完成特定循 环数的试件,控制温度参数为:低温200~300℃,高温400~500℃,升 降温速率2~5℃/min,高低温分别保温1h为一个循环;
步骤二、形貌观测:
对于经历不同热循环数的试样,用扫描电子显微镜或原子力显微 镜进行形貌观测,考察涂层表面破损情况;用扫描电子显微镜观测涂 层截面,了解涂层与基体或中间层脱粘区域的面积;
步骤三、涂层脱落失效的判断:
根据步骤二中试样的观测结果,确定此试样所处于的状态,判断 其是否失效,并得到失效所对应的循环次数及老化时间;如未失效, 增加涂层热循环次数,直到最终达到失效状态;观测实际老化的样品, 对应得到预计失效前时间,并对涂层剩余寿命和损伤百分比进行预 测。
本发明具有以下优点:
1、针对陶瓷涂层找到了一种加速老化实验的方法,从而方便地 通过实验对陶瓷涂层的老化过程进行观测;
2、提出了一种陶瓷涂层脱落失效的物理模型,并利用模型对实 际陶瓷涂层进行了寿命预测,效果显著。
附图说明
图1是实际热循环实验中所选择的热循环模式和热循环参数。
图2是热循环实验为主体,结合其他加速老化实验方法的装置示 意图。
图3是脱粘层翘曲脱落的示意图。
图4是未经老化实验时扫描电子显微镜截面观测结果。
图5是经历10次热循环后,扫描电子显微镜表面(去除表层)观 测结果。
图6是经历50次热循环后,扫描电子显微镜表面观测结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限 于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发 明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一:本实施方式提供了一种基于微脱粘的陶瓷涂层 加速老化实验方法,包括如下步骤:
步骤一、涂层材料的预处理。
对于制备完毕的涂层,利用线切割或其他切割方法,割成大约 10mm×10mm(或其他规格)的试样。用丙酮将试样在超声波清洗机 中清洗10~15min,用吹风机吹干。
步骤二、热循环加载。
选取较高温度进行热循环,实验的温度参数为:低温200~300℃, 高温400~500℃,升降温速率2~5℃/min,高低温分别保温1h为一个 循环,并选取合适的循环次数。
按照实验方案中设定的实验参数为管式炉编程,将试件每5个一 组装入已经标号的真空管中,放入实验装置,进行老化过程。
也可以利用其它方法进行老化过程(图2),如:将部分试样装入 未经封管的玻璃管中,放入实验装置,在实验装置中通入不同体积含 量水蒸气(0%、5%、10%)和氧气(10%、15%、20%、25%)经氮气稀 释的混合气体进行老化过程。
当涂层经历了所规定的循环数节点时,取出完成特定循环数的试 件。
具体实施方式二:本实施方式提供了一种基于微脱粘的陶瓷涂层 寿命预测方法,包括如下步骤:
步骤一、涂层材料的预处理。对于制备完毕的涂层,利用线切割 或其他切割方法,割成大约10mm×10mm(或其他规格)的试样。用 丙酮将试样在超声波清洗机中清洗10~15min,用吹风机吹干。
步骤二、环境气氛和涂层初始状态分析。结合制备方法利用扫描 电子显微镜截面分析等方法确定孔洞的初始参数,得到每单位面积 孔洞的数量N,每个孔洞的体积Vi(i=1,…,N),和孔洞的平均距离 ;可以利用分子动力学计算等方法分析涂层与环境的交互作用,包 括气体吸附和脱附的过程,得到孔洞内部气体气压变化的过程,从而 分析得到孔洞内部最终的气体摩尔数n(t∞);利用气压计测出环境气 体压强p(t∞),利用温度计测出环境温度T。
步骤三、热循环加载。选取较高温度进行热循环,实验的温度参 数为:低温200~300℃,高温400~500℃,升降温速率2~5℃/min,高 低温分别保温1h为一个循环,并选取合适的循环次数。
按照实验方案中设定的实验参数为管式炉编程,将试件每5个一 组装入已经标号的真空管中,放入实验装置,进行老化过程。
也可以利用其它方法进行老化过程,如:将部分试样装入未经封 管的玻璃管中,放入实验装置,在实验装置中通入不同体积含量水蒸 气(0%、5%、10%)和氧气(10%、15%、20%、25%)经氮气稀释的混 合气体进行老化过程。
当涂层经历了所规定的循环数节点时,取出完成特定循环数的试 件。
步骤四、孔洞扩展聚集过程与形貌观测,可以分为以下几步进行:
4.1、孔洞扩展聚集过程及计算。
(1)计算单个孔洞在不受其他条件(如颗粒阻力等)影响下, 最大平衡半径
其中,V∞为单个孔洞在不受其他条件(如颗粒阻力等)影响下, 所能达到的最大体积,t∞为从孔洞产生到孔洞达到最终平衡状态所需 用的时间,T为涂层的使用或贮存温度,R为气体常数,p(t∞)为环境 气体压强,n(t∞)为孔洞达到最大时内部封存的气体的摩尔数。
(2)当单个孔洞达到一定半径时,孔洞聚集,其中,为 孔洞之间的平均距离。
(3)孔洞聚集之后形成的孔洞,其体积可以表示为:
其中,Vc为孔洞聚集之后形成的孔洞的体积,tx是某一特定时间, i为所有聚集的孔洞编号,N为聚集的孔洞的总数目,Vi(tx)表示每一 个聚集的孔洞在tx时间的体积。tx所代表的时间满足:表 示孔洞平均距离。
(4)计算孔洞聚集过程形成的脱粘区的半径(即孔洞最终半径) Rc:
4.2、形貌观测。
对于经历不同热循环数的试样,用扫描电子显微镜或原子力显微 镜进行形貌观测,考察涂层表面破损情况。用扫描电子显微镜观测涂 层截面,了解涂层与基体或中间层脱粘区域的面积。
步骤五、涂层脱落失效的判断,可以分为以下几步进行:
5.1、脱粘门槛值及寿命的计算。
(1)计算涂层的脱粘门槛值(图3):
其中,Dc为脱粘区直径(即Dc=2Rc),h为涂层厚度,σ为脱粘 区域涂层最顶部的最大压应力,νf为涂层材料的泊松比,Ef为涂层材 料的弹性模量;
(2)计算涂层的预计失效前时间(TTF)和涂层的剩余寿命tr:
tr=TTF-tu;
其中,tu为涂层已经使用或贮存的时间,tr为涂层的剩余寿命,νf为涂层材料的泊松比,Ef为涂层材料的弹性模量,n(TTF)和p(TTF) 分别为预计失效前时间孔洞内部气体摩尔数和压强;
(3)涂层的损伤百分比D可以近似表示为:
其中,tu为涂层已经使用或贮存的时间,TTF是涂层的预计失 效前时间。
5.2、根据步骤四中试样的观测结果,确定此试样所处于的状态, 判断其是否失效,并得到失效所对应的循环次数及老化时间。如未失 效,可以增加涂层热循环次数,直到最终达到脱粘门槛值(失效状态)。 观测实际老化的样品,对应得到预计失效前时间,并对涂层剩余寿命 和损伤百分比进行预测。
具体实施方式三:本实施方式中对在Ni-Fe合金高温基体上制备 的掺有少量硼的SiO2陶瓷涂层进行热循环老化实验,并对涂层表面 利用扫描电子显微镜观测,具体方法如下:
步骤一、涂层材料的预处理。
将涂层利用线切割或其他切割方法,割成大约10mm×10mm的 试样。用丙酮将试样在超声波清洗机中清洗10~15min,再用酒精清 洗表面及边缘,并用吹风机吹干。
步骤二、环境气氛和涂层初始状态分析。
取出一个未经热循环的试样,利用扫描电子显微镜观测截面情 况,得到孔洞的初始参数(根据图4可以观测到孔洞的大小和距离 等),并假设涂层存放在常压下(p(t∞)=1atm)。
步骤三、热循环加载。
如图1所示,本实例中选取实验的温度参数为:低温250℃,高 温450℃,升温速率2℃/min,降温速率5℃/min,在高低温分别保温 1h为一个循环。如表1所示,每组试样的循环数分别为:0,2,5, 10,18,30,50。
表1试样循环数
按照实验方案中设定的实验参数为管式炉编程,将试件每5个一 组装入已经标号的真空管中,放入实验装置,将实验装置与大气连通。
开启管式炉,进行热循环加速老化实验。每到达预订的循环次数 时,暂停加热并取出一组试样。
经历10次热循环后,得到图5所示的孔洞长大聚集后的形貌, 孔洞直径约为20μm,此时涂层未脱落,涂层的损伤百分比D≈20%。
经历50次热循环后,得到图6所示的涂层脱落形貌。取出试样 后,可以利用压痕法测定涂层材料的弹性模量,利用文献得到其泊松 比,并计算脱粘门槛值,脱粘区直径约为75μm,与计算得到的脱粘 区直径相近。
机译: 用于测试加速老化的实验陶瓷材料的模拟器
机译: 用于测试加速老化的实验陶瓷材料的模拟器
机译: 用于测试加速老化的实验陶瓷材料的模拟器