热障涂层弹性模量和残余应力测试研究

采用数字图像相关法实验研究了热喷涂制作的热障涂层的弹性模量和残余应力。首先,采用三点弯测试方法对热障涂层试件进行加载,并利用二维数字图像相关方法对热障涂层试件加装过程中的弯曲变形进行了精确的测量,进而获得了热障涂层在受拉和受压两种状态下的弹性模量,结果表明,受拉时热障涂层试件陶瓷层的弹性模量为31GPa,而受压时其弹性模量为34GPa。其次,基于内力平衡,推导了考虑曲率变化的涂层残余应力计算公式;利用三维数字图像相关法测量了喷涂前后基体曲率的变化,进而获得了涂层残余应力的大小,结果表明,热喷涂后的热障涂层残余应力为压应力,大小为-86^-70MPa。     

热障涂层层裂断裂性能的研究

热障涂层在高温工作环境下,由于热梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效.本文针对热障涂层层裂问题,考虑温度梯度引起的热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的三种存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析.结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大.     

热障涂层力学性能的实验测试方法研究进展

涂层-基体体系作为高温热障防护结构被广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动机叶片上, 主要作用是抵抗高温燃气, 保护基体材料. 在服役过程中, 涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性. 长期以来, 热障涂层力学性能的实验测试方法是国内外研究者关注的重点. 首先分析了导致热障涂层失效的失配应力的来源, 重点介绍了热障涂层力学性能研究的实验测试方法、仪器和针对界面脱粘检测的红外热像技术, 接着概述了热障涂层寿命预测方法, 最后分析当前研究中存在的问题, 并对未来的发展的一些方向和有待于进一步研究的问题作了总结.     

基于圆筒模型的热障涂层安定分析

热载荷作用下,由于热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 各层材料的热不匹配以及材料参数的温度相关等因素,会使热障涂层界面区域存在复杂的应力应变场,影响系统安定性,并导致涂层开裂和剥落. 将热障涂层外凸和内凹微观界面结构简化为多层圆筒模型,借助经典机动安定定理,利用特雷斯卡(Tresca) 屈服准则和增量破坏准则处理对时间的积分问题,避免了常规安定性分析的数学规划问题,建立了热障涂层安定极限分析方法,将材料屈服强度随温度变化关系简化为双线性关系,利用补偿变换的方法简化求解过程,对典型热障涂层安定性进行了研究. 结果表明,利用基于圆筒的安定极限分析方法,能够方便求解安定极限,便于工程应用;热障涂层安定极限值明显高于弹性设计值,且界面外凸区域安定极限高于内凹区域极限值,结构首先在内凹处失效;圆筒模型基体曲率和涂层厚度越大,结构安定极限越高,分析结果与试验结果一致;所建立的热障涂层安定分析方法,对进一步研究考虑蠕变因素影响的热障涂层安定性具有重要意义.      

泡沫金属压痕试验的数值模拟及其反演

在理论研究的基础上,将泡 沫金属压痕试验的有限元数值模拟结果与用无量纲分析法构造出的一系列无量纲函数相结 合,建立了泡沫金属压痕试验中载荷-压痕深度关系曲线与泡沫金属的弹塑性材料参数之 间的联系. 利用这种联系,就可以实现用压痕试验通过反演分析来确定泡沫金属的材料参数. 研究结果表明,泡沫金属材料的杨氏模量,屈服强度及塑性可压缩因子等参数均可由其压痕 试验唯一的确定,但其塑性平台区终点应变的确定还需进一步的研究.     

TiAl合金表面热障涂层的组织结构及其高温磨损性能研究

利用EB-PVD技术在TiA l合金表面制备了扩散铝/YSZ热障涂层.采用SEM、EDS和XRD分析了涂层的微观组织及其相组成,并测试了显微硬度和耐磨性.结果表明：涂层表面YSZ层为致密柱状晶结构,由非平衡四方相t＇-ZrO2组成;涂层结构由表及里依次为YSZ/A l2O3/TiA l3/TiA l2/TiA l;涂层的显微硬度和高温磨损性能显著提高,其高温磨损机理为轻微的犁削和严重的粘附转移,体积磨损率约为TiA l合金磨损率的1/10.     

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．     

含柔性涂层的颗粒增强复合材料弹性模量估计

采用线弹簧型弱界面模型来模拟柔性涂层,研究柔性涂层对复合材料宏观弹性模量的影响.首先利用Mori-Tanaka方法和弱界面球形夹杂问题的弹性解,获得单夹杂内部的平均应力和平均应变,进而求得具有柔性涂层的复合材料的宏观弹性模量,并研究界面柔度对复合材料弹性模量的影响.     

热障涂层的破坏机理与寿命预测

热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料, 其破坏机理与寿命预测是热障涂层研究中急需解决的关键问题. 本文回顾了热障涂层的发展历史与研究现状, 着重介绍了国内外关于热障涂层破坏机理、实验检测技术、实验模拟系统以及寿命预测研究方面的最新成果,展望了热障涂层研究的发展趋势.     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。     

核壳结构PS/CeO2复合微球弹性模量的AFM测定

利用原子力显微镜测定了聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球和核壳结构PS/CeO₂复合微球的力-位移曲线,并根据Hertz接触理论计算了微球样品的弹性模量.结果表明:粒径在120 nm左右的PS微球的平均弹性模量约为2.80 GPa,其数值略低于聚苯乙烯块体材料的弹性模量.复合微球的弹性模量随CeO₂壳层厚度的增加而增大,当CeO₂壳厚分别约为8、12和16 nm时,其平均弹性模量依次约为7.93、8.25和10.67 GPa.与纯氧化铈相比,PS/CeO₂复合微球的弹性模量更接近于聚苯乙烯微球.     

用能量法分析层状材料弹性接触问题

利用能量法分析了层状材料（薄膜／基体）弹性接触问题，得到了具有一阶精度的闭合解，给出了求解薄膜弹性模量和泊松比的表达式，并与有限元的数值解进行了比较。二者比较结果表明：在工程材料范围内，理论解与数值解相差在6％以内；同时表明单相材料中剪切模量与弹性模量之间的关系也适用层状材料中的薄膜材料。在数值解的基础上，讨论了薄膜厚度与压头半径的比值对求解精度的影响，发现此比值对精度影响不大。通过对层状材料等效泊松比与等效弹性模量的定义，给出了用压痕实验测定薄膜泊松比与弹性模量的方法。     

用粘性边界有限元法分析弹性半无限地基中的动力问题

本文使用设置粘性边界单元的有限元方法，分析了简谐集中激振力产生的地表位移反应，刚性基础及桩基础的阻抗函数等半无限地基中的动力问题。计算结果与其他数值分析方法结果的比较表明，粘性边界单元的有限元方法适用于分析弹性半无限地基中的动力问题。本文还讨论了有限元网格尺寸及模型大小对计算结果的影响。     

带有哑铃状扁平形试件的杆杆型冲击拉伸试验系统的三维弹塑性有限元分析

对带有哑铃状扁平形试件的杆杆型冲击拉伸试验系统,建立了含有个物理和几何间断面（包括内部交界面）的三维弹塑性有限元模型,采用动态增量非线性有限元程序ＡＤＩＮＡ对该模型进行了数值分析。在弹塑性框架内初步论证了杆杆型冲击拉伸试验装置一维测试原理有效性及其近似成立的条件,并与文献「１」进行了比较。