基于應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度演變機(jī)制的涂層壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種涂層壽命的預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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 期貯存的過程中會(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題，對導(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。
[0003] 涂層中的應(yīng)力是其生產(chǎn)、制備和服役過程中普遍存在的現(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。
[0004] 涂層在制備及服役過程中會(huì)經(jīng)歷高溫、低溫交替的過程，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，涂層在貯存過程中由于孔結(jié)構(gòu)的存在，使過渡層很 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)，在研究涂層長貯的過程中，對應(yīng)力演變的 研究是十分重要并且必要的。
[0005] 但是目前的研究僅僅是研究力學(xué)性能，是比較片面的。目前還沒有一種全面客觀 的涂層壽命預(yù)測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決目前還沒有一種全面客觀的涂層壽命預(yù)測方法的問題。
[0007] 基于應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度演變機(jī)制的涂層壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一、建立殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系；根據(jù)時(shí)間 變化關(guān)系，將殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力一時(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)力一時(shí)間變化關(guān)系，即涂層應(yīng)力演變物理模型；
[0009] 步驟二、熱循環(huán)加速試樣老化：
[0010] 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);
[0011] 步驟三、XRD衍射及數(shù)據(jù)處理：
[0012] 采用X射線衍射儀對人工加速老化的試樣i = (1，2, 3，...，N)進(jìn)行衍射測試， 采用sin2也法分別對試樣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；
[0013] 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 值一時(shí)間關(guān)系；
[0014] 將涂層應(yīng)力演變物理模型與試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系進(jìn)行對比，針對人工加速老化 的試樣i= (1，2, 3,???，N)，找到試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系對應(yīng)應(yīng)力下的涂層應(yīng)力演變物理 模型的時(shí)間，記為tu，同時(shí)找到相同應(yīng)力下的試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系的時(shí)間，記為tl2，以

作為人工加速老化的試樣i= (1，2, 3,. ..，N)的加速倍數(shù)： 最終加速倍數(shù)；
[0015] 步驟四、劃痕實(shí)驗(yàn)建立結(jié)合強(qiáng)度演變過程：
[0016]采用劃痕儀對人工加速老化的試樣i= (1，2, 3,...，N)進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試，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)度一老化時(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 應(yīng)的時(shí)間作為人工加速老化的試樣壽命1 ;
[0017] 步驟五、預(yù)測涂層壽命：
[0018] 以L=試樣壽命1*最終加速倍數(shù)左作為的預(yù)測壽命。
[0019] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0020] 本發(fā)明通過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)測涂層壽命的準(zhǔn)確率可達(dá)95%以 上。
【附圖說明】
[0021] 圖1為YSZ熱障涂層系統(tǒng)參考溫度一時(shí)間函數(shù)關(guān)系圖；
[0022] 圖2為YSZ熱障涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系圖；
[0023] 圖3為氧化層與過渡層厚度關(guān)系示意圖；
[0024] 圖4為YSZ熱障涂層系統(tǒng)氧化層應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系圖；
[0025] 圖5為YSZ熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)力演變物理模型圖；
[0026] 圖6為YSZ熱障涂層系統(tǒng)人工加速老化試樣的試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系圖；
[0027] 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中剝落的臨界載荷圖；
[0028] 圖8為根據(jù)YSZ熱障涂層系統(tǒng)結(jié)合強(qiáng)度檢測值進(jìn)行線性擬合的擬合圖，即結(jié)合強(qiáng) 度一老化時(shí)間關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：
[0030] 基于應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度演變機(jī)制的涂層壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟一、建立殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系；根據(jù)時(shí)間 變化關(guān)系，將殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系和氧化層應(yīng)力一時(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)力一時(shí)間變化關(guān)系，即涂層應(yīng)力演變物理模型；
[0032] 步驟二、熱循環(huán)加速試樣老化：
[0033]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);
[0034] 步驟三、XRD衍射及數(shù)據(jù)處理：
[0035] 采用X射線衍射儀對人工加速老化的試樣i = (1，2, 3, ...，N)進(jìn)行衍射測試， 采用sin2也法分別對試樣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；
[0036]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 值一時(shí)間關(guān)系；
[0037] 將涂層應(yīng)力演變物理模型與試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系進(jìn)行對比，針對人工加速老化 的試樣i= (1，2, 3, ???，N)，找到試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系對應(yīng)應(yīng)力下的涂層應(yīng)力演變物理 模型的時(shí)間，記為tu，同時(shí)找到相同應(yīng)力下的試樣應(yīng)力值一時(shí)間關(guān)系的時(shí)間，記為tl2，以

f乍為人工加速老化的試樣i= (1，2, 3,. . .，N)的加速倍數(shù) 最終加速倍數(shù)；
[0038] 步驟四、劃痕實(shí)驗(yàn)建立結(jié)合強(qiáng)度演變過程：
[0039]采用劃痕儀對人工加速老化的試樣i= (1，2, 3,...，N)進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試，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)度一老化時(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 應(yīng)的時(shí)間作為人工加速老化的試樣壽命1 ;
[0040] 步驟五、預(yù)測涂層壽命：
[0041] 以L=試樣壽命1*最終加速倍數(shù)I作為的預(yù)測壽命。
【具體實(shí)施方式】 [0042] 二：
[0043] 本實(shí)施方式步驟一中獲得涂層應(yīng)力演變物理模型的具體操作步驟如下：
[0044] 步驟1、采集涂層服役或者儲(chǔ)存環(huán)境的溫度一時(shí)間函數(shù)關(guān)系，以最低溫度為參考溫 度，獲得參考溫度一時(shí)間函數(shù)關(guān)系；
[0045] 步驟2、建立殘余應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系：以24小時(shí)為一個(gè)溫度變化周期，根據(jù)厚基 底上彈性一理想塑性薄膜模型簡化涂層系統(tǒng)，根據(jù)熱應(yīng)力計(jì)算公式巧=771/, 建立 殘余應(yīng)力一溫度周期變化模型，并結(jié)合參考溫度一時(shí)間函數(shù)關(guān)系，獲得殘余應(yīng)力一時(shí)間變 化關(guān)系；
[0046] 步驟3、建立氧化層應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系：根據(jù)氧化層和過渡層的變形協(xié)調(diào)方程 (變形約束方程），獲得氧化層應(yīng)力一時(shí)間變化關(guān)系；
[0047] 步驟4、建立涂層應(yīng)力演變物理模型：根據(jù)時(shí)間變化關(guān)系，將殘余應(yīng)力一時(shí)間變化 關(guān)系和氧化層應(yīng)力一時(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)力一時(shí)間變化關(guān)系， 即涂層應(yīng)力演變物理模型。
[0048]認(rèn)為涂層中的應(yīng)力由制備、貯存時(shí)由溫度變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，與貯存時(shí)過渡層 氧化產(chǎn)生的氧化層應(yīng)力組成；其中，殘余應(yīng)力為熱殘余應(yīng)力，與材料系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)、楊 氏模量、泊松比等材料參數(shù)有關(guān)；由于考慮陶瓷涂層，構(gòu)造塑性力學(xué)模型，對熱殘余應(yīng)力 建.立應(yīng)力一溫度歷程，并考慮貯存中溫度一時(shí)間為循環(huán)變化；對于氧化層應(yīng)力，認(rèn)為與氧 化層厚度有關(guān)，而氧化層厚度隨時(shí)間增長而加厚，從而建立氧化層應(yīng)力一時(shí)間的物理模型； 將二者疊加，得到圖層中應(yīng)力的演變機(jī)制，即涂層應(yīng)力演變物理模型。
[0049] 其它步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0050] 三：
[0051] 本實(shí)施方式步驟1中獲得參考溫度一時(shí)間函數(shù)