陶瓷及其陶瓷涂層材料的力學性能材料的宏微觀力學性能

1、1會計學陶瓷及其陶瓷涂層材料的力學性能材料陶瓷及其陶瓷涂層材料的力學性能材料的宏微觀力學性能的宏微觀力學性能13.1 陶瓷材料概述陶瓷材料定義 由金屬和非金屬元素或單質(zhì)組成的具有共價鍵、離子鍵或混合鍵結(jié)合特性的晶態(tài)或非晶態(tài)無機非金屬材料的總稱。1. 現(xiàn)代陶瓷材料2. 范圍和種類 它既包括了各種氧化物、復(fù)合氧化物和各種硅酸鹽，還包括碳化物、硅化物、氮化物、硼化物、金屬間化合物?，F(xiàn)代還把金屬陶瓷，單質(zhì)無機材料如金剛石、石墨和單晶硅等統(tǒng)統(tǒng)歸入陶瓷范疇，使陶瓷成為種類和晶種極多的一個材料大家族，與金屬、高分子有機材料共同構(gòu)成當代三大固態(tài)工程材料。陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)相分布晶粒尺寸晶粒形狀氣

2、孔大小和分布雜質(zhì)缺陷晶界陶瓷材料由晶相、玻璃相、氣相組成。陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)晶相是陶瓷材料的主要組成相，決定陶瓷材料的物理化學特性玻璃相是非晶態(tài)低熔點固體相，起黏結(jié)晶相、填充氣孔、降低燒結(jié)溫度等作用。氣相和氣孔是陶瓷材料在制備過程中由于原料微粒堆積不夠致密而必然出現(xiàn)的現(xiàn)象。 氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)是陶瓷晶體中最重要的兩類結(jié)構(gòu)。它們的共同特點是結(jié)合鍵主要是離子鍵，含一定比例的共價鍵；有確定的成分，可以用確定的分子式表示。不同種類、不同粒度、不同數(shù)量、不同形狀和分布的主晶相、非晶相和氣相，就組成了具有不同物理化學性能的千百種陶瓷材料。陶瓷材料的熱物理性能1. 密度2. 熱膨脹系數(shù)3. 熔點4. 導電

3、性絕大多數(shù)陶瓷材料的相對密度在2.54.0 之間 由于陶瓷晶體是由共價鍵、離子鍵組成，故陶瓷材料的熔點一般很高。 陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)一般都很小，進而可以體現(xiàn)其熱穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性都很好。 陶瓷材料電化學性能也是多種多樣的，包括導電陶瓷、半導體陶瓷、絕緣或介電陶瓷以及超導陶瓷 。13.2 陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的彈性變形 絕大多數(shù)陶瓷材料在室溫下拉伸或彎曲，均不產(chǎn)生塑性變形，即彈性變形階段結(jié)束后立即呈脆性斷裂特征。 陶瓷材料的塑性變形1.常溫條件：一般的陶瓷材料由于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在室溫下沒有塑性； 2.高溫條件： 由于溫度升高，陶瓷材料的強度下降，因而表現(xiàn)出部分塑性變形。3. 陶瓷材料超塑

4、性變形1)定義： 在一定的溫度和應(yīng)力作用下，材料顯示出非常高的塑性變形率，其拉伸變形量可達百分之幾百。 2) 類型 一種是相變超塑性，它是由于溫度變化經(jīng)過相變點因相變而產(chǎn)生的超塑性行為，如方氧化鐵多晶體(TZP)是最典型的超塑性陶瓷。 另一種是結(jié)構(gòu)超塑性，它是晶粒具有等軸形狀的均勻細晶粒材料在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的超塑性行為，故也稱細晶超塑性。 陶瓷材料的超塑性變形3) 產(chǎn)生超塑性條件I晶粒細小，其臨界尺寸范圍約I晶粒是等軸的；I第二相彌散分布，能抑制高溫下基體晶粒生長；I晶粒間存在液相或無定形相。 nm500200陶瓷材料的塑性變形 晶粒尺寸和晶界的性質(zhì)是影響陶瓷材料超塑性的主要因素。細晶粒超塑

5、性機理是晶界滑移，晶粒尺寸越小，晶界越多，高溫下越容易產(chǎn)生晶界滑移，變形量越大，表現(xiàn)出高的超塑性。在超塑性變形過程中，變形前后的超細晶粒并非保持不變，由于應(yīng)變和高溫的聯(lián)合作用，材料顯微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象。 陶瓷材料的塑性變形4) 影響超塑性因素內(nèi)在因素外在因素晶粒尺寸、顯微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性應(yīng)變速率、變形溫度陶瓷材料的硬度與磨損陶瓷材料硬度 1.定義及類型 它是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。常見的硬度指標有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、維氏硬度(HV)、顯微硬度(HM)、莫氏硬度、努普硬度(HK)等。 1)可沿用金屬材料硬度測試方法；2)實驗方法及設(shè)備簡便，試樣小而經(jīng)濟；3)硬度作

6、為材料本身的物性參數(shù)，可以獲得穩(wěn)定的數(shù)值；4)維氏硬度測定的同時，可以測得斷裂韌性。 2. 陶瓷材料硬度的測定方法有如下優(yōu)點： 在陶瓷材料中常用維氏硬度、顯微硬度和莫氏硬度。 3. 陶瓷材料的硬度公式維氏硬度顯微硬度4. 莫氏硬度分級順序表2854. 1dPFPHv2854. 1dPHM順序材料順序材料順序材料1滑石6正長石11熔融氧化鋁2石膏7玻璃12剛玉3方解石8石英13碳化硅4螢石9黃玉14碳化硼5磷灰石10石榴石15金剛石陶瓷材料耐磨性 1. 定義耐磨性是指材料抵抗對偶件摩擦或磨料磨損的能力。 在任何運轉(zhuǎn)的機器中，各部分部件之間發(fā)生相對運動，即彼此間發(fā)生滑動或滾動摩擦或兩者并存的摩擦，

7、在摩擦作用下發(fā)生系列機械、物理、化學的相互作用，以致使機件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)損耗，這種現(xiàn)象稱為磨損。 2. 特點 陶瓷材料磨損量的大小跟接觸面的光滑度或顆粒尺寸、磨損面的正壓力有關(guān)。表面越光滑，顆粒間的滑移運動越小。磨損率隨撞擊角度的增加而增加，隨相對速度增加而增加。此外，陶瓷的磨損還與材料的相對硬度、強度、彈性模量、密度以及環(huán)境等因素有關(guān)。 陶瓷材料的斷裂韌性及測試方法陶瓷材料的靜態(tài)韌性陶瓷材料的靜態(tài)韌性即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按照下式計算：EWi2/2 (13.4)特點： 陶瓷材料的斷裂強度并不比鋼的屈服強度高，但是其彈性模量卻比鋼的高，因此陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。陶瓷材料的

8、斷裂韌性1.陶瓷材料裂紋擴展抗力可以按照下列公式估算： 2/121/2vEKIC (13.5)2. 陶瓷材料型裂紋的應(yīng)力強度因子和斷裂韌性可按下式計算aYK Y為無量綱因子，取決于裂紋幾何形狀、試樣形狀及加載方式， 為斷裂韌性aYKfCCK陶瓷材料斷裂韌性測試方法1. 單邊切口梁法(single edge notched beam，簡稱SENB法)陶瓷材料斷裂韌性測試方法2. 雙懸臂梁法(double cantilever, 簡稱DCB法)、陶瓷材料斷裂韌性測試方法3. 雙扭法(double torsion，簡稱DT法)、陶瓷材料斷裂韌性測試方法4. 短棒法(short bar和short r

9、od，簡稱SB，SR法)，其中短棒法開了V形內(nèi)切口，故又稱CN法(chevron notch)，SB法SR法CN法陶瓷材料斷裂韌性測試方法5. 壓痕法IM(indentation method)1. 單邊切口梁法abWPLYK223abWLLPYK22123三點彎曲 四點彎曲 44332210WaAWaAWaAWaAAY 測定值比較穩(wěn)定，如果切口寬度能控制在以下 ，可得到可比性較好又比較接近真實值的 值。單邊切口梁法優(yōu)點 數(shù)據(jù)分散性小，重復(fù)性較好，試樣加工和測定方法比較簡單 mm2 . 0CK 該方法適用于高溫或不同介質(zhì)和氣氛中試驗。存在的問題： 斷裂韌性受切口寬度的影響，其值隨切口寬度的增大

10、而增大 5. 壓痕法測量斷裂韌性半月型裂紋 巴氏裂紋 5 . 124 . 06 . 0109. 2caEHKC5 . 2/ac5 . 14 . 06 . 0572. 0acEHKC5 . 2/25. 0al壓痕法的優(yōu)點： 最大的優(yōu)點是無需特別制備專門試樣，可利用很小的試樣即可測試，即在測試維氏硬度的同時便可獲得值， 為了減少用壓痕法測定相變增韌陶瓷斷裂韌性值帶來的誤差，對上面兩式進行修正 5 . 124 . 06 . 0109. 20083. 01caEHEVKcfcc5 . 14 . 06 . 0572. 00083. 01acEHEVKcfcc半月型裂紋 巴氏裂紋 5 . 2/ac5 .

11、2/25. 0al陶瓷材料的強度1. 定義 材料強度是指材料在一定載荷作用下發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力值。 2. 特點 由于陶瓷材料無塑性，陶瓷強度主要指它的斷裂強度 。f式中 為理論斷裂強度， 為彈性模量， 為材料表面比能， 為原子間距離。作為數(shù)量級粗略估計，若原子間距離 ，材料中的裂紋長度 ，則帶裂紋體的斷裂強度 僅為無裂紋體理論強度的萬分之一。cEv0amma8010mma1 . 0210aEvc理想晶體的斷裂強度為 c陶瓷材料的抗彎強度 抗彎強度是指矩形界面在彎曲應(yīng)力作用下受拉面斷裂時的最大應(yīng)力，加載方式分為三點彎曲和四點彎曲兩種 。三點彎曲 2323bhFLf四點彎曲 2423bhlLFf

12、陶瓷材料的抗壓強度 陶瓷材料的抗壓強度又稱壓縮強度，是指一定尺寸和形狀的陶瓷試樣在規(guī)定的試驗機上受軸向應(yīng)力作用破壞時，單位面積上所承受的載荷或是陶瓷材料在均勻壓力下破碎時的應(yīng)力。 AFc/試樣要求：試樣尺寸一般為高:直徑2:1，每組試樣為10個以上。 陶瓷材料的抗拉強度 陶瓷材料由于脆性大，在拉伸試驗時易在夾持部位斷裂，加之夾具與試樣軸心不一致產(chǎn)生附加彎矩，因而往往測不出陶瓷材料真正的抗拉強度。 故陶瓷材料一般主要以抗彎強度和抗壓強度為陶瓷強度參考依據(jù)。 影響陶瓷材料強度的主要因素陶瓷材料強度影響因素 微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的形狀和大小試樣本身的尺寸和形狀應(yīng)變速率環(huán)境因素受力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)陶瓷材料的

13、熱沖擊1. 定義 由于溫度急劇變化引起的器件熱脹冷縮，在材料內(nèi)產(chǎn)生很大的瞬態(tài)熱應(yīng)力，以極大的速度和沖擊形式作用在物體上，成為熱沖擊。 因此，熱沖擊斷裂與損傷是工程陶瓷材料失效的主要方式之一，也是評價工程陶瓷材料使用性能的一種重要性能指標。2. 抗熱震性 它指材料承受溫度驟變而不破壞的能力 ，材料的抗熱震性是其力學性能和熱學性能的綜合表現(xiàn)。 分類： 2. 在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開裂，隨之裂紋擴展，導致材料強度降低，最終整體破壞，稱為熱震損傷。 1. 由熱震引起的瞬時斷裂，稱為熱震斷裂； 3) 當熱應(yīng)力導致的儲存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋成核和擴展所需的新增表面能時，裂紋就形成和擴展。隨

14、著反復(fù)的加熱、冷卻，裂紋擴展，強度急劇降低，機件局部有可能發(fā)生剝落或崩裂，這就是熱震損傷的過程。陶瓷材料的抗熱震性通常用抗熱震參數(shù)表征。影響因素及特征 1) 陶瓷材料的抗熱震性不僅受幾何因素、環(huán)境介質(zhì)的影響，同時也取決于材料的強度和斷裂韌度。在各種熱環(huán)境下引起的熱應(yīng)力，以及與之相應(yīng)的應(yīng)力強度因子是熱震破壞的動力。 2) 當材料固有的強度不足以抵抗熱震溫差引起的熱應(yīng)力時，將導致材料瞬時熱震斷裂。抗熱震斷裂1. 熱震斷裂 當溫度急變引起的熱沖擊應(yīng)力超過了材料的固有強度，則發(fā)生瞬時斷裂， 2. 溫度劇變引起的熱應(yīng)力vTEt13. 抗熱震系數(shù) 一般將表面熱應(yīng)力達到材料固有強度作為臨界狀態(tài)，臨界溫差就為

15、抗熱震系數(shù)fcEvTR1(13.19) 對于緩慢加熱和冷卻的陶瓷材料，其抗熱震斷裂參數(shù)為：KREvKRf1抗熱震損傷1. 定義 在熱沖擊應(yīng)力作用下，構(gòu)料出現(xiàn)開裂、剝落，直至碎裂或整體斷裂的熱損傷過程。 2.熱震損傷理論 它基于斷裂力學理論，分析材料在溫度變化條件下的裂紋成核、擴展及抑制等動態(tài)過程，以熱彈性應(yīng)變能 和材料的斷裂能 之間的平衡條件作為熱震損傷的判據(jù)( )。 UW UW3.熱震損傷參數(shù)2 1fvER 抗熱震損傷性能好的材料應(yīng)該具有盡可能高的彈性模量，斷裂表面能和盡可能低的強度。這些要求正好與高熱震斷裂抗力的要求相反。 (13.21)陶瓷材料的蠕變1. 蠕變定義回顧材料在恒應(yīng)力作用下，

16、隨時間的增長而持續(xù)發(fā)展的變形過程。 而對于脆性陶瓷材料，在常溫下一般不發(fā)生或很少發(fā)生塑性變形就發(fā)生脆性斷裂，但是隨著溫度的升高和時間的延長，陶瓷材料在一定程度上將顯示出塑性變形能力。陶瓷材料蠕變機理 金屬材料蠕變機理基本適用于陶瓷材料 ，但是陶瓷材料一般是多晶體材料，還具有其自己的特點。 1) 空位擴散流動(擴散蠕變) 對于不含第二相物質(zhì)的陶瓷材料，其蠕變機理主要受擴散蠕變控制。該機理認為蠕變是在外應(yīng)力作用下的空位定向擴散過程 。由于切應(yīng)力作用，導致晶體內(nèi)空位濃度重新分布，進而引起穿越晶體的空位流動，如圖13.5所示KTVCCexp0 (13.22) 由于一個空位離去或一個原子進入晶粒邊界所引

17、起的形變，即從晶界AC和BD兩側(cè)每單位面積有一個原子擴散到AB和CD側(cè)所產(chǎn)生的應(yīng)變，稱該現(xiàn)象為應(yīng)力誘發(fā)空位擴散。 那保羅(Nabarro)和阿瑞林(Herring)計算出晶粒擴散蠕變速率表達式為21KTdVDBg(13.23) 如果擴散沿晶界發(fā)生，即沿晶界擴散模型(如圖13.5(b)，柯伯Coble的擴散蠕變速率計算公式如下32KTdVDBb (13.24) 2)晶界滑移u多晶體陶瓷晶界是晶格點陣的畸變區(qū)，起著缺陷和阱的作用，也是化學組成的微不均勻帶，易于富集雜質(zhì)，形成玻璃相或微晶相。同時，晶界是應(yīng)力集中處，所以相鄰晶粒間的滑移是陶瓷高溫蠕變的一種重要微觀過程。 u晶界滑移的根源是塑性流動。當

18、晶界處含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)的第二相物質(zhì)，液相晶界的擴散系數(shù)與第二相物質(zhì)的熱激活性有關(guān)如果液相層具有適當?shù)暮穸?、且晶界兩?cè)晶粒的不規(guī)則程度對切變過程不起阻礙作用，蠕變速率具有牛頓粘滯的特征，并受到處于張應(yīng)力下的晶界分離速率的控制。 u如果晶界的不規(guī)則程度比較嚴重，且晶界層的厚度較薄，蠕變速率為非牛頓粘滯流動，此時蠕變速率應(yīng)與晶界處空穴的形成和三交點處裂紋的生長相聯(lián)系；所以塑性流動只是晶界滑移的部分原因。這類晶界滑移機理是由于在高溫條件下，位錯沿著晶界或在晶界附近作滑移和攀移運動。陶瓷材料蠕變實驗 近來Radovic等人在溫度為100012000C和應(yīng)力為10MPa100MPa范圍內(nèi)研究了粗晶粒的

19、Ti3SiC陶瓷材料拉伸蠕變性能 .RTmolkJs/12458exp117exp1 . 00 . 2001min (13.25)主要實驗結(jié)果：1)位錯蠕變(Dislocation Creep)是主要破壞機制。 2)在蠕變過程中由于Ti3SiC陶瓷材料的高塑性各向異性產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力。 3)在陶瓷材料內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力的不斷積聚和釋放，最終內(nèi)應(yīng)力是兩者競爭的結(jié)果。 Carrre等人在高溫環(huán)境12000C下研究了復(fù)合材料 的高溫蠕變行為。用化學氣相滲透法(Chemical Vapor Infiltration，簡稱CVI)制備了二維的 復(fù)合陶瓷材料。 CBSiSiC/CBSiSiC/陶瓷材料的疲勞1

20、. 分類1) 靜態(tài)疲勞，相當于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料的耐用應(yīng)力隨時間下降的現(xiàn)象。 陶瓷材料的疲勞3) 循環(huán)疲勞是在循環(huán)載荷作用下，陶瓷材料發(fā)生低應(yīng)力斷裂 2) 動態(tài)疲勞是以恒定載荷速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性。 靜態(tài)疲勞 陶瓷材料的亞臨界裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子之間的關(guān)系， nIAKdtda1) 對于大多數(shù)高性能陶瓷材料，在靜疲勞過程中，并不出現(xiàn)典型的三階段， 2) 在靜態(tài)疲勞裂紋擴展實驗中，裂紋擴展速率曲線的斜率為應(yīng)力腐蝕指數(shù)，用不同的方法測量n值會得到不同的結(jié)果 動態(tài)疲勞 在陶瓷疲勞研究領(lǐng)域中，動態(tài)疲勞是指通過改變其加載速率來獲得裂紋擴展參數(shù)的試驗方

21、法，該方法最早由查利斯(Charles)提出，其后埃文斯(Evans)加以發(fā)展。 由于裂紋速度是應(yīng)力強度團子的冪函數(shù)，故有： 2/nnnnIaAYAKdtda2211nfncnfbB211ncnfnB動態(tài)疲勞實驗的特點在于可以方便地測定n值 13.3 高性能陶瓷涂層的力學性能 隨著航天航空、船舶、工業(yè)化工、汽車制造等行業(yè)發(fā)展，人們逐漸認識到將陶瓷材料粉末制備成陶瓷涂層后，不僅擴大陶瓷材料的應(yīng)用范圍，而且還能解決許多重要的實際問題。在這里，我們將著重介紹其中一種重要高性能陶瓷涂層熱障涂層。1. 背景超合金基底粘結(jié)層陶瓷涂層熱障涂層材料(thermal barrier coating, 簡稱TBC

22、 熱障涂層(thermal barrier coatings, 簡稱TBCs)，也稱熱屏蔽涂層，是現(xiàn)代航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。其基本原理是基于陶瓷材料具有高熔點、熱傳導率低、蒸汽壓低、低的輻射率和高的反射率等特點，采用等離子噴涂技術(shù)(ASP)或者電子束輔助的物理氣相沉積法(EB-PVD)等制備工藝，將陶瓷粉末噴涂或者沉積在航空發(fā)動機熱端部件(如火焰筒、加力燃燒室、渦輪葉片、火箭噴嘴等)的高溫合金表面，制備出一層絕熱陶瓷涂層，使得高溫部件(合金)與高溫燃氣隔絕開來，以降低高溫部件的工作溫度，并保護高溫部件免受燃氣的高溫腐蝕和沖蝕，大大延長高溫部件的使用壽命。 陶瓷涂層的制備工藝等離子體噴涂陶瓷

23、涂層1. 噴涂工藝過程1)對噴槍的陰極和陽極材料的腐蝕性要盡可能小，以獲得盡可能長的噴槍使用壽命。2)在噴涂過程中，不與被噴涂的涂層材料發(fā)生有害反應(yīng)，從而對涂層帶來不利影響。3)容易分解、離子化，使起弧容易。4)有足夠的熱焓，能保證等離子火焰獲得非常高的溫度。5)在等離子噴涂持續(xù)過程中，弧焰比較穩(wěn)定。目前常用的等離子體氣體有氬氣、氫氣、氮氣。2. 要求和條件等離子體噴涂陶瓷涂層工藝對等離子氣體必須滿足以下條件3. 等離子體噴涂工藝的優(yōu)點：I1)涂層存在孔隙率，能夠有效緩解涂層和基體之間的熱膨冷縮問題。I2)制備成本低。I3)沉積速度很快，能夠沉積毫米級的厚涂層。 目前制備熱噴涂陶瓷涂層應(yīng)用最廣

24、泛的是等離子噴涂工藝電子束輔助的物理氣相沉積1. 沉積工藝過程 電子束輔助的物理氣相沉積(EB-PVD)陶瓷涂層，是利用高能電子槍產(chǎn)生的高能電子束，將坩鍋中的爐料熔化并蒸發(fā)成蒸汽，再通過物理氣相沉積處理將其沉積到基體表面上，形成陶瓷涂層。整個工藝過程都在一個真空室內(nèi)進行。 2. 工藝優(yōu)點A1)在真空條件和基體處于高溫的情況下，陶瓷涂層與基體結(jié)合強度高。A2)其晶體的生長方向和晶界方向均垂直于基體表面，這種結(jié)構(gòu)具有很高的抗高速燃氣沖刷而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的能力，因而大大提高了陶瓷涂層抗沿平行于界面方向產(chǎn)生剝落的能力，使其抗剝落壽命比等離子噴涂涂層提高58倍。A3)涂層致密、硬度高。由于涂層

25、硬度提高，使EBPVD陶瓷涂層的耐磨性比等離子噴涂涂層的提高近2倍。A4)涂層表面光潔。經(jīng)EBPVD沉積的陶瓷涂層，表面粗糙度很小，不需要廣飾處理。A5)使用壽命長，應(yīng)用EBPVD法制備的陶瓷涂層使用壽命比等離子噴涂制備的高3倍。3. 工藝缺點1)熱導率高，由于涂層十分致密，使涂層的熱傳導性能提高，絕熱屏蔽效果降低。2)成本高。3)沉積速度慢，特別難以沉積毫米級的厚涂層。納米基ZrO2陶瓷涂層(SPS法)1. 工藝過程 采用鋯酸鹽溶液作為等離子噴涂的原料，將霧化的微細液滴饋送入等離子火焰中，經(jīng)蒸發(fā)、破碎、膠凝、沉淀、熱解、燒結(jié)等作用，在基體上沉積出具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層。這種方法稱為溶液等離子

26、噴涂(SPS)法， 2. 工藝優(yōu)點1)能獲得納米級晶粒，涂層與基底結(jié)合強度得到很大提高。 2)具有均勻的納米級和微米級孔隙，這使看似非常致密的納米涂層成為十分微細的“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)，因而具有很好的絕熱性能。 3)熱穩(wěn)定性強。 4) 產(chǎn)生縱向裂紋，涂層結(jié)構(gòu)與EBPVD沉積的柱狀晶結(jié)構(gòu)的性能相似，具有很高的抗高速燃氣沖刷而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的能力， 5)生產(chǎn)成本低， 6)具有滿意的抗熱震性和高的使用壽命。陶瓷涂層的微觀結(jié)構(gòu)典型的熱噴涂ZrO2-Y2O3熱障涂層的橫截面顯微照片典型的EB/PVD ZrO2-Y2O3熱障涂層 的橫截面顯微照片陶瓷涂層過渡層基底陶瓷涂層過渡層基底高性能陶瓷涂層的力學

27、性能涂層的彈性模量和泊松比的測定方法：懸臂梁試樣測量法 由于等離子體噴涂固有的存在殘余應(yīng)力的特性，而殘余應(yīng)力對等離子體噴涂的結(jié)合強度和粘結(jié)失效起重要作用，因此，測定涂層在殘余應(yīng)力作用下的抗變形能力即測定彈性模量和泊松比就十分重要。 涂層拉伸結(jié)合強度1.測試目的： 測定熱障陶瓷涂層與基底界面之間沿法線方向抗拉伸應(yīng)力的結(jié)合強度(adhesive strength)，實驗試樣示意圖如圖13.17所示， 2.試樣尺寸規(guī)格 用等離子體噴涂工藝制備試樣，陶瓷涂層厚度為350微米，過渡層厚度為150微米，基底厚度為1.5毫米和3.0毫米3. 陶瓷涂層拉伸試驗結(jié)果0, 0, 0sin216331123221M

28、QPMPhAIPMIhMAhPcGLKcc在這里4. 陶瓷涂層拉伸破壞后SEM微觀觀察拉伸實驗后涂層截面形貌圖涂層彎曲實驗1.實驗方法：四點彎曲法測涂層界面結(jié)合強度2. 試樣制備及尺寸規(guī)格 用等離子體噴涂工藝制備試樣，陶瓷涂層厚度為440微米，過渡層厚度為100微米，基底厚度分別為1.5毫米、3.0毫米和5.0毫米3. 實驗裝置4. 理論模型利用SuoHutchinson力學模型：bLLPMPMPhAIPMIhMAhPcG4/, 0, 0, 0sin2160331123221在四點彎曲實驗中有：bhLLPCMbhLLPCP440302等效彎矩為：等效拉力為：則可以得到涂層能量釋放率和應(yīng)力強度因

29、子的計算公式。5. 實驗結(jié)果5. 實驗結(jié)果涂層的熱疲勞實驗1. 實驗裝置2. 試樣制備F形狀：圓柱形試樣FNonFGM和FGM兩種類型實驗3. 實驗結(jié)果由激光加熱引起的nonFGM和FGM熱障涂層的垂直裂紋和界面剝離、脫落(a)nonFGM在經(jīng)過6次熱疲勞循環(huán)后的結(jié)果(b) FGM在經(jīng)過3次熱疲勞循環(huán)后的結(jié)果 該圖為激光熱疲勞實驗中的溫度歷史曲線和AE監(jiān)測器得到的結(jié)果。涂層的屈曲破壞實驗1. 屈曲破壞機理基底過渡層陶瓷涂層氧化層(TGO)界面氧化機理涂層過渡層氧化層新的a涂層屈曲破壞l用線切割的方法把基底切割成40mm5mm5mm的試樣l在金屬基底上噴涂0.1mm的粘結(jié)層l遮擋住樣品兩端，在中

30、部噴涂氧化鋁涂層，其厚度不能超過10ml去除遮擋物，噴涂陶瓷涂層2.制備含界面裂紋的試樣3. 熱循環(huán)氧化實驗處理試樣樣品標號樣品標號加熱溫度（加熱溫度（） 保溫時間（保溫時間（h）循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)冷卻方式冷卻方式A11000151空氣冷卻空氣冷卻A21000121空氣冷卻空氣冷卻A51000110空氣冷卻空氣冷卻B51000120空氣冷卻空氣冷卻A81000122空氣冷卻空氣冷卻B81000122水冷卻水冷卻A10100062空氣冷卻空氣冷卻B10100062水冷卻水冷卻4.實驗裝置加載裝置：萬能實驗機加熱裝置：氧乙炔噴槍測溫裝置：熱電偶觀察裝置：攝像頭 數(shù)碼相機 實驗過程中對樣品進行加熱，同時用熱電偶測量陶瓷表面與基底溫度。開始加熱時，先對整個樣品陶瓷表面進行預(yù)熱，然后將氧乙炔火焰集中在樣品缺陷部位進行加熱。同時通過熱電偶控制溫差。