試論高溫涂層材料力學(xué)性能研究

蔣博涵

(湖南省長沙市周南中學(xué)高二 410005)

高溫涂層材料是一種涂抹在其他材料表面的材料，例如陶瓷、玻璃、金屬等，可以幫助其涂抹的材料在高溫環(huán)境下服役.高溫涂層材料在航空事業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此要對高溫涂層材料的各種性能進(jìn)行準(zhǔn)確把握，物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能都是影響高溫涂層材料的使用性能，其中對力學(xué)性能的合理有效地評估能夠幫助判斷航空事業(yè)中高溫涂層材料在服役過程中，所能承受的復(fù)雜的工作環(huán)境條件.本文將針對高溫涂層材料力學(xué)性能方面進(jìn)行簡要闡述.

一、高溫涂層材料的力學(xué)性能研究

1.高溫涂層力學(xué)性能影響因素

高溫涂層材料一般有陶瓷、玻璃、金屬等材質(zhì)，其中與力學(xué)相關(guān)的性能涉及到粘結(jié)層和熱氧化層的力學(xué)性能，其中蠕變強(qiáng)度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等是高溫涂層應(yīng)力條件的主要影響因素.

(1)高溫涂層蠕變強(qiáng)度

高溫涂層材料蠕變強(qiáng)度是指材料在某一溫度條件下，經(jīng)過一定的時間，蠕變量不超過一定限度，所能承受的最大允許應(yīng)力，高溫涂層材料在服役過程中會因環(huán)境以及時間的變化而產(chǎn)生變化，涂層的氧化膜表面會選擇性的發(fā)生一些氧化反應(yīng)，這一過程會產(chǎn)生生長應(yīng)力以及熱應(yīng)力等，隨著時間的推移以及氧化反應(yīng)的持續(xù)，涂層和氧化膜的彈性會逐漸發(fā)生變化.高溫涂層材料的服役溫度條件一般超過800℃，所以如果能夠?qū)ν繉拥娜渥兲卣鳒?zhǔn)確評估，將有助于對涂層的服役壽命進(jìn)行判斷.

(2)高溫涂層彈性模量和屈服強(qiáng)度

彈性模量是指材料在承受外界作用力時會發(fā)生形變(形狀的改變)，稱之為“應(yīng)變”，單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以這個方向的應(yīng)變被稱之為彈性模量.彈性模量是形容材料彈性的物理量.屈服強(qiáng)度是指材料發(fā)生屈服現(xiàn)象所達(dá)到的屈服極限，也可以表示為材料抵抗微量塑性變形所產(chǎn)生的應(yīng)力.

高溫涂層材料的應(yīng)變屈服性能通過彈性模量和屈服強(qiáng)度來反映，是高溫涂層材料涂層壽命重要的力學(xué)參量，主要是受短時外加載荷作用的影響.彈性模量和屈服強(qiáng)度受溫度影響較大，隨溫度的升高會逐漸降低，特別是在高溫材料涂層的溫度不斷趨近韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，彈性模量和屈服強(qiáng)度降低更加明顯.不同的涂層材料其彈性模量不同，其中MCrAIY涂層材料主要是受涂層成分的影響，溫度對其彈性模量影響不大.涂層/基體界面力學(xué)性能不連續(xù)性會影響涂層的使用效果，可能是導(dǎo)致涂層過早脫落的原因，另外，冶金成分的不均勻性也會導(dǎo)致高溫涂層提前脫落，導(dǎo)致高溫涂層材料出現(xiàn)裂紋.

2.涂層的應(yīng)力分布

涂層的應(yīng)力分布被許多高溫涂層材料研究者作為研究對象，其中一些研究者利用有限元分析方法對高溫涂層材料工作環(huán)境進(jìn)行模擬，測試高溫涂層材料隨著時間推移以及熱循環(huán)次數(shù)的增加的應(yīng)力變化.在實(shí)驗(yàn)過程中會建立相應(yīng)的模型，而模型一般會為了方便計算將其理想化，陶瓷層/粘結(jié)層界面假設(shè)有一定的幅值，并且波長為正弦波形式，熱氧化層的生長是沿著這個理想化的界面.后期計算應(yīng)該考慮熱氧化層的應(yīng)力松弛，金屬粘結(jié)層的塑性變形，熱氧化層的生長應(yīng)力以及陶瓷層/粘結(jié)層熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力.分析計算結(jié)果，在氧化層剛開始發(fā)生氧化時，金屬粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)為最大，熱應(yīng)力在“正弦波”的波峰位置產(chǎn)生.氧化時間不短增加，熱氧化層會不斷增厚，熱應(yīng)力從波峰位置不斷轉(zhuǎn)向波谷位置，這也就表明了裂紋在逐漸擴(kuò)展，由波峰位置不斷擴(kuò)展到波谷位置，裂紋會不斷生長.

有限元的模擬實(shí)驗(yàn)室考慮了一些影響因素對于應(yīng)力松弛的影響，例如涂層蠕變會產(chǎn)生應(yīng)力松弛，另外在熱循環(huán)高溫保溫階段也會使氧化膜產(chǎn)生應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛產(chǎn)生時生長應(yīng)力也會受到影響，生長應(yīng)力會在熱氧化膜發(fā)生松弛時被釋放；陶瓷層的蠕變速率一般小于熱氧化層，所有生長應(yīng)力的釋放速率也會相對較小，而生長應(yīng)力的釋放有助于抑制裂紋的擴(kuò)展.研究結(jié)果表明，應(yīng)力松弛對于涂層應(yīng)力狀態(tài)有很大影響，對于應(yīng)力狀態(tài)有很大改善作用，對于涂層的服役時間的延長起到積極的作用.

也有一些研究者采用非有限元模型進(jìn)行研究，例如研究者研究時利用功能梯度材料的高階理論，采用此方法對高溫涂層的應(yīng)力分布進(jìn)行研究.研究的過程主要是將粘結(jié)層分為兩種，均質(zhì)以及不均質(zhì).這種模擬方法得出的結(jié)論為：與實(shí)際情況比較接近的是不均質(zhì)的粘結(jié)層，而均質(zhì)的粘結(jié)層相差較遠(yuǎn).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，均質(zhì)條件下界面所處的正應(yīng)力量更大，而不均質(zhì)的與之相比則比較小，同時不均質(zhì)條件時的剪切應(yīng)力和非彈性應(yīng)變力更大，因此得出結(jié)論采用均質(zhì)粘結(jié)層存在很多局限性.

通過建立模型的方式對于應(yīng)力分布雖然存在一些缺陷，但是對于涂層的實(shí)際應(yīng)用提供了一些可供參考的理論依據(jù)，另外，涂層實(shí)際服役環(huán)境一般比較復(fù)雜，受多種因素的影響，建模的過程中還應(yīng)多考慮一些現(xiàn)實(shí)服役過程中可能存在的因素，對于涂層力學(xué)性能進(jìn)行全面評估，以方便其在服役過程中更具安全性、長久性等優(yōu)良性能.

綜上所述，高溫涂層材料一般情況下需要持續(xù)在高溫環(huán)境下工作，工況環(huán)境一般也是多載荷大應(yīng)力，這使得高溫涂層的力學(xué)性能越來越受到重視.高溫涂層材料的力學(xué)性能受多種因素影響，例如彈性模量、高溫蠕變等.對于高溫涂層材料的力學(xué)性能研究現(xiàn)階段取得了一定的成果，但是還存在許多可以改進(jìn)和發(fā)展的方向，例如可以考慮納米亞入技術(shù)或劃入技術(shù)等，需要更多的研究者投入更多的時間和精力對高溫涂層材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究.