試論高溫涂層材料力學性能研究

蔣博涵

(湖南省長沙市周南中學高二 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境下服役.高溫涂層材料在航空事業中發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行準確把握，物理性能、化學性能、力學性能都是影響高溫涂層材料的使用性能，其中對力學性能的合理有效地評估能夠幫助判斷航空事業中高溫涂層材料在服役過程中，所能承受的復雜的工作環境條件.本文將針對高溫涂層材料力學性能方面進行簡要闡述.

一、高溫涂層材料的力學性能研究

1.高溫涂層力學性能影響因素

高溫涂層材料一般有陶瓷、玻璃、金屬等材質，其中與力學相關的性能涉及到粘結層和熱氧化層的力學性能，其中蠕變強度、彈性模量、屈服強度等是高溫涂層應力條件的主要影響因素.

(1)高溫涂層蠕變強度

高溫涂層材料蠕變強度是指材料在某一溫度條件下，經過一定的時間，蠕變量不超過一定限度，所能承受的最大允許應力，高溫涂層材料在服役過程中會因環境以及時間的變化而產生變化，涂層的氧化膜表面會選擇性的發生一些氧化反應，這一過程會產生生長應力以及熱應力等，隨著時間的推移以及氧化反應的持續，涂層和氧化膜的彈性會逐漸發生變化.高溫涂層材料的服役溫度條件一般超過800℃，所以如果能夠對涂層的蠕變特征準確評估，將有助于對涂層的服役壽命進行判斷.

(2)高溫涂層彈性模量和屈服強度

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

高溫涂層材料的應變屈服性能通過彈性模量和屈服強度來反映，是高溫涂層材料涂層壽命重要的力學參量，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變溫度時，彈性模量和屈服強度降低更加明顯.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/基體界面力學性能不連續性會影響涂層的使用效果，可能是導致涂層過早脫落的原因，另外，冶金成分的不均勻性也會導致高溫涂層提前脫落，導致高溫涂層材料出現裂紋.

2.涂層的應力分布

涂層的應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境進行模擬，測試高溫涂層材料隨著時間推移以及熱循環次數的增加的應力變化.在實驗過程中會建立相應的模型，而模型一般會為了方便計算將其理想化，陶瓷層/粘結層界面假設有一定的幅值，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.后期計算應該考慮熱氧化層的應力松弛，金屬粘結層的塑性變形，熱氧化層的生長應力以及陶瓷層/粘結層熱膨脹系數不匹配產生的熱應力.分析計算結果，在氧化層剛開始發生氧化時，金屬粘結層的熱膨脹系數為最大，熱應力在“正弦波”的波峰位置產生.氧化時間不短增加，熱氧化層會不斷增厚，熱應力從波峰位置不斷轉向波谷位置，這也就表明了裂紋在逐漸擴展，由波峰位置不斷擴展到波谷位置，裂紋會不斷生長.

有限元的模擬實驗室考慮了一些影響因素對于應力松弛的影響，例如涂層蠕變會產生應力松弛，另外在熱循環高溫保溫階段也會使氧化膜產生應力松弛，應力松弛產生時生長應力也會受到影響，生長應力會在熱氧化膜發生松弛時被釋放；陶瓷層的蠕變速率一般小于熱氧化層，所有生長應力的釋放速率也會相對較小，而生長應力的釋放有助于抑制裂紋的擴展.研究結果表明，應力松弛對于涂層應力狀態有很大影響，對于應力狀態有很大改善作用，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力分布進行研究.研究的過程主要是將粘結層分為兩種，均質以及不均質.這種模擬方法得出的結論為：與實際情況比較接近的是不均質的粘結層，而均質的粘結層相差較遠.實驗發現，均質條件下界面所處的正應力量更大，而不均質的與之相比則比較小，同時不均質條件時的剪切應力和非彈性應變力更大，因此得出結論采用均質粘結層存在很多局限性.

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

綜上所述，高溫涂層材料一般情況下需要持續在高溫環境下工作，工況環境一般也是多載荷大應力，這使得高溫涂層的力學性能越來越受到重視.高溫涂層材料的力學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性能研究現階段取得了一定的成果，但是還存在許多可以改進和發展的方向，例如可以考慮納米亞入技術或劃入技術等，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性能進行研究.