试论高温涂层材料力学性能研究

蒋博涵

(湖南省长沙市周南中学高二 410005)

高温涂层材料是一种涂抹在其他材料表面的材料，例如陶瓷、玻璃、金属等，可以帮助其涂抹的材料在高温环境下服役.高温涂层材料在航空事业中发挥着举足轻重的作用，因此要对高温涂层材料的各种性能进行准确把握，物理性能、化学性能、力学性能都是影响高温涂层材料的使用性能，其中对力学性能的合理有效地评估能够帮助判断航空事业中高温涂层材料在服役过程中，所能承受的复杂的工作环境条件.本文将针对高温涂层材料力学性能方面进行简要阐述.

一、高温涂层材料的力学性能研究

1.高温涂层力学性能影响因素

高温涂层材料一般有陶瓷、玻璃、金属等材质，其中与力学相关的性能涉及到粘结层和热氧化层的力学性能，其中蠕变强度、弹性模量、屈服强度等是高温涂层应力条件的主要影响因素.

(1)高温涂层蠕变强度

高温涂层材料蠕变强度是指材料在某一温度条件下，经过一定的时间，蠕变量不超过一定限度，所能承受的最大允许应力，高温涂层材料在服役过程中会因环境以及时间的变化而产生变化，涂层的氧化膜表面会选择性的发生一些氧化反应，这一过程会产生生长应力以及热应力等，随着时间的推移以及氧化反应的持续，涂层和氧化膜的弹性会逐渐发生变化.高温涂层材料的服役温度条件一般超过800℃，所以如果能够对涂层的蠕变特征准确评估，将有助于对涂层的服役寿命进行判断.

(2)高温涂层弹性模量和屈服强度

弹性模量是指材料在承受外界作用力时会发生形变(形状的改变)，称之为“应变”，单向应力状态下应力除以这个方向的应变被称之为弹性模量.弹性模量是形容材料弹性的物理量.屈服强度是指材料发生屈服现象所达到的屈服极限，也可以表示为材料抵抗微量塑性变形所产生的应力.

高温涂层材料的应变屈服性能通过弹性模量和屈服强度来反映，是高温涂层材料涂层寿命重要的力学参量，主要是受短时外加载荷作用的影响.弹性模量和屈服强度受温度影响较大，随温度的升高会逐渐降低，特别是在高温材料涂层的温度不断趋近韧脆转变温度时，弹性模量和屈服强度降低更加明显.不同的涂层材料其弹性模量不同，其中MCrAIY涂层材料主要是受涂层成分的影响，温度对其弹性模量影响不大.涂层/基体界面力学性能不连续性会影响涂层的使用效果，可能是导致涂层过早脱落的原因，另外，冶金成分的不均匀性也会导致高温涂层提前脱落，导致高温涂层材料出现裂纹.

2.涂层的应力分布

涂层的应力分布被许多高温涂层材料研究者作为研究对象，其中一些研究者利用有限元分析方法对高温涂层材料工作环境进行模拟，测试高温涂层材料随着时间推移以及热循环次数的增加的应力变化.在实验过程中会建立相应的模型，而模型一般会为了方便计算将其理想化，陶瓷层/粘结层界面假设有一定的幅值，并且波长为正弦波形式，热氧化层的生长是沿着这个理想化的界面.后期计算应该考虑热氧化层的应力松弛，金属粘结层的塑性变形，热氧化层的生长应力以及陶瓷层/粘结层热膨胀系数不匹配产生的热应力.分析计算结果，在氧化层刚开始发生氧化时，金属粘结层的热膨胀系数为最大，热应力在“正弦波”的波峰位置产生.氧化时间不短增加，热氧化层会不断增厚，热应力从波峰位置不断转向波谷位置，这也就表明了裂纹在逐渐扩展，由波峰位置不断扩展到波谷位置，裂纹会不断生长.

有限元的模拟实验室考虑了一些影响因素对于应力松弛的影响，例如涂层蠕变会产生应力松弛，另外在热循环高温保温阶段也会使氧化膜产生应力松弛，应力松弛产生时生长应力也会受到影响，生长应力会在热氧化膜发生松弛时被释放；陶瓷层的蠕变速率一般小于热氧化层，所有生长应力的释放速率也会相对较小，而生长应力的释放有助于抑制裂纹的扩展.研究结果表明，应力松弛对于涂层应力状态有很大影响，对于应力状态有很大改善作用，对于涂层的服役时间的延长起到积极的作用.

也有一些研究者采用非有限元模型进行研究，例如研究者研究时利用功能梯度材料的高阶理论，采用此方法对高温涂层的应力分布进行研究.研究的过程主要是将粘结层分为两种，均质以及不均质.这种模拟方法得出的结论为：与实际情况比较接近的是不均质的粘结层，而均质的粘结层相差较远.实验发现，均质条件下界面所处的正应力量更大，而不均质的与之相比则比较小，同时不均质条件时的剪切应力和非弹性应变力更大，因此得出结论采用均质粘结层存在很多局限性.

通过建立模型的方式对于应力分布虽然存在一些缺陷，但是对于涂层的实际应用提供了一些可供参考的理论依据，另外，涂层实际服役环境一般比较复杂，受多种因素的影响，建模的过程中还应多考虑一些现实服役过程中可能存在的因素，对于涂层力学性能进行全面评估，以方便其在服役过程中更具安全性、长久性等优良性能.

综上所述，高温涂层材料一般情况下需要持续在高温环境下工作，工况环境一般也是多载荷大应力，这使得高温涂层的力学性能越来越受到重视.高温涂层材料的力学性能受多种因素影响，例如弹性模量、高温蠕变等.对于高温涂层材料的力学性能研究现阶段取得了一定的成果，但是还存在许多可以改进和发展的方向，例如可以考虑纳米亚入技术或划入技术等，需要更多的研究者投入更多的时间和精力对高温涂层材料的力学性能进行研究.