[发明专利]涂层内部残余应力的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种残余应力的测定方法，具体地说，是涉及一种测定涂层内部残余应力的方法。

背景技术

由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因，涂层与基体会随着温度的改变而发生形变，并且在涂层内部产生残余应力，而这些残余应力会严重影响涂层的一些主要性能，如耐剥落性能、疲劳寿命、结合强度等。因此，为了提高涂层的使用寿命和机械完整性，预测涂层内部残余应力值和应力状态有着重要的工程意义。

目前，公知的求取单层涂层残余应力的方法有：采用涂层、基体的变形协调条件，来获得单层涂层由于温差效应而导致的热残余应力理论解。

但随着涂层技术的发展，多层涂层的设计思想已经纳入到了涂层的制备中，而且这种多层涂层已经在现代工业中得到了广泛的应用，如热障涂层(Thermal BarrierCoating)，其就是由金属打底层和陶瓷顶层组成的多层结构。但是，由于变形协调条件的限制，多层涂层残余应力闭合解的获取难度随着涂层层数的增加而增加。在这种情况下，很多涂层内部残余应力值的获取一般采用两种方法：1、简化求解条件，如假定涂层内部各层弹性模量相等，但是这些简化会给涂层最终的残余应力值计算带来一定的误差。2、有限元法，但有限元法是基于材料强度理论发展而来的，通常会高估构件中的残余应力。

而且，为了降低多层涂层内部相邻层之间的物性参数差异引起的失配应变，降低涂层内部各层之间的应力不连续，近几年，具有较好复合性能的功能梯度涂层被广泛应用。功能梯度涂层一般都具有较多的层数，因而涂层内部的残余应力是影响功能梯度涂层性能的关键因素之一，所以，如何精确获得功能梯度涂层的残余应力也是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂层内部残余应力的测定方法，该方法采用弹性力学测定出涂层各层内部的残余应力值，为涂层制造前的优化设计提供了理论依据。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种涂层内部残余应力的测定方法，适用于涂层结构处于平面应变状态，其特征在于，它包括如下步骤：

1)确定温差ΔT，待测涂层的层数n，基体的厚度t_s、有效弹性模量热膨胀系数α_s，和涂层各层的厚度t_i、有效弹性模量热膨胀系数α_i，下标i表示多层涂层的第i层涂层，下标s表示基体；

2)根据上面得到的参数，计算弯矩轴线到涂层与基体界面的距离δ、曲率K，以及涂层各层平面力引起的平面方向的应变分量下标i表示多层涂层的第i层涂层；

3)根据界面协调条件和涂层结构力与弯矩的平衡条件，将得到的距离δ、曲率K、应变分量代入公式ε_i＝ε_i⁰+K(z+δ)，从而计算出涂层各层的应变ε_i，其中，0≤z≤t_c，z为沿厚度方向的坐标，t_c为整个涂层厚度；

4)根据公式σi=Ei′ϵi,]]>计算出涂层各层内部的残余应力σ_i。

若所述涂层为功能梯度涂层，与基体接触的第1层涂层的材料为A，第n层涂层的材料为B，在第1层到第n层之间的涂层为材料A与B的混合成分，且沿涂层厚度方向呈阶梯变化，那么，

所述涂层各层的有效弹性模量由下式计算得出，