[发明专利]用于界面高温变形测量的微尺度散斑制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域，尤其是涉及一种可用于界面高温热冲击变形测量的微尺度耐高温散斑的制作方法。

背景技术

在高温热冲击作用下，耐高温复合材料由于材料各层间的热膨胀系数不匹配、或材料内部存在温度梯度，会在材料内部产生热失配应力，当热失配应力达到一定值时就可能造成材料破坏，如发生脱层、断裂等。通过实验手段测量耐高温复合材料在热冲击下界面区域的热变形场，对研究耐高温复合材料的性能具有重要意义。

数字图像相关方法是在上个世纪80年代初由美国南卡罗莱纳州大学(University of South Carolina)的Peter和Ranson最早提出的，是一种基于试件表面散斑图像分析获得被测表面变形场的测量方法。数字散斑相关方法具有非接触、全场测量、操作简单和灵敏度高等优点，且经过长期的发展，已经有了很多成熟的商用数字图像相关的处理软件，使测量更加简便。其在常温下的变形测量技术得到了很好的发展及应用，在高温热冲击下应用的研究也相继展开。Lyons.J.S等于1996年提出通过在试件表面沉积、制作高温散斑斑点的基于DIC技术研究高温全场变形的方法(Lyons S,Liu J,Sutton M A,Exp.Mech.(1996)36:64-70)。2006，K.Zarrabi和Z.Lu发展了使用抗高温的（耐750℃）喷漆来制作散斑斑点，利用基于DIC的机器视觉系统分析变形的高温变形测量系统，可用于600℃的高温变形测量(Zarrabi K and Lu Z,Materials Forum(2006)30:49-54)。2009，一种通过蓝光照亮和滤波技术抑制黑体辐射影响的可用于1400°C的高温应变场测量技术发表(Grant B M B,Stone H J等，J.Strain Anal.Eng(2009)44:2041-3130)。高温DIC测量方法在电厂的安全与寿命检测中也起到关键作用(Latini V，Striano V等SPIE,Bellingham,Wash(2007),ETATS-UNIS)。2011年，潘兵等人采用高温无机胶混合氧化钴制作散斑并结合滤光技术和蓝光照明手段测量了铬镍奥氏体不锈钢试样的热膨胀系数(Pan B,Wu D F等,Meas.Sci.Technol.(2011)22:015701)。前人的研究表明：通过光学滤波技术可以有效抑制黑体辐射对图像灰度的影响。

通过在试件待测区域制作清晰可辨的耐高温微尺度散斑，采用光学滤波技术与显微镜头结合可进行材料界面区域的微米尺度的高温变形测量，提高其在热冲击下微区域变形测量的潜力。

但现有的耐高温散斑制作技术存在很多不足之处，尤其在反差较大的两种材料的界面或复合材料界面的耐高温微尺度散斑的制作更是一大难题，例如在具有广泛应用前景的热障涂层界面区域如何制作耐高温的微尺度散斑。

现有的高温数字图像相关法使用高温漆/高温胶结合高温颗粒做散斑，这些制斑方法有一定的局限性。高温漆制作的散斑的耐热温度在750℃以下，在更高温度下高温漆会被氧化并脱落，且散斑颗粒较大，颗粒尺度为亚毫米量级，仅适用于宏观试件的宏观变形测量，达不到1100℃高温下界面微区域测量的要求。高温无机胶混合耐高温颗粒做散斑的方法是通过高温无机胶把耐高温颗粒粘附在试件表面。当试件的热膨胀系数和高温无机胶的热膨胀系数接近时，这种方法适用于高温下的热变形测量，但当试件的热膨胀系数和高温无机胶的热膨胀系数差异较大时，测量得到的热变形受到胶层的变形的影响，而掩盖了试件本身的热变形，此时，这种制斑方法就不再适用，尤其是在测量热障涂层界面这种各层材料属性差别较大的微区域附近的热变形时，胶层的变形对界面的变形测量影响更大。如图3所示，测量在1100℃高温冲击作用下热障涂层界面附近的变形场，热障涂层厚度为500μm，要精确测量涂层界面附近的变形，需要使用显微镜头配合的显微DIC测量方法；而热障涂层界面附近的颜色主要分为黑白两色，黑色的为基底和过渡层，白色的为陶瓷涂层，涂层与基底俩者颜色差别过大，很难把相机调节到一个的合适的曝光量，使得整个界面附近成像清晰，从图4所示的灰度直方图可以看出图像灰度成两级分化，涂层界面附近的纹理不足以作为相关计算的散斑图。