高温合金粘结层的高温蠕变试验

高温合金是一种经过特殊设计的材料，在高温下使用时可保持较高的蠕变抗力和强度。目前，它们是由十几种或更多元素的复合材料制成的。为了进一步提高它们的性能，它们通常涂上由陶瓷组成的热障涂层（TBC）。这在部件周围提供了一个保护膜，保护部件免受恶劣环境和热量的影响。亚博网站下载

TBC高温合金粘结是通过粘结层进行的，粘结层是通过将合金在氧气环境中长期保持在高温条件下而产生的。当形成键时，氧通过扩散以不同的速率向合金中移动，同时构成合金的各种其他元素以相应的向外扩散。因此，微观结构是多层和复杂的，在氧化物TBC和内部金属基底之间产生坚固和耐腐蚀的结合。

所有材料亚博网站下载的力学性能都会随着温度的变化而发生可测量的变化，这意味着必须使用一组广泛的温度参数来评估任何粘结涂层的性能。这在生成具有更好机械性能的先进高温合金的模型和设计时至关重要。在大多数情况下，粘结层的厚度只有几微米，这使得在单个隔离层上使用传统的蠕变试验变得困难或不可行。

本文描述了对粘结涂层的机械性能与温度和时间关系的研究结果，旨在阐明各种高温合金成分之间发生的复杂相互作用及其使用条件。

图1。横截面样品表面的SPM图像，显示已表征的粘结层。使用用于执行测试的相同探针头收集图像，允许非常精确的测试定位。

程序

在本实验中，通过在空气中加热，在基于镍（CM-247LC）的市售超级合金样品上形成了按成分分级的粘结层。如图1中的SPM图像所示，将其横截面切割并抛光，以便可以看到微观结构的各层。每个分区都有不同的表面纹理。

第一个区(区1)是由合金组成的W和Cr析出在NiAl基体。区域2由Pt、Ni和Al固溶体组成。两层均在25°C至750°C的不同温度下进行纳米压痕蠕变试验。

具体的技术是动态蠕变试验，在这种情况下，采用220 Hz的特定参考频率的小振荡，将其叠加在载荷函数(准静态)上，以便在试验期间连续测量接触刚度。参考蠕变试验结果依赖于接触面积和接触刚度之间的关系，从而给出材料在长时间内的性能测试值。

在本实验中，采用纳米压痕法在25°C、500°C、650°C和750°C下进行1500秒的区1和区2蠕变试验。这些设备app亚博体育包括海思创^®TI 980摩擦压头^®带有xSol®加热台和用于压痕的Berkovich探针。

后果

仪器的原位SPM成像采集有助于选择和确认蠕变测试纳米压痕的位置。图2显示了650°C下SPM图像的一个实例。从两个区域的每个温度下的蠕变试验中获得的数据值如图3（顶部）所示。它们揭示了当准静态载荷恒定时，压痕深度随时间的增加而增加。图3（底部）显示了硬度如何随着压痕深度的增加而降低。

基线测量通过在25°C下进行相同试验获得，因为室温蠕变预计最小。随着温度的升高，硬度从初始值开始下降，蠕变迅速增加。下式显示了蠕变在稳态状态下的变化：

式中ε为应变率：

A是一个比例常数

m是应力指数

Q是活化能

R是气体常数

T是绝对温度。

蠕变机理表明，当进行参考蠕变试验时，应力指数m和/或活化能Q刚度值持续可用。因此，应变速率是在连续的基础上确定的，如下所示：

其中k是接触刚度。

代表性应力假定为硬度或平均接触压力。为了计算应力指数m，使用log ε•相对于log H的斜率，如图4(上)所示。在测试的最初阶段，在100-200秒内，log ε•与log H曲线有一个短暂的非线性行为。这在图4(顶部)中没有显示，因为它不是一个稳定状态的观察。

图4（底部）显示了应力指数m如何随温度变化，表明在区域1中测试的整个温度范围可能主要具有相同的蠕变机制，但在区域2中，m值显示出较大的变化，这可能表明在这个区域有不止一个机制在竞争。

图2。在650°C下采集的2区压痕的SPM图像。

图3。(上)各温度的蠕变数据显示了试验过程中压痕深度的演变。(下)在每个温度下硬度随时间的衰减与压痕深度的增加有关。

图4。（顶部）每个蠕变试验的应变率与应力，显示应力指数的计算方法。（底部）区域2的变化应力指数表明蠕变机制发生变化，而区域1的一致结果表明蠕变机制不变。

结论

纳米压痕蠕变试验测量的使用允许使用非常小的体积（在由多层组成的复杂系统中只有一层）来研究材料的蠕变特性。当nanoDMA®III测试与主机上的xSol高温台一起使用时Hysitron TI 980装置，可在高达800°C的温度下，对所选研究层进行长时间精确测量。

本信息来源于Bruker Nano Surfaces提供的材料，经过审查和改编。亚博网站下载

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