一种利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法与流程

本发明涉及工程材料
技术领域：
，具体涉及一种利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法。
背景技术：
：材料是人类物质文明的基础，它支撑着其他各项新技术的前进，航天航空、海洋工程、生命科学和系统工程等国民经济生产领域都需要各类结构和功能材料。随着科学技术的发展以及某些极端条件的实现，各种新型材料迅速发展并广泛用于高
技术领域：
，这对使用材料的可靠性、实用性能等要求更加严格。例如，在航天航空热防护领域，随着发动机向高推重比发展，发动机的设计进口温度不断提高，涡轮前进口温度也大幅提升，对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求，研究高温合金材料及热障涂层材料在高温环境下的氧化机理对改善其温度使用极限、提高发动机工作温度具有极其重大的作用。因此，开展对材料在室温及高温情况下的氧化行为的机理研究迫在眉睫。目前研究材料高温氧化可采用多种方法，包括氧化动力学测量和氧化反应产物形貌检测。这些方法基于氧化过程动力学，通过对反应产物的组成和形貌，以及金属或合金基体材料进行仔细检测，探究氧化过程的本质即氧化机制。上述氧化动力学测量方法通过连续称量试件氧化过程中的重量变化，或者通过测量反应气体的消耗速率来测量氧化反应速率；反应产物形貌检测手段则包括使用扫描电子显微镜，X射线光谱仪或者透射电子显微镜来分析反应产物的微小形貌特征或者产物组成。然而，在目前的研究中，缺乏在微米和纳米级别对材料氧化过程(即氧化速率)进行实时监测的方法，导致氧化过程的观测与分析缺乏微观尺度的实时演化数据。技术实现要素：因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术缺乏在微米和纳米级别对材料氧化速率进行实时监测的方法的缺陷。为此，本发明提供了一种利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法，该方法包括如下步骤：在目标温度下对试件进行纳米压痕实验，获得所述试件未被氧化时基体的弹性模量Es，所述试件被氧化时所形成氧化膜-基体的实时弹性模量Er，以及所述试件被氧化所形成氧化膜厚度达到预设值时氧化膜的弹性模量Ef；根据Es、Ef、Er、实时压痕深度值h计算得到所述试件被氧化时的实时氧化膜厚度d，并利用公式计算得到所述试件被氧化时的实时氧化速率其中,Δt为时间间隔,Δd为在Δt时间间隔内实时氧化膜厚度的变化值。作为优选，利用公式1和公式2计算得到所述试件被氧化时的实时氧化膜厚度d，公式1为：其中，P为所述试件被氧化时实时载荷值，α为压头形状的特征角，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值；公式2为：其中，P为所述试件被氧化时实时载荷值，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值，为公式1求导得到的载荷对位移的导数，α为压头形状的特征角，Er为氧化膜-基体的实时弹性模量；根据公式1求导得到载荷P对位移h的导数，将其带入公式2的左端，即可得到一个关于Es、Ef、Er、h、d的等式，而Es、Ef、Er、h都是已知的，即可反推出试件被氧化时的实时氧化膜厚度d。作为优选，获得Es、Er和Ef的步骤包括：将所述试件置于纳米压痕仪的载台室中，并向所述载台室中通入保护气体以使所述试件不被氧化，以及将所述载台室升至所述目标温度，再对所述试件进行纳米压痕实验获得Es；降低所述保护气体的通入量或者停止通入所述保护气体，以使所述试件表面开始被氧化，再对所述试件进行纳米压痕实验获得Er；所述试件被氧化所形成氧化膜厚度达到预设值时，再对所述试件表面的氧化膜进行纳米压痕实验获得Ef。作为优选，所述保护气体包括氩气或氮气。作为优选，将所述试件置于纳米压痕仪的载台室之前，将所述试件表面抛光至满足纳米压痕实验的要求。作为优选，获得所述试件被氧化所形成氧化膜厚度达到预设值时氧化膜的弹性模量Ef的步骤中，所述预设值为d预设,所述纳米压痕实验的压痕深度为h，那么d预设≥10h。作为优选，所述目标温度的范围为20℃到1200℃。本发明技术方案，具有如下优点：本发明提供的利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法，通过纳米压痕仪测量试件在不同状态下的弹性模量Es、Er、Ef，结合纳米压痕的膜-基理论，实现了对试件在微米及纳米尺度下的氧化速率的实时在线测量，对于研究材料在微纳米尺度下的表面氧化行为具有重要的意义。而且，由于仪器的测量精度可达纳米级，因而能够实现氧化初期对材料氧化速率的评估，也能够研究材料在室温及高温下的氧化行为。本发明提供的利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法，通过调节保护气体的气流速度控制氧化速率，最后结合纳米压痕的膜-基理论，可以实现试件上氧化层的生长、演化等过程进而实现对材料在微尺度、常温及高温情况下氧化速率的测量。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施方式提供的利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法的流程图；图2为所述试件被氧化时所形成氧化膜-基体中氧化膜厚度的示意图。图中：1-基体；2-氧化膜；3-压痕实验前表面轮廓；4-压痕实验后表面轮廓；5-压头示意图；P-试件被氧化时实时载荷值；h-所述试件被氧化时实时压痕深度值；hc-压痕实验的接触深度；a1-压头与基体材料接触区投影半径；a2-压头与氧化膜接触区投影半径。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。如图1所示，本实施例提供的利用高温纳米压痕仪实时测量材料氧化速率的方法包括以下步骤：(a)将所述试件表面抛光至满足纳米压痕实验的要求。其目的是提高材料表面的光洁度，以保证步骤b的顺利进行。(b)将所述试件置于纳米压痕仪的载台室中，并向所述载台室中通入保护气体以使所述试件不被氧化，以及将所述载台室升至所述目标温度，再对所述试件进行纳米压痕实验获得Es。(c)降低所述保护气体的通入量或者停止通入所述保护气体，以使所述试件表面开始被氧化，再对所述试件进行纳米压痕实验获得Er。(d)停止通入所述保护气体,设定所述试件被氧化所形成氧化膜厚度的预设值，当达到预设值后再对所述试件表面的氧化膜进行纳米压痕实验获得Ef。(e)利用公式1和公式2计算得到所述试件被氧化时的实时氧化膜厚度d，公式1为：其中，P为所述试件被氧化时实时载荷值，α为压头形状的特征角，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值。公式2为：其中，P为所述试件被氧化时实时载荷值，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值，为公式1求导得到的载荷对位移的导数，α为压头形状的特征角，Er为氧化膜-基体的实时弹性模量。(f)利用公式计算得到所述试件被氧化时的实时氧化速率其中,Δt为时间间隔,Δd为在Δt时间间隔内实时氧化膜厚度的变化值。本实施例提供的上述方法通过调节保护气体的气流速度控制氧化速率，最后结合纳米压痕的膜-基理论，可以实现试件上氧化层的生长、演化等过程进而实现对材料在微尺度、常温及高温情况下氧化速率的测量。上述公式1和公式2是基于膜-基体结构的纳米压痕理论计算而得，其计算过程为：参考图2，图2提供的圆锥形压头中，1为基体，2为氧化膜；3为压痕实验前表面轮廓，4为压痕实验后表面轮廓，5为压头示意图，P为试件被氧化时实时载荷值，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值，hc为压痕实验的接触深度，为a1为压头与基体材料接触区投影半径，a2为压头与氧化膜接触区投影半径。针对图2提供的圆锥形压头有以下关系式：h=∫01f′(x)dx1-x2=∫01a2tanαdx1-x2=∫0π2a2tanαcostdt1-sin2t=π2a2tanα]]>P=Esha2(cosh-1(a2a1)(a2a1)2+1-1-(a1a2)2)+Efha2(-cosh-1(a2a1)(a2a1)2+1-(a1a2)2)]]>S=dPdh=dP/da2dh/da2]]>Er=S2a2]]>引入a1、a2的几何关系式有：π2(a2-a1)tanα=d]]>最终可以推得：P=2Esh2πtanα(cosh-1(hh-d)(hh-d)2+1-1-(h-dh)2)+2Efh2πtanα(-cosh-1(hh-d)(hh-d)2+1-(h-dh)2)dPdh=πtanα4hEr.]]>上述公式中：d为所述试件被氧化时的实时氧化膜厚度，h为所述试件被氧化时实时压痕深度值，Es为所述试件未被氧化时基体的弹性模量，Er为所述试件被氧化时所形成氧化膜-基体的实时弹性模量，P为所述试件被氧化时实时载荷值，hc为压痕实验的接触深度，a1为压头与基体材料接触区投影半径，a2为压头与氧化膜接触区投影半径，Δt为时间间隔,Δd为在Δt时间间隔内实时氧化膜厚度的变化值。本实施例提供的方法中，保护气体为防止氧化发生的气体，包括但不仅限于氩气、氮气等。而且，在步骤(b)中，需要向载台室中通入足够的保护气体，才能使所述试件不被氧化，当然，保护气体的通入量与所采用纳米压痕仪的型号以及试件的耐氧化性能有关，本领域技术人员可以参照现有技术中相关参数设定保护气体的流量。在步骤(c)或(d)中，由于降低所述保护气体的通入量或者停止通入所述保护气体，进而使得试件被氧化。本实施例提供的方法中，所述预设值是指能够对氧化膜进行纳米压痕实验时氧化膜具有的厚度，其值可以根据对材料氧化性能的预估。作为优选，获得所述试件被氧化所形成氧化膜厚度达到预设值时氧化膜的弹性模量Ef的步骤中，所述预设值为d预设,所述纳米压痕实验的压痕深度为h，那么d预设≥10h。也就是说，压痕深度选择在氧化膜厚度的1/10以内，测得的就是氧化膜的弹性模量。这里之所以要求氧化一段时间，氧化膜厚度达到预设值，与纳米压痕仪的精度有关，比如纳米压痕仪测试准确的量程在30-200nm，可能需要氧化膜厚度至少300nm以上才可以做实验测氧化膜性质。上述方法中，纳米压痕仪可连续监测压头压入样品及从样品表面卸载时压头的载荷和位移，在一个完整的加载-卸载回路里得到的载荷-位移数据可被用于分析材料的很多力学性质，比如接触刚度、蠕变、弹性功、塑性功、断裂韧性、应力-应变曲线、疲劳、存储模量及损耗模量等。可适用于有机或无机、软质或硬质材料的检测分析，包括光学薄膜，微电子镀膜，保护性薄等等；基体可以为软质或硬质材料，包括金属、合金、半导体、玻璃、矿物和有机材料等。而且，纳米压痕仪的载台室能够承受很高温度范围内。也就是说，本实施例提供的方法可在不同温度范围对试件进行纳米压痕试验，其温度范围的大小取决于所利用纳米压痕仪的性能。目前，市场上常见的纳米压痕仪中的载台室能够承受高达1200℃，因此此时上述方法所述目标温度的范围可达20℃到1200℃。需要进一步说明的是，控制试件氧化状态的方式跟纳米压痕仪的类型有关。除了本实施例提供的利用保护气体来控制试件氧化状态的方式外，本领域技术人员还可以采用现有技术中其它方式来控制试件氧化状态。对于本发明提供的方法来说，步骤(a)并不是必须的。当试件本身已经满足纳米压痕实验的要求，即可忽略步骤(a)。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页1 2 3