一种对称涂层残余应力的测定方法与流程

本发明涉及涂层力学性能评价技术领域，尤其涉及一种对称涂层残余应力的测定方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，工程设备及构件的工作条件日益苛刻，对工程材料表面性能要求也越来越高，单一材料很难满足工程需求，各种薄膜或涂层越来越受到重视，并取得重要进展，实现了不同的功能效果，例如，光电薄膜，隐形薄膜，隔热涂层，防腐涂层等。

由于涂层材料与基体材料的热膨胀系数往往不可能完全相同，在高温沉积涂层后冷却至室温过程中，基体与涂层的相互约束会导致膜层中存在残余应力。残余应力的存在会促进界面裂纹的扩展或涂层剥离，故而准确评定涂层中的残余应力对构件的安全性和结构设计至关重要。

然而，残余应力评价和测试的发展远远落后于涂层技术的发展。目前，最广泛采用的涂层残余应力评价方法是基于Stoney公式的曲率测量法。Stoney公式是由Soney于1909年提出的计算界面应力，如下式1所示，

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{E_s{H}^2}{6R(1-v_s)h}---1)$

利用Stoney公式，通过测量基体的曲率，即可求得涂层中的残余应力。然而，对于镀有对称涂层的材料而言，由于其不会发生弯曲变形，导致无法利用Stoney公式计算其残余应力。

本案发明人在解决对称涂层残余应力测定问题过程中，提出通过测量热膨胀系数的方式评价对称涂层残余应力，但该方法仅适用于同温涂层(即基体与涂层在制备时处于同一温度，再同时冷却至室温的涂层，如采用CVD等方式制备的涂层)。对于异温涂层(即基体与涂层在制备时的温度并不相同，例如采用热喷涂等方式制备的涂层)，该方法不能适用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种对称涂层残余应力的测定方法，主要目的是实现对称涂层残余应力的测定，

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种对称涂层残余应力的测定方法，包括如下步骤：

获取待测对称涂层样品的涂层的弹性模量和待测对称涂层样品的基体的弹性模量；

获取待测对称涂层样品单面涂层的厚度和待测对称涂层样品基体的厚度；

获取待测对称涂层样品基体的泊松比；

制备单面涂层样品A，单面涂层样品A的基体的材料与待测对称涂层样品的基体的材料相同，单面涂层样品A的涂层的材料及制备工艺与待测对称涂层样品的涂层的材料及制备工艺相同；

所述单面涂层样品A的宽度和长度与待测双面涂层样品的宽度和长度相等；

所述单面涂层样品A的基体厚度为待测双面涂层样品基体厚度的二分之一，单面涂层样品A的涂层厚度与待测双面涂层样品的单面涂层的厚度相同；

测量单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径；

通过下式计算待测对称涂层残余应力σ_c：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{E_s{H_{1/2}}^2}{6R(1-v_s)h}+\frac{E_c(H_{1/2}+h)}{2R(1-v_c)}$

式中：E_s为待测对称涂层样品的基体的弹性模量，E_c为待测对称涂层样品的涂层的弹性模量，H_1/2为待测对称涂层样品的基体的厚度的二分之一，h为待测对称涂层样品的单面涂层的厚度，ν_s为待测对称涂层样品的基体的泊松比，ν_c为待测对称涂层样品的涂层的泊松比，R为单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径。

作为优选，所述待测对称涂层样品涂层的弹性模量和待测对称涂层样品基体的弹性模量采用相对法测试得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供的对称涂层残余应力的测定方法通过对Stoney公式改进，实现了对称涂层残余应力的测定，并且本发明提供的测定方法适用于所有类型的涂层。

附图说明

图1为本发明中对称涂层残余应力等效示意图；

图2为本发明实施例TC4钛合金基体/8YSZ热障涂层样品示意图；

图3为本发明单面涂层样品A示意图；

图4为本发明单面涂层样品A曲率半径计算示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

图1为本发明中对称涂层残余应力等效示意图。参见图1，镀有对称涂层的样品可看作由两个单面涂层的样品受到压力作用形成，故而镀有对称涂层样品的残余应力可看作由镀有相同厚度涂层的单面涂层的残余应力以及由压力作用产生的残余应力组成。基于该原理，本案发明对Stoney公式进行改进，实现了对称涂层残余应力的测定。具体方案如下。

一种对称涂层残余应力的测定方法，包括如下步骤：

获取待测对称涂层样品的涂层的弹性模量和待测对称涂层样品的基体的弹性模量；

获取待测对称涂层样品单面涂层的厚度和待测对称涂层样品基体的厚度；

获取待测对称涂层样品基体的泊松比；

制备单面涂层样品A，单面涂层样品A的基体的材料与待测对称涂层样品的基体的材料相同，单面涂层样品A的涂层的材料及制备工艺与待测对称涂层样品的涂层的材料及制备工艺相同；

所述单面涂层样品A的宽度和长度与待测双面涂层样品的宽度和长度相等；

所述单面涂层样品A的基体厚度为待测双面涂层样品基体厚度的二分之一，单面涂层样品A的涂层厚度与待测双面涂层样品的单面涂层的厚度相同；

测量单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径；

通过下式计算待测对称涂层残余应力σ_c：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{E_s{H_{1/2}}^2}{6R(1-v_s)h}+\frac{E_c(H_{1/2}+h)}{2R(1-v_c)}$

式中：E_s为待测对称涂层样品的基体的弹性模量，E_c为待测对称涂层样品的涂层的弹性模量，H_1/2为待测对称涂层样品的基体的厚度的二分之一，h为待测对称涂层样品的单面涂层的厚度，ν_s为待测对称涂层样品的基体的泊松比，ν_c为待测对称涂层样品的涂层的泊松比，R为单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径。

本发明实施例对Stoney公式进行改进，通过评价单面涂层的残余应力，进而计算出对称涂层的残余应力。本发明实施例解决了对称涂层残余应力的测定问题。并且本发明实施例的测定方法使用范围广，可适用于同温涂层及异温涂层等各种对称涂层残余应力的测定。

作为上述实施例的优选，待测对称涂层样品涂层的弹性模量和待测对称涂层样品涂层的基体的弹性模量的具体获取方法不做限定。本实施例给出了一种优选方法供选择，本实施例中，待测对称涂层样品涂层的弹性模量和待测对称涂层样品涂层的基体的弹性模量采用相对法测试得到。

同样，本发明实施例各步骤未尽之处均可从现有技术中选用适当的方法或设备来实现，在此不再赘述。

下面通过具体的对称涂层样品的残余应力的测定对本发明实施例的方法及其效果进行说明。

本实施例以TC4钛合金基体/8YSZ(质量分数为8％的氧化钇稳定氧化锆)热障涂层样品作为待测对称涂层样品进行残余应力测定。

图2为本发明实施例的TC4钛合金基体/8YSZ热障涂层样品(待测对称涂层样品)的结构示意图。图2中，TC4钛合金基体2的两相对表面分别具有8YSZ热障涂层1；该待测样品的长度L为2500mm，宽度B为50mm，基体厚度H为5mm，双面涂层厚度h均为323μm。

采用相对法测量待测样品的8YSZ热障涂层1与TC4钛合金基体2的弹性模量，具体的测量过程不再赘述，测量结果如下：涂层的弹性模量Ec为37.80GPa，基体的弹性模量Es为112.64GPa。

测量样品的8YSZ热障涂层与TC4钛合金基体的泊松比，具体的测量过程不再赘述，测量结果如下：涂层的泊松比ν_c为0.2，基体的泊松比ν_s为0.34。

制备单面涂层样品A，其基体与涂层采用与TC4钛合金基体/8YSZ热障涂层样品相同的材料与制备工艺；

图3为制备得到的单面涂层样品A的结构示意图。如图3所示，TC4钛合金基体4的一侧具有8YSZ热障涂层3。

单面涂层样品A的长度和宽度与TC4钛合金基体/8YSZ热障涂层样品相等，具体的，单面涂层样品A的长度L为2500mm，宽度B为50mm；

单面涂层样品A的基体厚度为待测对称涂层样品基体厚度的二分之一，单面涂层样品A的涂层厚度与待测对称涂层样品的单面涂层的厚度相等，具体的，单面涂层样品A的基体厚度H_1/2为2.5mm，单面涂层样品A的涂层厚度h为323μm；

采用工具显微镜测量单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径，如图4所示，通过测量点5，6，7的坐标即可计算出单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径，具体的测量过程不再赘述，测量结果如下：单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径为12.086m；

通过下式计算待测对称涂层残余应力σ_c：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{E_s{H_{1/2}}^2}{6R(1-v_s)h}+\frac{E_c(H_{1/2}+h)}{2R(1-v_c)}$

式中：E_s为TC4钛合金基体的弹性模量，E_c为8YSZ热障涂层的弹性模量，H_1/2为TC4钛合金基体的厚度的1/2，h为8YSZ热障涂层的厚度，ν_s为TC4钛合金基体的泊松比，ν_c为8YSZ热障涂层的泊松比，R为单面涂层样品A的基体挠曲的曲率半径。

计算得到待测对称涂层样品(TC4钛合金基体/8YSZ热障涂层样品)的残余应力为51.1MPa。

通过上述实施例可以看出，本发明实施例公开的对称涂层残余应力的测定方法是在Stoney公式的基础上进行改进，以单面涂层样品为基础，进而得到对称的双面涂层样品的残余应力。因此适用于各种类型的涂层样品，无论是何种工艺形成的涂层，也无论是何种材料的基体、涂层，均可用本发明实施例提供的方法测定其涂层残余应力。因此，对于其他类型的涂层的残余应力的测定不再一一提供实施例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。