专利名称：氧化膜应力改变的双面氧化弯曲测量技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术，特别提供了适用于金属材料高温氧化研究的氧化膜应力改变的双面氧化弯曲测量技术。
合金内添加微量元素可改善合金的氧化性能，特别是稀土元素效应，为从力学角度了解其作用机理，定量测量氧化膜内应力改变是重要的一个方面。目前，氧化膜应力可动态测量，但由于测量所依据的计算公式含诸多力学参量，这些参量往往难以从文献中获得，而测量又使得应力测量复杂化。另外，现在的测量技术又受到测试温度及测试精度的限制，特别是研究微量合金元素对氧化膜应力影响时，测试误差不可忽略。与本发明最接近的技术为氧化膜应力的单面氧化弯曲测量方法，单面氧化弯曲方法是金属高温腐蚀领域进行氧化膜应力测量最常用的方法，在薄膜领域也广泛应用，氧化膜应力测量时，薄条状试样需单面镀膜作保护，使试样一侧表面完全不发生氧化，膜应很薄，对试样的弯曲不产生影响作用，到目前完全满足要求的膜几乎不存在。应力计算公式中包括材料的杨氏模量及泊桑比完全获得这些参量往往比较复杂，因此，测试仅限于氧化温度较低，氧化时间较短的情况，特别是在研究Al2O3膜应力或微量元素对氧化膜应力的影响时精度较低。
本发明的目的在于提供一种适用于不同材料高温氧化性能比较，特别适用于合金内添加微量元素抗氧化性能研究的应力测量技术，其测量精度较高，方法简单。
本发明提供了一种氧化模应力改变的双面氧化弯曲测量技术，依次包括试样制备，高温氧化弯曲测量，应力改变计算步骤，其特征在于(1)试样为薄条状，两面分别为需要比较研究的材料，长宽比在6～20之间，厚度为0.2～0.4mm；(2)应力改变的计算采用下述公式ξ′σ′-ξσ＝EH2D/[3(1-μ)L2]式中ξ-------氧化膜厚度σ-------氧化膜内应力E--------试样的杨氏模量μ-------试样的泊桑比L--------试样的长度H--------试样的厚度
D--------试样的弯曲挠度其中符号′表示经处理的试样。
本发明测量技术主要针对合金成分变化时对氧化膜内应力的影响，其中主要指合金经表面处理后，在氧化环境中，与未经表面处理的合金比，表面生成的氧化膜内应力的改变。在测量时，试样的一侧面经表面处理(例如，离子注入合金元素，表面涂覆稀土氧化物，等等)。试样在高温下氧化时，如果两侧面生成的氧化膜内应力不同，试样就会发生弯曲，由于氧化膜内通常受压应力，试样向应力较小一侧弯曲，弯曲的大小表征应力变化的程度。氧化膜应力改变可进行计算，分析薄条状试样的受力状态，依据力学平衡原理，可得方程组。求解后得出，ξ′σ′-ξσ＝EH2D/[3(1-μ)L2]。
高温合金中添加微量稀土元素可显著改善合金的抗氧化性能。依据这一结果，合金中添加稀土元素成为重要的改善合金抗氧化性的手段。对于Al2O3膜形成合金以及850℃以下Cr2O3膜形成合金，添加微量稀土元素对合金的氧化动力学影响较小，新技术可直接得到应力改变的差值，即，Δσ＝EH2D/[3(1-μ)-3L2]，由于Al2O3和Cr2O3是高温腐蚀领域中两种最重要的氧化物，新技术在某种程度上具有普遍意义，在高温防护涂层方面，例如体系改性的薄涂层/基材/薄涂层，亦可测量氧化膜应力改变。总局之，本发明具有下述优点(1)采用本发明进行研究时，由于试样不需单面镀膜作保护，因此，试样氧化时温度和氧化的时间不受限制，特别是排除了与保护膜保护性能的关系，提高了测试精度，(2)单面氧化弯曲试样需镀膜作保护，试样制备复杂，相比之下，利用本发明减少了试样制备中单面镀膜这一环节(镀膜技术要求很高)，此外，本发明中一次实验完成了单面氧化弯曲法中二次实验的内容。总之，应用新技术简化了实验过程。
(3)本发明中计算应力改变时，仅需要未经处理的合金试样的力学参数，这样也简化了实验过程(高温下薄膜的力学参量测量十分困难，减少了计算误差。
(4)单面氧化弯曲法中试样弯曲量大，而双面氧化弯曲法中试样弯曲量小，试样弯曲量小，可确保应力计算公式成立，并使得由弯曲本身释放的应力较小，总效果是使测试精度提高。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1试样制备所研究的合金制备成(40-60)×(5-10)×(0.2-0.45)mm大小，试样一侧面离子注入所研究的合金元素。
试验操作试样固定在一高温合金杆上，用铂丝将一细石英丝绑在试样一侧面上或直接悬挂到试样低部的小空上，然后置入高温炉中，固定法兰，系统抽真空，真空度为10-5乇时，开始升温，到达到设定温度时，充入氧化气体，同时利用读数显微镜观察石英丝，记录试样偏转；根据试样弯曲的方向判断稀土元素的影响，弯曲的大小表征应力变化的程度，如果离子注入稀土元素对合金的氧化动力学不影响，那么应力的改变可以定量计算。计算公式为Δσ＝EH2D/[3(1-μ)ξL2]，式中Δσ为氧化膜内应力变化，ξ为氧化膜厚度，E、μ、L、H分别为试样的杨氏模量、泊桑比、长度、厚度，D为试样弯曲挠度。
试样53.3×7.1×0.46mm大小的铸造合金Co-30Cr-6Al，两面离子溅射20μm厚的同成分的薄膜，然后试样的一个侧面离子注入2×1017Y+/cm2，离子注入时的电压保持在80KeV。然后试样在真空中加热到500℃保温10小时进行去应力退火。
实验900℃空气中进行氧化实验时，发现初始氧化阶段，离子注入钇使表面Al2O3膜压应力增大(2.5GPa)；此后使内应力增大的程度减少，最终发展到使膜内应力减小，并随氧化进行，应力改变保持在1-2GPa。
实施例2试样55×10×0.4mm大小的Ni-15Cr-6Al，900℃下进行渗铝处理，试样的一侧面离子注入1×1017及1×1016Y+/cm2，然后试样在真空中加热到650℃保温4小时进行去应力退火。
实验1100℃空气中氧化时，测量结果表明，稀土钇可降低氧化膜内生长应力，注入剂量越大，效果越显著，不同剂量注入的钇分别降低应力2和7GPa。
实施例3试样制备所研究的合金制备成(40-60)×(5-10)×(0.2-0.45)mm大小，试样一侧面涂覆一层稀土氧化物，合金材料包括Fe-20Cr，Fe-25Cr，Ni20Cr等；涂覆的稀土氧化物有CeO2。
试验操作同上。
实施例4试样制备高温合金试样制备成(40-60)×(5-10)×(0.2-0.45)mm大小，采用不同工艺在试样两侧面制备两种不同的高温防护涂层，或者不同成份的高温防护涂层。例如高温合金为In738，Fecralloy，Haynes214，Ni3Al，TiAl等高温防护涂层包括Co30Cr6Al，Co30Cr6AlY，Ni15Cr6Al，Ni15Cr6AlY，ZrO2/Y2O3等。
试验操作同上。
实施例5
试样制备制备成(40-60)×(5-10)×(0.2-0.45)mm大小基片，为研究不同工艺制备的薄膜的残余应力的变化.将基片两侧镀制相同厚度的不同薄膜。
基片可为玻璃片，纯钛片，研究的薄膜包括TiN，SiO2，Al2O3，MCrAlY(M＝Fe，Co，Ni)等。
过程试样完成后，取出，观察试样弯曲方向和程度，分别判断两测薄膜内的应力大小及相对差别。
权利要求
1.一种氧化模应力改变的双面氧化弯曲测量技术，依次包括试样制备，高温氧化弯曲测量，应力改变计算步骤，其特征在于(1)试样为薄条状，两面分别为需要比较研究的材料，长宽比在6～20之间，厚度为0.2～0.4mm；(2)应力改变的计算采用下述公式ξ′σ′-ξσ＝EH2D/[3(1-μ)L2]式中ξ-------氧化膜厚度σ-------氧化膜内应力E--------试样的杨氏模量μ-------试样的泊桑比L--------试样的长度H--------试样的厚度D--------试样的弯曲挠度其中符号′表示经处理的试样。
2.按权利要求1所述的氧化膜应力改变的双面氧化弯曲测量技术，其特征在于当所需研究材料为Al2O3膜形成合金，或者850℃以下Cr2O3膜形成合金时，应力改变差值计算公式为Δσ＝EH2D/[3(1-μ)-3L2]
3.按权利要求1，2所述氧化膜应力改变的双面氧化弯曲测量技术，其特征在于双面试样的制备可以采用离子注入的方法。
4.按权利要求1，2所述氧化膜应力改变的双面氧化弯曲测量技术，其特征在于双面试样的制备可以采用涂覆涂层的方法。
全文摘要
一种氧化模应力改变的双面氧化变曲测量技术,依次包括试样制备,高温氧化弯曲测量,应力改变计算步骤,其特征在于:(1)试样为薄条状,两面分别为需要比较研究的材料,长宽比在6～20之间,厚度为0.2～0.4mm;(2)应力改变的计算采用下述公式:ζ′σ′－ζσ=EH
文档编号G01N3/00GK1193738SQ9710097
公开日1998年9月23日 申请日期1997年3月17日 优先权日1997年3月17日
发明者李美栓, 李铁藩, 华伟刚, 辛丽, 沈嘉年, 周龙江 申请人:中国科学院金属腐蚀与防护研究所