[发明专利]高温合金氧化膜原位动态实时应力测试技术

说明书

技术领域

本发明涉及材料应力测试领域，尤其是涉及高温材料表层氧化膜应力测试领域。 

背景技术

高温合金包括铁基、镍基、钴基高温合金，以其优良的高温机械性能和高温抗氧化性能广泛应用于航空、航天、舰船、能源、冶金、石油化工等高温设备领域。

高温合金能否抗高温氧化取决于其表层能否形成一层保护性氧化膜。氧化膜的破坏剥落是加速合金基体氧化，导致合金抗氧化性能降低的主要原因。有应力才会有氧化膜的剥落，因此，氧化膜的力学性能是决定其抗氧化性能优劣的关键因素。

氧化膜的力学行为研究一直是高温合金抗氧化性能研究的重点和难点课题。氧化膜的成份可以通过X-射线衍射分析测定，氧化膜形貌、结构可以通过SEM扫描电镜分析，氧化膜的元素及分布可以通过EPMA电子探针与EDS能谱加以分析，但氧化膜的力学性能难以获得。氧化膜通常较薄，与基体也难以分离，又涉及到微观尺度应力分析，因此，氧化膜的力学数据难以测量。

经过国内外科研工作者的不懈努力，目前已开发研制了较多的氧化膜力学性能测试技术。如单面氧化弯曲法，双面氧化弯曲法，X-射线衍射法，激光喇曼光谱技术，拉力法，声发射技术等。这些测试技术大多属于间接、冷态、静态的测试，均存在较多的问题和不足，测试数据误差较大，不够准确。目前还没有一种动态实时监测氧化膜应力的方法。

笔者长期从事高温合金的微观组织与材料性能研究,通过多年的研究研制了一种新的测试技术: “阿基米德曲线薄片矩量法”，能够实现全过程、实时、动态、原位测量氧化膜应力，通过科学的检测与分析，深入研究氧化膜的力学行为。该技术发明对探明高温合金氧化膜的抗剥落机理，开辟新工艺、新方法，进一步提高合金抗氧化使用温度，开发研制新型高性能高温合金均具有重要意义。

发明内容

（1）氧化膜应力测试原理

阿基米德曲线也叫渐开线，是指自圆点开始同时沿径向和圆周匀速运动的轨迹，如图1所示。设径向运动速度为v，圆周运动角速度为ω，则任一点K旋转的角度记为φ，K点切线K_L与径向KO夹角为α，根据阿基米德曲线特性， tgα为K点径向速度与线速度之比：

   (1)

金属做成阿基米德曲线形状薄片时，如图2所示，起点O固定，水平放置，高温氧化过程中其受到表面生成的氧化膜应力作用产生力矩发生弯曲变形。

阿基米德曲线薄片任一点K的氧化膜切向应力是叠加的，记为σ，该应力产生力矩，促使薄片弯曲变形。

K点氧化膜应力产生的力矩M为：

      (2)

式（2）中α=arctgφ，α随曲线旋转角度φ增大而增大。图3、图4分别为阿基米德曲线各点的应力与力矩分布。应力σ于整个薄片各点大小相同，力矩M在薄片起点O最小为0，终点D最大为。因此，对于0～φ角度的阿基米德曲线通过分部积分可求得整个曲线薄片背腹两侧氧化膜应力产生的总力矩：

      (3)

圆的弧长等于半径与对应弧度之积，阿基米德曲线弧长微分有：

      (4)

对0～φ角度的阿基米德曲线积分求得长度L：

      (5)

当阿基米德曲线薄片受到氧化膜应力作用时，于水平面内发生弯曲变形，其总长不变，径向速度v、角速度ω与旋转角度φ发生变化，如图5所示，假设径向速度与角速度分别由原来的v₁、ω₁变为v₂、ω₂，旋转角度由原来的（0～φ₀）变为（0～φ₀+△φ），即净转角度△φ。根据式（5）有：

      (6)

      (7)

      (8)

      (8)

      (9)

      (10)

金属弹性卷曲受力时卷曲角度△φ与力矩T遵循方程式(11)：

      (11)

式中E为金属弹性模量，L为弹性金属体长度， I为截面惯性矩：（b为金属宽度，h为金属厚度）。

阿基米德曲线薄片弯曲变形稳定后，体系的力矩平衡，曲线薄片弹性力矩T与氧化膜应力累积力矩相等，即：

      (12)

通过式（6）、（10）、（11）可求出T：

      (13)