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研究論文:破解航空發動機涂層破損之謎

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點擊次數:798 更新時間:2018年06月08日09:44:32 打印此頁 關閉

     熱噴涂是國內外航空發動機公司使用應用最廣泛的一種涂層制備技術,主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蝕、可磨耗封嚴、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃以及零件尺寸修復涂層的生產。物理氣相沉積技術則用于發動機熱端渦輪工作葉片和導向葉片部件的優質高溫防護涂層制備。在國內,空心陰極電弧離子鍍技術被用于MCrAlY和AlSiY抗氧化涂層的制造,電子束物理氣相沉積技術用于熱障涂層的生產。
 
    在制備涂層的材料熔融、沉積過程中,由于粉末顆粒本身的淬火應力、其對已沉積涂層的沖擊應力以及涂層與基體材料在熱-機械性能方面差異造成的失配應變和熱梯度效應,某些情況下還有后續加工和服役環境的作用,都會使涂層內不可避免地出現或大或小的殘余應力。已有研究表明,殘余應力的大小和分布嚴重影響著涂層零件整個體系的主要性能,如基體疲勞壽命、涂層結合強度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環疲勞等性能,導致涂層開裂、翹起、剝落和分層,因此殘余應力對涂層質量、使用性能、涂層構件精度和尺寸穩定性等都有重要影響,甚至導致涂層零件過早失效。
 
    理論認為當殘余應力超過涂層彈性極限時,拉伸應力會在垂直方向導致涂層開裂;一定的壓應力是有利的,因其能使涂層裂紋閉合,改善疲勞性能,但壓應力過大會導致涂層粘附性失效。在實際涂層生產中,殘余應力的產生及其影響非常復雜。對于熱噴涂涂層,其殘余應力與噴涂氣體流速、基體溫度、涂層/基體體系的溫度梯度、涂層材料性能、送粉速率、零件尺寸和幾何形狀、夾具、冷卻、噴槍相對于零件的表面速率、走槍路徑、涂層與基體厚度、彈性模量、熱膨脹系數、熱導率等諸多因素密切相關。
 
    基體預處理、涂層后續加工及其服役工況對殘余應力也有很大影響。例如表面粗糙化預處理可以提高界面結合強度,然而粗糙界面復雜形貌容易出現垂直于界面的殘余拉應力,導致涂層破裂和剝離。精密磨削時,砂輪磨粒鈍化導致小平面磨鈍,使磨粒產生垂直于涂層表面的作用力,該力和摩擦力同時對涂層表面產生擠光作用,使涂層表面形成壓應力。砂輪粘結劑對殘余應力也有影響。
 
    殘余應力還與涂層零件的結構和噴涂區域有關。圓周噴涂的軸類零件或環形件,涂層結合強度足夠大時,涂層破壞以開裂形式為主,其裂紋走向為圓周方向,也有軸向裂紋擴展的現象。小型零件內孔表面噴涂涂層,在噴涂、加工或試車考核等階段都會出現整體涂層剝落的嚴重質量問題。對于薄壁件,涂層應力導致零件變形,對涂層零件尺寸精度造成影響,嚴重時會使零件超差報廢。
 
    機械式應力檢測技術
 
    (1)曲率檢測技術
 
    曲率檢測技術的優點是試驗設備簡單,可以直接測定涂層殘余應力,其原理是在基體上生成涂層時產生的殘余應力導致曲率變化,通過曲率變化可以計算殘余應力大小,一般采用Stoney方程計算殘余應力。Stoney方程的優點在于只使用基體彈性模量,不使用涂層彈性模量,從而解決了涂層彈性模量受各種噴涂參數的影響而比較難以準確測量的問題。Gill和Clyne對曲率法做了較大改進,其一是將攝像進行曲率遠程監測的方法用于真空等離子噴涂涂層的過程控制;其二是開發出數值計算程序,可以對不同曲率形狀產生的殘余應力進行計算,并區分噴涂粉末顆粒淬火應力和熱膨脹系數差異導致的失配應力。
 
    曲率檢測技術可以分做接觸和非接觸兩種方法。接觸方法主要有應變儀和輪廓測定法,非接觸方法主要有光學、激光掃描、柵格和雙晶衍射拓撲法。應變儀法就是用電阻應變片測量噴涂前后試樣的曲率變化,通過曲率變化計算涂層殘余應力分布及大小。將試樣制備成窄條狀,以避免產生多軸向曲率和力學不穩定性。但是如果涂層相對基體過薄就不能反映出正應力的變化梯度,因此該方法主要適用于比較薄基體表面涂層的情況。
 
    曲率法測試的結果是平均應力,精度比較低(±30MPa),只能粗略測量厚度方向的平均殘余應力,并且對試樣形狀和尺寸限制很嚴。如果可以對基體表面涂層進行逐層剝離測量,則可以測定整個涂層厚度范圍內的殘余應力詳細數據,但是對于多層或者較厚的涂層則非常困難。另外單純使用傳統曲率檢測技術時,難于測量小曲率試樣,需要對測量技術和計算方法進行改進。
 
    (2)鉆孔檢測技術
 
    又稱盲孔法和套孔法,是目前應用廣泛的涂層面內殘余應力測量方法。鉆孔檢測的原理是將特制箔式應變花粘貼在涂層表面上,在應變花中心鉆一直徑和深度接近的小孔,產生局部應力釋放,釋放的應變可由連接各個應變片的應變儀測讀出來。通過修正的Kirsch彈性力學公式則可得到在孔深范圍內的平均主應力和主應力方向角,反映厚度大于0.3mm涂層的各向異性。該技術測量手段簡單,成本低,測量精度高,已成為一種標準測試方法并在工程實際中廣泛采用。美國ASTME837《鉆孔應變儀測量殘余應力》標準規定了殘余應力測試方法、要求及其相應的鉆孔程序。
 
    鉆孔檢測技術的缺點是被測涂層表面遭到鉆孔破壞,且鉆孔常引起材料損傷和屈服,改變局部應力狀態,另外涂層去除均勻困難,以至于影響殘余應力的測量效果。
 
    (3)逐層剝離檢測技術
 
    該方法是先在方形試片上噴涂涂層,然后對在涂層拋光剝離前、數次剝離過程和剝離后的試樣進行應變測量得到涂層的殘余應力。美國金屬學會(ASM)所屬的熱噴涂學會負責編制了《逐層剝離修正法評價熱噴涂涂層殘余應力》作為噴涂行業使用的涂層機械性能測試標準。該文件給出了試樣制備、需要的設備、使用應變規的程序、逐層磨除涂層的程序以及為了計算殘余應力而進行數據處理的方法。
 
    光學式應力檢測技術
 
    (1)X射線衍射檢測技術
 
    X射線衍射法“sin2ψ”是測定涂層殘余應力最可靠和最實用的一種檢測方法。自1971年美國汽車工程師學會頒布X射線衍射殘余應力測定的行業標準SAEJ784a-1971“ResidentialStressMeasurementbyX-RayDiffraction”和1973年日本材料學會頒布國家標準JSMS-SD-10-1973“StandardMethodforX-rayStressMeasurement”以來,作為一種無損檢測技術,測定殘余應力的X射線衍射檢測技術得到了越來越廣泛的應用,技術手段也日漸成熟。為反映最新的技術進步和成熟的測定方法,歐盟標準委員會(CEN)于2008年7月批準使用新的X射線衍射殘余應力測定標準EN15305-2008“Non-destructiveTesting:TestMethodforResidualStressAnalysisbyX-rayDiffraction”,該標準于2009年2月底在所有歐盟成員國正式實施。與之相呼應,美國試驗材料學會(ASTM)也2010年7月發布了最新X射線衍射殘余應力測定標準ASTME915-2010“StandardTestMethodforVerifyingtheAlignmentofX-RayDiffractionInstrumentationforResidualStressMeasurement”。EN15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層等被測材料的特性進行了詳細說明。
 
    我國在87年發布和實施《X射線應力測定方法》(GB/T7704-1987)標準,2009年則實施《無損檢測X射線應力測定方法》(GB/T7704-2008)新標準,但該標準沒有針對涂層特殊結構材料測定殘余應力的相關規定,而在國外,X射線衍射技術在上世紀80年代初就被用于噴涂涂層殘余應力的檢測。
 
    X射線衍射測量應力的基本原理是由于殘余應力的存在引起晶格畸變,使得晶格常數發生變化,根據Bragg衍射公式確定涂層材料的晶面間距后,再通過材料的彈性特征參數按下列方程式求得殘余應力:
 
    公式中,E為涂層材料的楊氏模量,ε是涂層應變,ν為泊松比,d0和d分別為理想態和應力狀態的晶面間距。
 
    X射線衍射檢測技術對涂層表面應力敏感,是一種無損的測試方法,對試樣尺寸和形狀要求不嚴格,且可以直接對零件測量,加上測量手段簡單,準確度較高,因此在熱噴涂涂層研制和生產中得到了廣泛的應用。其獨到之處是能夠同時測量涂層中不同相的殘余應力,如WC-Co涂層表面應力表現為壓應力,且涂層中各相的殘余應力水平及狀態不同,WC和W2C相為壓應力,且W2C相殘余壓應力水平大于WC相;而Co6W6C相則表現為拉應力。使用掠入射XRD方法還可以測量薄涂層或者厚涂層表面淺層的應力,即其檢測深度可以為1μm的薄層。
 
    XRD方法一般適用于具有良好晶體結構的材料,當晶粒尺寸很小時會導致衍射峰值變寬,影響測試結果精度。EN15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層特性的說明認為,在測試薄層時可能會遇到衍射強度低和/或晶粒數量不足、由多層材料導致的額外衍射、與基體材料的衍射峰重疊、陡的應力梯度以及強烈的織構等問題,同時涂層材料的X射線彈性常數值可能會與大塊材料不同。另外由于X射線的穿透能力較低,測量深度一般約為10~50微米,因此僅能測試樣品表面較薄一層的殘余應力,涂層增厚會造成測試結果誤差。
 
    (2)中子衍射檢測技術
 
    該技術是以中子流為入射束,照射涂層表面產生衍射峰。其原理與X射線衍射基本相同,即根據衍射峰位置的變化,利用布拉格方程式計算晶格應變量并算出殘余應力值。與X衍射相比,中子衍射檢測技術由于中子穿透的深度較大,可測量涂層深處的殘余應力,在一定程度上彌補了X射線衍射穿透能力的不足。然而由于中子射線散射強度較低,收集信息速率慢,另外可利用的中子源較少,這些不利因素成為中子衍射檢測技術在涂層殘余應力研究中應用的障礙。
 
    (3)散斑干涉檢測技術
 
    散斑干涉記錄隨機分布的散斑場,定量分析散斑場的變化。要求被測量的物體表面是漫反射表面。相干光照射到漫反射表面后的反射光干涉形成散斑,記錄散斑場就可得出位移的變化值。Habib利用錯位散斑干涉檢測技術測量了溫度變化造成金屬與涂層之間變形的差異。
 
    (4)光激發熒光譜(PLPS)技術
 
    光激發熒光譜技術是利用Al2O3內痕量Cr3+在光激發態的d3電子衰減發出熒光,這種譜線稱為光激發熒光譜。不同的Al2O3相結構,其Cr3+離子占據的空間位置不同,相應的熒光譜線也不同,d3電子衰減發出的熒光產生雙峰型特征熒光譜R1和R2,在無應力狀態下其頻率位置分別為14402和14432cm-1。熱生長α-Al2O3膜中存在應力會造成譜線頻率位置的偏移,根據這些偏移值可以計算膜內應力。該技術的優勢在于其分辨率高,缺點是只能測量含有Cr3+涂層或區域的殘余應力。
 
    (5)顯微喇曼光譜技術
 
    采用幾微米的激光束作為激發源,可以測量殘余應力的微觀分布。其物理原理是,單色光束照射固體時,光子與物質分子相互碰撞引起光的散射。喇曼散射線與入射線波長稍有不同,波長短于入射線者稱為反斯托克斯線,反之為斯托克斯線,其中發生非彈性碰撞而散射的光束經分光后形成了喇曼光譜,這是含有物質特征信息的光譜。如果物體存在應力,喇曼光譜中某些對應力敏感的譜帶會產生移動。當物質受壓應力作用時,譜帶會向高頻方向移動,受拉應力作用時譜帶向低頻方向移動,且頻率改變與所受的應力呈正比關系。
 
    試驗中通常以激光光束為激勵光源,采用顯微光學系統對喇曼光譜進行觀察,因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術。該檢測方法的空間分辨率可達到幾個微米,檢測范圍僅是被測對象表面及其以下約50納米的范圍,檢測精度非常高,適用于較薄的涂層。但是激光會導致涂層表面溫度升高,因此要求被測涂層具有一定的耐熱性能。
 
    模擬計算技術
 
    隨著計算機計算能力的不斷增強,數字模型,包括有限元模型,成為一種日益強大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應變衍生過程的計算工具。有限單元法的基本思想是將連續的結構體離散為有限個單元,并在每一個單元中設定有限個節點,將連續體看作是在節點處相連接的單元集合體;將場函數的節點值作為基本未知量,并在每一單元中假設近似插值來表示單元中場函數的分布規律;利用力學變分原理來建立求解方程,以將一個連續域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題來分析。ABACUS是HKS公司開發的一套功能強大的有限元工程模擬軟件,被認為是功能最強的非線性CAE軟件,它擁有豐富的單元庫和與之相應的材料模型庫,可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰性的非線性模擬等多種問題,基本可以模擬計算任意實際形狀、多種材料復雜結構的力學、熱學和聲學等方面的問題。在國外已廣泛應用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個行業。另一種使用廣泛的有限元計算軟件為ANSYS模擬軟件。
 
    有文獻描述了噴涂態涂層內殘余應力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統時,需要有正確的材料數據、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網格單元以及不同試驗條件下的邊界假設。對于熱障涂層,將熱生長氧化物、陶瓷面層及基體層視為彈性和粘性材料,粘結層則為彈性和粘性-塑性材料。其材料物理數據包括面層、熱生長氧化物、粘結層和基體的熱膨脹系數、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數,另外還要具備不同溫度下的粘結層應變-應力數據。在上述工作基礎上,給出熱載荷及邊界條件,進行網格及其構成元素設計。
 
    有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進行模擬計算,揭示表面粗糙度、溫度等關鍵因素對涂層殘余應力影響的熱-機械變化過程。已有的有限元模型計算結果表明,在涂層厚度方向內存在應力梯度,即從涂層表面向內殘余應力逐漸演變為面內壓應力。基體溫度對應力影響明顯,噴涂過程中基體溫度升高,面層內殘余應力會從拉應力向壓應力轉變。另外,殘余應力與涂層熱歷史密切相關,在涂層體系熱循環過程中,由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金粘結層蠕變作用,殘余應力高溫松弛,則在涂層體系冷卻到室溫過程中,因為基體與陶瓷層熱膨脹系數差異而導致面內二維壓應力增加。

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