掌握涂層應(yīng)力測試和模擬計(jì)算技術(shù)，破解航空發(fā)動機(jī)涂層破損之謎

袁福河 王少剛 王璐 張春剛

熱噴涂是國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)公司使用應(yīng)用最廣泛的一種涂層制備技術(shù)，主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蝕、可磨耗封嚴(yán)、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃以及零件尺寸修復(fù)涂層的生產(chǎn)。物理氣相沉積技術(shù)則用于發(fā)動機(jī)熱端渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片部件的優(yōu)質(zhì)高溫防護(hù)涂層制備。在國內(nèi)，空心陰極電弧離子鍍技術(shù)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(shù)用于熱障涂層的生產(chǎn)。

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(yīng)力、其對已沉積涂層的沖擊應(yīng)力以及涂層與基體材料在熱-機(jī)械性能方面差異造成的失配應(yīng)變和熱梯度效應(yīng)，某些情況下還有后續(xù)加工和服役環(huán)境的作用，都會使涂層內(nèi)不可避免地出現(xiàn)或大或小的殘余應(yīng)力。已有研究表明，殘余應(yīng)力的大小和分布嚴(yán)重影響著涂層零件整個(gè)體系的主要性能，如基體疲勞壽命、涂層結(jié)合強(qiáng)度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環(huán)疲勞等性能，導(dǎo)致涂層開裂、翹起、剝落和分層，因此殘余應(yīng)力對涂層質(zhì)量、使用性能、涂層構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性等都有重要影響，甚至導(dǎo)致涂層零件過早失效。

理論認(rèn)為當(dāng)殘余應(yīng)力超過涂層彈性極限時(shí)，拉伸應(yīng)力會在垂直方向?qū)е峦繉娱_裂；一定的壓應(yīng)力是有利的，因其能使涂層裂紋閉合，改善疲勞性能，但壓應(yīng)力過大會導(dǎo)致涂層粘附性失效。在實(shí)際涂層生產(chǎn)中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其影響非常復(fù)雜。對于熱噴涂涂層，其殘余應(yīng)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(shù)、熱導(dǎo)率等諸多因素密切相關(guān)。

基體預(yù)處理、涂層后續(xù)加工及其服役工況對殘余應(yīng)力也有很大影響。例如表面粗糙化預(yù)處理可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，然而粗糙界面復(fù)雜形貌容易出現(xiàn)垂直于界面的殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致涂層破裂和剝離。精密磨削時(shí)，砂輪磨粒鈍化導(dǎo)致小平面磨鈍，使磨粒產(chǎn)生垂直于涂層表面的作用力，該力和摩擦力同時(shí)對涂層表面產(chǎn)生擠光作用，使涂層表面形成壓應(yīng)力。砂輪黏結(jié)劑對殘余應(yīng)力也有影響。

殘余應(yīng)力還與涂層零件的結(jié)構(gòu)和噴涂區(qū)域有關(guān)。圓周噴涂的軸類零件或環(huán)形件，涂層結(jié)合強(qiáng)度足夠大時(shí)，涂層破壞以開裂形式為主，其裂紋走向?yàn)閳A周方向，也有軸向裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。小型零件內(nèi)孔表面噴涂涂層，在噴涂、加工或試車考核等階段都會出現(xiàn)整體涂層剝落的嚴(yán)重質(zhì)量問題。對于薄壁件，涂層應(yīng)力導(dǎo)致零件變形，對涂層零件尺寸精度造成影響，嚴(yán)重時(shí)會使零件超差報(bào)廢。

機(jī)械式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）曲率檢測技術(shù)

曲率檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備簡單，可以直接測定涂層殘余應(yīng)力，其原理是在基體上生成涂層時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致曲率變化，通過曲率變化可以計(jì)算殘余應(yīng)力大小，一般采用Stoney方程計(jì)算殘余應(yīng)力。Stoney方程的優(yōu)點(diǎn)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(shù)的影響而比較難以準(zhǔn)確測量的問題。Gill和Clyne對曲率法做了較大改進(jìn)，其一是將攝像進(jìn)行曲率遠(yuǎn)程監(jiān)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(fā)出數(shù)值計(jì)算程序，可以對不同曲率形狀產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并區(qū)分噴涂粉末顆粒淬火應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的失配應(yīng)力。

曲率檢測技術(shù)可以分作接觸和非接觸兩種方法。接觸方法主要有應(yīng)變儀和輪廓測定法，非接觸方法主要有光學(xué)、激光掃描、柵格和雙晶衍射拓?fù)浞ā?yīng)變儀法就是用電阻應(yīng)變片測量噴涂前后試樣的曲率變化，通過曲率變化計(jì)算涂層殘余應(yīng)力分布及大小。將試樣制備成窄條狀，以避免產(chǎn)生多軸向曲率和力學(xué)不穩(wěn)定性。但是如果涂層相對基體過薄就不能反映出正應(yīng)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(jié)果是平均應(yīng)力，精度比較低（±30MPa），只能粗略測量厚度方向的平均殘余應(yīng)力，并且對試樣形狀和尺寸限制很嚴(yán)。如果可以對基體表面涂層進(jìn)行逐層剝離測量，則可以測定整個(gè)涂層厚度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力詳細(xì)數(shù)據(jù)，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(tǒng)曲率檢測技術(shù)時(shí)，難于測量小曲率試樣，需要對測量技術(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

（2）鉆孔檢測技術(shù)

又稱盲孔法和套孔法，是目前應(yīng)用廣泛的涂層面內(nèi)殘余應(yīng)力測量方法。鉆孔檢測的原理是將特制箔式應(yīng)變花粘貼在涂層表面上，在應(yīng)變花中心鉆一直徑和深度接近的小孔，產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放，釋放的應(yīng)變可由連接各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變儀測讀出來。通過修正的Kirsch彈性力學(xué)公式則可得到在孔深范圍內(nèi)的平均主應(yīng)力和主應(yīng)力方向角，反映厚度大于0.3mm涂層的各向異性。該技術(shù)測量手段簡單，成本低，測量精度高，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)測試方法并在工程實(shí)際中廣泛采用。美國ASTM E 837《鉆孔應(yīng)變儀測量殘余應(yīng)力》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了殘余應(yīng)力測試方法、要求及其相應(yīng)的鉆孔程序。

鉆孔檢測技術(shù)的缺點(diǎn)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(yīng)力狀態(tài)，另外涂層去除均勻困難，以至于影響殘余應(yīng)力的測量效果。

（3）逐層剝離檢測技術(shù)

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(shù)次剝離過程和剝離后的試樣進(jìn)行應(yīng)變測量得到涂層的殘余應(yīng)力。美國金屬學(xué)會（ASM）所屬的熱噴涂學(xué)會負(fù)責(zé)編制了《逐層剝離修正法評價(jià)熱噴涂涂層殘余應(yīng)力》作為噴涂行業(yè)使用的涂層機(jī)械性能測試標(biāo)準(zhǔn)。該文件給出了試樣制備、需要的設(shè)備、使用應(yīng)變規(guī)的程序、逐層磨除涂層的程序以及為了計(jì)算殘余應(yīng)力而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法。

光學(xué)式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）X射線衍射檢測技術(shù)

X射線衍射法“sin2ψ”是測定涂層殘余應(yīng)力最可靠和最實(shí)用的一種檢測方法。自1971年美國汽車工程師學(xué)會頒布X射線衍射殘余應(yīng)力測定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料學(xué)會頒布國家標(biāo)準(zhǔn)JSMS-SD-10-1973“Standard Method for X-ray Stress Measurement”以來，作為一種無損檢測技術(shù)，測定殘余應(yīng)力的X射線衍射檢測技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，技術(shù)手段也日漸成熟。為反映最新的技術(shù)進(jìn)步和成熟的測定方法，歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會（CEN）于2008年7月批準(zhǔn)使用新的X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)EN 15305-2008“Non-destructive Testing： Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction”， 該標(biāo)準(zhǔn)于2009年2月底在所有歐盟成員國正式實(shí)施。與之相呼應(yīng)，美國試驗(yàn)材料學(xué)會（ASTM）也2010年7月發(fā)布了最新X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。EN 15305-2008歐盟標(biāo)準(zhǔn)對涂層材料和薄層等被測材料的特性進(jìn)行了詳細(xì)說明。

我國在1987年發(fā)布和實(shí)施《X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-1987）標(biāo)準(zhǔn)，2009年則實(shí)施《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-2008）新標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)沒有針對涂層特殊結(jié)構(gòu)材料測定殘余應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定，而在國外，X射線衍射技術(shù)在上世紀(jì)80年代初就被用于噴涂涂層殘余應(yīng)力的檢測。

X射線衍射測量應(yīng)力的基本原理是由于殘余應(yīng)力的存在引起晶格畸變，使得晶格常數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)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(shù)按下列方程式求得殘余應(yīng)力：

式中，E為涂層材料的楊氏模量，ε是涂層應(yīng)變，ν為泊松比，d0和d分別為理想態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距。

X射線衍射檢測技術(shù)對涂層表面應(yīng)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(yán)格，且可以直接對零件測量，加上測量手段簡單，準(zhǔn)確度較高，因此在熱噴涂涂層研制和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。其獨(dú)到之處是能夠同時(shí)測量涂層中不同相的殘余應(yīng)力，如WC-Co涂層表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且涂層中各相的殘余應(yīng)力水平及狀態(tài)不同，WC和W2C相為壓應(yīng)力，且W2C相殘余壓應(yīng)力水平大于WC相；而CO6W6C相則表現(xiàn)為拉應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)晶粒尺寸很小時(shí)會導(dǎo)致衍射峰值變寬，影響測試結(jié)果精度。EN 15305-2008歐盟標(biāo)準(zhǔn)對涂層材料和薄層特性的說明認(rèn)為，在測試薄層時(shí)可能會遇到衍射強(qiáng)度低和/或晶粒數(shù)量不足、由多層材料導(dǎo)致的額外衍射、與基體材料的衍射峰重疊、陡的應(yīng)力梯度以及強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)等問題，同時(shí)涂層材料的X射線彈性常數(shù)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(yīng)力，涂層增厚會造成測試結(jié)果誤差。

（2）中子衍射檢測技術(shù)

該技術(shù)是以中子流為入射束，照射涂層表面產(chǎn)生衍射峰。其原理與X射線衍射基本相同，即根據(jù)衍射峰位置的變化，利用布拉格方程式計(jì)算晶格應(yīng)變量并算出殘余應(yīng)力值。與X衍射相比，中子衍射檢測技術(shù)由于中子穿透的深度較大，可測量涂層深處的殘余應(yīng)力，在一定程度上彌補(bǔ)了X射線衍射穿透能力的不足。然而由于中子射線散射強(qiáng)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(shù)在涂層殘余應(yīng)力研究中應(yīng)用的障礙。

（3）散斑干涉檢測技術(shù)

散斑干涉記錄隨機(jī)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(cuò)位散斑干涉檢測技術(shù)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(fā)熒光譜（PLPS）技術(shù)

光激發(fā)熒光譜技術(shù)是利用Al2O3內(nèi)痕量Cr3+在光激發(fā)態(tài)的d3電子衰減發(fā)出熒光，這種譜線稱為光激發(fā)熒光譜。不同的Al2O3相結(jié)構(gòu)，其Cr3+離子占據(jù)的空間位置不同，相應(yīng)的熒光譜線也不同，d3電子衰減發(fā)出的熒光產(chǎn)生雙峰型特征熒光譜R1和R2，在無應(yīng)力狀態(tài)下其頻率位置分別為14402和14432cm-1。熱生長α-Al2O3膜中存在應(yīng)力會造成譜線頻率位置的偏移，根據(jù)這些偏移值可以計(jì)算膜內(nèi)應(yīng)力。該技術(shù)的優(yōu)勢在于其分辨率高，缺點(diǎn)是只能測量含有Cr3+涂層或區(qū)域的殘余應(yīng)力。

（5）顯微喇曼光譜技術(shù)

采用幾微米的激光束作為激發(fā)源，可以測量殘余應(yīng)力的微觀分布。其物理原理是，單色光束照射固體時(shí)，光子與物質(zhì)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(fā)生非彈性碰撞而散射的光束經(jīng)分光后形成了喇曼光譜，這是含有物質(zhì)特征信息的光譜。如果物體存在應(yīng)力，喇曼光譜中某些對應(yīng)力敏感的譜帶會產(chǎn)生移動。當(dāng)物質(zhì)受壓應(yīng)力作用時(shí)，譜帶會向高頻方向移動，受拉應(yīng)力作用時(shí)譜帶向低頻方向移動，且頻率改變與所受的應(yīng)力呈正比關(guān)系。

試驗(yàn)中通常以激光光束為激勵(lì)光源，采用顯微光學(xué)系統(tǒng)對喇曼光譜進(jìn)行觀察，因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術(shù)。該檢測方法的空間分辨率可達(dá)到幾個(gè)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(dǎo)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(jì)算技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，數(shù)字模型，包括有限元模型，成為一種日益強(qiáng)大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應(yīng)變衍生過程的計(jì)算工具。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是在節(jié)點(diǎn)處相連接的單元集合體；將場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)近似插值來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律；利用力學(xué)變分原理來建立求解方程，以將一個(gè)連續(xù)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(fā)的一套功能強(qiáng)大的有限元工程模擬軟件，被認(rèn)為是功能最強(qiáng)的非線性CAE軟件，它擁有豐富的單元庫和與之相應(yīng)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(zhàn)性的非線性模擬等多種問題，基本可以模擬計(jì)算任意實(shí)際形狀、多種材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等方面的問題。在國外已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個(gè)行業(yè)。另一種使用廣泛的有限元計(jì)算軟件為ANSYS模擬軟件。

有文獻(xiàn)描述了噴涂態(tài)涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統(tǒng)時(shí)，需要有正確的材料數(shù)據(jù)、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網(wǎng)格單元以及不同試驗(yàn)條件下的邊界假設(shè)。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黏性材料，黏結(jié)層則為彈性和黏性-塑性材料。其材料物理數(shù)據(jù)包括面層、熱生長氧化物、粘結(jié)層和基體的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數(shù)，另外還要具備不同溫度下的黏結(jié)層應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)。在上述工作基礎(chǔ)上，給出熱載荷及邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格及其構(gòu)成元素設(shè)計(jì)。

有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進(jìn)行模擬計(jì)算，揭示表面粗糙度、溫度等關(guān)鍵因素對涂層殘余應(yīng)力影響的熱-機(jī)械變化過程。已有的有限元模型計(jì)算結(jié)果表明，在涂層厚度方向內(nèi)存在應(yīng)力梯度，即從涂層表面向內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸演變?yōu)槊鎯?nèi)壓應(yīng)力?；w溫度對應(yīng)力影響明顯，噴涂過程中基體溫度升高，面層內(nèi)殘余應(yīng)力會從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。另外，殘余應(yīng)力與涂層熱歷史密切相關(guān)，在涂層體系熱循環(huán)過程中，由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金黏結(jié)層蠕變作用，殘余應(yīng)力高溫松弛，則在涂層體系冷卻到室溫過程中，因?yàn)榛w與陶瓷層熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致面內(nèi)二維壓應(yīng)力增加。

作者簡介

袁福河，研究員級高級工程師，中航工業(yè)一級專家，現(xiàn)在中航工業(yè)黎明從事航空發(fā)動機(jī)涂層噴涂和物理氣相沉積涂層技術(shù)的工程應(yīng)用工作；

王少剛，研究員級高級工程師，現(xiàn)為中航工業(yè)黎明副總經(jīng)理，總工程師，主持和管理航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)工程應(yīng)用方面的工作；

王璐，研究員級高級工程師，中航工業(yè)特級專家，現(xiàn)在中航工業(yè)黎明主持和從事航空發(fā)動機(jī)涂層噴涂和物理氣相沉積涂層技術(shù)的工程應(yīng)用工作；

張春剛，研究員級高級工程師，中航工業(yè)黎明技術(shù)中心表面所所長，主持和管理航空發(fā)動機(jī)涂層表面工程技術(shù)工程應(yīng)用方面的工作。