銅鎳銦（CuNiIn）涂層剪切實驗的失效分析及提高一次合格率

吳雷*

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銅鎳銦（CuNiIn）涂層剪切實驗的失效分析及提高一次合格率

吳雷*

(中國航發(fā)成都發(fā)動機股份有限公司，成都610500）

大氣等離子噴涂（APS）工藝噴涂NiAl/CuNiIn涂層，常用于提升航空發(fā)動機風扇機匣、渦輪軸延伸段和葉片榫頭等零部件的抗微動磨損性能。為了保證涂層可以承受零件微動狀態(tài)下的剪切載荷，需要考核涂層的剪切強度。影響涂層的剪切強度的因素主要包括涂層的狀態(tài)和測試過程等兩方面，本文重點研究剪切測試過程，通過六西格瑪工具分析涂層的失效狀態(tài)，分析剪切實驗的影響因素并研究改進措施，提高搭接剪切強度實驗的一次合格率。

六西格瑪工具；銅鎳銦（CuNiIn）涂層；剪切強度檢測；失效分析

引言

因該涂層應用于航空發(fā)動機的抗微動磨損環(huán)境，故需要通過剪切實驗，驗證涂層的抗剪切強度[1]。實際生產(chǎn)過程中每件零件在噴涂時都需進行剪切強度測試，但目前剪切強度實驗一次合格率不超過60%，嚴重制約了零件的交付。根據(jù)國內(nèi)外對剪切實驗的研究[2]，存在以下幾個技術難點：（1）試片準備要求高；（2）操作步驟復雜；（3）操作過程控制難；（4）精度要求高；（5）實驗無效率很高等。鑒于以上技術難點，國內(nèi)外有大量技術人員在研究如何提高等離子噴涂銅鎳銦涂層的剪切實驗一次合格率，但目前仍未有切實有效的改進方法[3]。目前國內(nèi)基本使用粘接實驗來檢測涂層的結(jié)合力，而我們能查詢到國外進行剪切實驗的相關資料少之又少，因此本文通過對實驗過程進行研究，通過六西格瑪工具來探討提高搭接剪切強度實驗的一次合格率的方法。

1 實驗材料、設備及方法

1.1 實驗材料及設備

試片的尺寸(114.30±38)mm×(25.4±0.25)mm×(1.52-2.28)mm，材料為In718。為保證粘接后試片的整體平行度小于0.25mm，實驗前對試片的平行度進行檢測，要求小于0.1mm。選用METCO 450NS粉末作為粘接層，涂層厚度約0.15mm。 METCO 58NS粉末作為面層,涂層厚度約0.20mm。噴涂系統(tǒng)采用Praxair3620，噴槍安裝于ABB機械手上，實現(xiàn)自動化噴涂，因考慮避免噴涂準備及參數(shù)的影響，同批次共加工80組試片進行剪切實驗。

1.2 實驗要求

要求涂層的搭接剪切強度高于6000Psi。當強度高于6000Psi時，不考慮斷裂位置，都視為有效。當涂層的搭接剪切強度低于6000Psi時，并且斷裂發(fā)生在任意一粘接膠面，只要有一面的膠面積占80%以上，則實驗無效，即不能夠真實反映涂層的搭接剪切強度。當涂層的搭接剪切強度低于6000Psi時，只要斷裂膠的面積低于80%，則實驗不合格，即能夠真實反映涂層的搭接剪切強度。

1.3 實驗方法

使用毛刷蘸酒精清洗待粘結(jié)面，并在空氣中晾干，以保證試片表面清潔干凈。粘接劑使用進口FM-1000固體薄膜膠粘接涂層試樣與剪切試片，在裝配過程中，粘結(jié)劑應在所有涂層邊緣的±1.27mm以內(nèi)，彈簧使用65#鋼。固化時放置在德國memmert 公司的固化爐（UFE500AO）中1-4小時，固化溫度設置為191±14℃。使用德國ZWICK拉伸實驗機（Z150）進行加載測試，載荷以每分鐘0.05英寸（1.27mm/min）的速度施加。搭接剪切實驗，按照以下操作步驟進行實驗：

（1）拉伸實驗應在室溫下進行；

（2）將試片裝配在實驗機并加緊；

注釋: (a) 涂層厚度B1, B2=0.350+0.100inch (8.89+2.54mm) (b) 所有的試片表面平行度應控制在0.25mm。 (c) 所有尺寸為毫米

（3）兩個外部試片的端部之間應加足夠的墊片，以防止實驗過程中加緊試片時使試片發(fā)生彎曲。試片應通過鉗夾將端部緊緊地均勻地夾在實驗機的鉗夾中。鉗夾和試樣對中，并且鉗夾互相相對，在這樣的位置，設想的中心線應通過試片的中心，并通過懸掛接頭。試片應夾持在離搭接處邊緣不低于51mm的位置。試片的裝夾及實驗方法見圖1。

（4）載荷以每分鐘0.05英寸（1.27mm/min）的速度施加。

（5）評估實驗結(jié)果，若實驗無效，分析實驗無效原因，并進行替代實驗。

2 實驗設計及分析

通過六西格瑪工具對實驗結(jié)果進行分析，設定剪切實驗標準為Y，對Y的測量系統(tǒng)進行分析，測量系統(tǒng)分析圖如圖2所示。

2.1 實驗數(shù)據(jù)集和實驗設置

%研究變異為18.88%說明測量系統(tǒng)可接受，%公差為0.62說明測量系統(tǒng)波動很小，可區(qū)分的類別數(shù)位7說明測量系統(tǒng)有足夠的分辨力，綜上可以判定測量系統(tǒng)合格。

從變異分量圖可以看出，測量系統(tǒng)的重復性和再現(xiàn)性波動不明顯，表明操作者各自的測量結(jié)果一致性較好。從R控制圖可以看出，操作者兩次測量結(jié)果差異不大，說明人員操作穩(wěn)定，對測量結(jié)果的影響不大。從XBar 控制圖看以看出，黑點為3個測量員對樣件兩次測量結(jié)果的均值，紅線對于黑點的波動較小，說明測量系統(tǒng)對總波動影響小。另外，測量值和批次號、測量值和操作者、操作者和批次號間的波動均不明顯，說明這些因素不會對測量系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)實驗過程建立的魚骨圖如圖3所示，可能的影響因素包括：人員、實驗的試片、粘接膠的狀態(tài)、基體粗糙度、涂層厚度、涂層面積、平行度、吹砂和噴涂設備、固化爐、拉伸實驗機、粘接夾具、測量工具等。

圖3 因果矩陣-魚骨圖

根據(jù)影響因素制定數(shù)據(jù)收集計劃，如表1。

表1 數(shù)據(jù)收集計劃

2.1 粘接夾具對剪切強度的影響

如圖4所示為夾具設計圖，圖5為組裝示意圖，固化時彈簧對壓塊進行加載，緊定螺釘與壓緊螺釘下端的間隙為壓塊可活動的行程，進而試片受到壓塊的壓力。

圖4 夾具設計圖

圖5 組裝示意圖

使用同批次加工試片，對粘接夾具在粘接過程中是否產(chǎn)生影響進行分析。進行剪切實驗前，為保證粘接夾具不會對粘接后的狀態(tài)造成影響，對粘接夾具的定位面進行平面度檢測。具體數(shù)據(jù)請見表2。

表2 粘接夾具檢測結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出，剪切實驗用的粘結(jié)夾具定位面的平面度非常好，可以排除夾具定位面對實驗的影響。

使用不同夾具，進行實驗，對實驗結(jié)果進行分析如圖6所示。

通過上述兩組實驗結(jié)果及分析，可以看出，P為0.412大于0.05，R-Sq調(diào)整為0，說明每個夾具之間沒有明顯差異。剪切夾具對實驗結(jié)果的影響不顯著。但剪切夾具應定期維護及測量，保證每次實驗前夾具的平行度都符合實驗要求，即平行度小于0.02mm。

2.2 平行度對剪切強度的影響

設計不同的平行度進行實驗，得到的結(jié)果如圖7。使用毛刷蘸酒精清洗待粘結(jié)面，并在空氣中晾干，以保證試片表面清潔干凈。在平臺上使用篩尺檢測固化后試片平行度，并記錄。在室溫下，由同一位實驗者使用拉伸實驗機檢測其剪切強度。

通過本次實驗發(fā)現(xiàn)，平行度對剪切實驗結(jié)果的影響十分明顯。根據(jù)公式測量值=8113-平行度x10688可以得出，平行度小于0.197mm時，剪切實驗的結(jié)合力相對穩(wěn)定且大于6000Psi，可以真實的體現(xiàn)涂層的剪切強度。

對平面度與剪切強度的關系進行分析。標準要求所有的試片表面平行度應控制在0.25mm。試片的平行度在固化后將不會改變，所以主要考慮試片在加載時的受力狀態(tài)，試片受力見圖8。

圖8 試片正常的受力狀態(tài)

無論哪個位置的平行度與其他位置不匹配，將導致加載的力不均勻，粘接劑在未收到正常壓力的情況下將無法完全與試片結(jié)合，結(jié)合力低，并且無法真實的體現(xiàn)出涂層的性能，試片受力見圖9。

圖9 試片不正常的受力狀態(tài)

試片不正常的受力狀態(tài)，會使加載力不均勻時，斷裂狀態(tài)如圖10所示。斷裂面為膠面100%，測得的結(jié)合力為4300psi，結(jié)論評為失效，無法代表涂層真實的性能。根據(jù)實驗結(jié)果可以確定，試片整體的平行度對結(jié)果有直接的影響。

圖10 加載力不均勻時的斷裂狀態(tài)

根據(jù)試片受力圖，可能影響平行度的因素為實驗中各組件的厚度差及收縮率。涂層、試片尺寸會有一定差異，但固化前后不會出現(xiàn)厚度變化。實驗前對試片的平行度進行檢測，平行度要求小于0.1mm。通過測量試片厚度、涂層厚度、粘接劑的厚度來選擇墊片的厚度。膠在固化前后會產(chǎn)生一定的收縮，造成厚度差。使試片的受力不均勻，平行度與粘接前不一致。為此，進行4組實驗，計算出其收縮率。實驗結(jié)果見表3。

表3 粘接膠收縮率實驗結(jié)果

注：固化前厚度=2個帶有涂層的試片+中間空白試片+上下各一片膠。

根據(jù)這組數(shù)據(jù)可以得出，一片膠在固化前后會有約0.2mm的變化，實際粘接過程中，空白試片與兩個涂層試片的粘接是由兩片膠進行的。即剪切試樣在粘接前后會有約0.4mm的厚度差。針對此問題，制定了兩種改進方案。

1、重新加工墊片，要求墊片（厚度）=空白試片+涂層+膠*（1-收縮率）。

2、重新加工墊片，要求墊片（厚度）=空白試片+涂層，墊塊應與空白試片處使用相同數(shù)量和批次的膠進行粘接。

方案1中，因不同批次的膠的收縮率有細微差別，需要加工的墊片的規(guī)格需要覆蓋的范圍比較大，成本較高。方案2中，空白試片+涂層的厚度相對固定，對墊片的要求相對較低，墊塊與空白試片處使用相同數(shù)量和批次的膠，可以降低膠的厚度變化對試片平行度的影響。

按照方案2進行30組實驗，所有試片平行度小于0.2mm，結(jié)果如圖11

圖11 平行度小于0.2mm的實驗結(jié)果分析圖

對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，雖然P小于0.05，但確定關鍵因素時即需要考慮P值，又需要考慮因素影響的大小（R-Sq調(diào)整）。R-Sq調(diào)整為44.4%，影響不顯著。說明但當平行度控制在0.2mm以下時，平行度不是影響測量值的關鍵因素。本次實驗有3組實驗結(jié)果為失效，無不合格試片，合格率為90%。

3 結(jié)語

1）現(xiàn)有的工裝夾具的定位面對實驗過程和最終的平行度的影響不顯著。但剪切夾具應定期維護及測量，保證每次實驗前夾具的平行度都符合實驗要求，即平行度小于0.02mm。

2）剪切實驗失效的主要影響因素為試片的平行度，根據(jù)公式（測量值=8113-平行度x10688）可以得出，平行度小于0.197mm時，剪切實驗的結(jié)合力相對穩(wěn)定且大于6000Psi，可以真實的體現(xiàn)涂層的剪切強度。

3）影響組裝試片平行度的因素是各部件本身的平行度和部件間的厚度差。試片的平行度進小于0.1mm，粘接前按下述兩種方案選擇墊片，

1、墊片（厚度）=空白試片+涂層+膠*（1-收縮率）。

2、墊片（厚度）=空白試片+涂層，墊塊應與空白試片處使用相同數(shù)量和批次的膠進行粘接。

4）通過六西格瑪工具的分析和改進，當剪切實驗拉伸前，組裝試片的平行度小于0.20mm時，銅鎳銦（CuNiIn）涂層剪切實驗的一次合格率達到了90%。

[1] 徐濱士, 朱紹華. 表面工程的理論與技術[M]. 北京: 國防出版社, 1999.

[2] 李國英. 材料及其制品表面加工新技術[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2003.

[3] 楊班權, 陳光南, 張坤. 涂層/基體材料界面結(jié)合強度測量方法的現(xiàn)狀與展望[J]. 力學進展 2007. 25(2):67-70.

Failure Analysis and Pass Rate Improvement of CuNiIn Coating Shear Experiment

WU Lei*

(Chengdu Engine Group Co., Ltd, Chengdu 610500)

Atmospheric plasma spraying (APS) technology NiAl/CuNiIn coating is usually used to improve the fretting wear resistance property for aircraft engine fan casing, turbine shaft extension and blade rabbet. In order to ensure that the coating can withstand the shear load under the fretting condition, the shear strength of the coating needs to be considered. The factors that influence the shear strength include coating state and test procedure etc. The shear test procedure is emphatically studied in this paper. The failure state is analyzed through six sigma tools; the influence factors of the shearing test are analyzed; the improvement measures are studied to improve the pass rate of the lap joint shear strength test.

six sigma tools; CuNiIn coating; shear strength test; failure analysis

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.02.08

V25

A

1672-9129(2017)02-0041-05

2016-11-25；

2017-01-07。

吳雷，男，四川成發(fā)航空科技股份有限公司。

E-mail:wulei-fast@avic.com

引用：吳雷. 銅鎳銦（CuNiIn）涂層剪切實驗的失效分析及提高一次合格率[J]. 數(shù)碼設計, 2017, 6(2): 41-45.

Cite：Wu Lei.Failure Analysis and Pass Rate Improvement of CuNiIn Coating Shear Experiment [J]. Peak Data Science, 2017, 6(2): 41-45.