PVD薄膜傳感器的振動(dòng)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)可行性研究

宋雨鍵,崔榮洪,劉凱,馬斌麟,高志剛

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,710038,西安; 2.中國(guó)人民解放軍95606部隊(duì),646000,四川瀘州)

在飛機(jī)服役過(guò)程中,由于各種荷載和環(huán)境條件的作用,金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度會(huì)逐漸降低,進(jìn)而出現(xiàn)疲勞、腐蝕、磨損等多種形式的損傷,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1-3]。其中,疲勞失效是金屬結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中最常見(jiàn)的失效方式,約占全部失效構(gòu)件的50%～90%[4]。疲勞失效時(shí)材料宏觀上無(wú)塑性變形,失效形式往往為低應(yīng)力下的破斷,且疲勞失效受載荷歷程的影響嚴(yán)重,這使得疲勞失效相比于靜載荷下的失效更加危險(xiǎn)和難以察覺(jué)[5]。

在結(jié)構(gòu)疲勞破壞中,有一類(lèi)特殊情形,那就是振動(dòng)疲勞破壞。振動(dòng)疲勞失效相比于一般靜態(tài)疲勞,往往具有載荷組成復(fù)雜(結(jié)構(gòu)受多種沖擊、瞬態(tài)或隨機(jī)載荷影響)、響應(yīng)不可控(結(jié)構(gòu)受外載荷與結(jié)構(gòu)自身模態(tài)慣性力與阻尼力影響)等特點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)安全的威脅更加致命[6]。國(guó)內(nèi)由于振動(dòng)疲勞發(fā)生過(guò)多起飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效案例,例如:2002年中國(guó)臺(tái)灣的中華航空611號(hào)班機(jī)發(fā)生空中解體墜毀,機(jī)上人員全部罹難,原因是飛機(jī)在發(fā)生事故后維修不當(dāng),缺陷部位在振動(dòng)載荷下發(fā)生高周疲勞失效[7];中國(guó)某軍機(jī)蓄壓油箱曾發(fā)生過(guò)空中爆破事故,其原因是蓄壓油箱所處位置的外部振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜,油箱殼體出現(xiàn)疲勞裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致燃油泄漏,從而造成了嚴(yán)重事故[8]。由此可知,對(duì)機(jī)體主要承載結(jié)構(gòu)和重要部位進(jìn)行裂紋監(jiān)測(cè),是防止、減少安全隱患和災(zāi)難性事故發(fā)生的一種重要手段,對(duì)確保飛機(jī)的適航性、安全性有著重大意義。

目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)的主要手段有壓電薄膜傳感器[9]、光纖傳感器[10]、相對(duì)真空傳感器[11]、渦流傳感器[12]、聲發(fā)射技術(shù)[13]等。物理氣象沉積(PVD)薄膜傳感器以電位法原理[14]和與基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性為基礎(chǔ),是一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新型手段。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種基于電位法的裂紋監(jiān)測(cè)傳感器,并通過(guò)對(duì)傳感器有限元模型的輸出特性進(jìn)行分析,驗(yàn)證了該方案的可行性。文獻(xiàn)[16]使用編制的加速試驗(yàn)譜對(duì)采用最佳沉積材料和工藝參數(shù)制備的薄膜傳感器開(kāi)展了模擬服役環(huán)境下PVD薄膜傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的應(yīng)用驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]嘗試在孔擠壓強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件上制備了PVD薄膜傳感器,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體具有良好的損傷一致性,適用于強(qiáng)化基體的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)。以上研究表明,基于結(jié)構(gòu)一體化的PVD薄膜傳感器具有廣闊的發(fā)展前景。但是,現(xiàn)階段關(guān)于PVD薄膜傳感器的研究還多集中于常規(guī)疲勞損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,針對(duì)振動(dòng)疲勞問(wèn)題的研究還未開(kāi)展,一些重要問(wèn)題急需解決,例如:傳感器與基體具有良好的損傷一致性是PVD薄膜傳感器使用的重要前提[17],因此PVD薄膜傳感器能否在振動(dòng)環(huán)境中、復(fù)雜多變的載荷的作用下具有與基體良好的損傷一致性需要進(jìn)行深入研究;由于陽(yáng)極氧化會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞性能造成影響[18],所以陽(yáng)極氧化以及傳感器的制備過(guò)程是否會(huì)對(duì)基體的振動(dòng)疲勞性能產(chǎn)生不利影響也需開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本研究以基于離子鍍膜技術(shù)制備的PVD薄膜傳感器為研究對(duì)象,從工程應(yīng)用角度出發(fā),利用對(duì)比試驗(yàn),從損傷一致性和對(duì)普通基體振動(dòng)疲勞性能的影響兩個(gè)方面對(duì)PVD薄膜傳感器應(yīng)用于普通基體振動(dòng)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證,并進(jìn)行了普通基體試驗(yàn)件振動(dòng)疲勞裂紋的在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

1 研究方法

1.1 PVD薄膜傳感器監(jiān)測(cè)原理

PVD薄膜傳感器是采用現(xiàn)代表面工程技術(shù)中的PVD方法,將導(dǎo)電功能材料一體化集成在金屬結(jié)構(gòu)表面,通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)信息的變化來(lái)感知金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋損傷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手段[19]。由里及表,PVD薄膜傳感器依次由絕緣隔離層、導(dǎo)電傳感層、封裝保護(hù)層共3層功能梯度材料構(gòu)成。PVD薄膜傳感器監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)疲勞損傷原理如圖1所示。與傳統(tǒng)直流電位法的差別在于,PVD薄膜傳感器對(duì)金屬結(jié)構(gòu)裂紋的監(jiān)測(cè)主要依賴(lài)于其自身與基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性,即當(dāng)基體金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷時(shí),具有隨附損傷特性的導(dǎo)電傳感層也在相同部位出現(xiàn)裂紋,并隨基體裂紋不斷擴(kuò)展,引起損傷區(qū)域損傷傳感層的電阻變化,通過(guò)監(jiān)測(cè)分析損傷傳感層的電位(電阻)信息就能得出基體結(jié)構(gòu)的損傷情況。由于PVD薄膜傳感器的損傷傳感層厚度僅為微米級(jí),且一般采用導(dǎo)電性能較強(qiáng)的Cu、TiN等材料制備,裂紋的萌生與擴(kuò)展對(duì)其電阻將產(chǎn)生更大的影響。

圖1 PVD薄膜傳感器原理示意圖

1.2 可行性分析的必要性

飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)與機(jī)載設(shè)備、零部件的設(shè)計(jì)往往都考慮了其振動(dòng)模態(tài),這些結(jié)構(gòu)的固有共振頻率會(huì)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)工作及飛行中突風(fēng)載荷的振動(dòng)頻率,從而避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生共振和疲勞失效加速。因此,PVD薄膜傳感器的制備若大幅度改變了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)特性,將打破原有的規(guī)避設(shè)計(jì),增加結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

如果結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手段的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)基體的振動(dòng)疲勞性能降低,那么對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)也將失去意義。在PVD薄膜傳感器制備過(guò)程中,陽(yáng)極氧化、離子鍍膜等工藝會(huì)在強(qiáng)化基體時(shí)局部引入較高溫度,復(fù)雜的表面處理工藝也有可能改變基體表面的應(yīng)力分布,進(jìn)而影響基體的振動(dòng)疲勞性能。由于這些因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜,本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā),利用對(duì)比試驗(yàn),研究PVD薄膜傳感器的制備對(duì)試驗(yàn)件振動(dòng)疲勞性能的影響。

2 試驗(yàn)件及傳感器制備

2.1 試驗(yàn)件及傳感器位置的確定

本研究選擇飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中使用廣泛的2A12-T4鋁合金作為基體材料,其具體成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。參照航空工業(yè)部的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法[20]設(shè)計(jì)了平面結(jié)構(gòu),振動(dòng)疲勞試驗(yàn)件平面尺寸如圖2所示。

表1 2A12-T4鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖2 試驗(yàn)件平面尺寸

該型試驗(yàn)件的模型為對(duì)稱(chēng)模型,為保證分析結(jié)果的真實(shí)有效,同時(shí)提高計(jì)算效率,參照文獻(xiàn)[21]中對(duì)于網(wǎng)格的劃分方式,將試驗(yàn)件在厚度方向劃分為8層網(wǎng)格,網(wǎng)格厚度約為0.25 mm,網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為1.5 mm。采用Abaqus有限元仿真軟件對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行模態(tài)分析求解,得到第1階振型(共振頻率為173.05 Hz)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力分布,如圖3所示。

圖3 第1階振型危險(xiǎn)部位的應(yīng)力分布

由圖3可知,在狗骨型試驗(yàn)件弧邊處,應(yīng)力急劇增大。在弧邊應(yīng)力集中區(qū)域的中心,沿試驗(yàn)件寬度方向建立路徑1,沿厚度方向建立路徑2,做出第1階振型Mises應(yīng)力沿路徑1、2的分布曲線,如圖4所示。由圖4可知:沿寬度方向,應(yīng)力變化幅度較小,但兩側(cè)弧邊應(yīng)力較中部更為集中;沿厚度方向,試驗(yàn)件應(yīng)力變化幅度巨大,試驗(yàn)件上下表面應(yīng)力集中而截面中部應(yīng)力較低,出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。以上分析表明,試驗(yàn)件在該振型下的疲勞損傷部位可能位于上下表面靠近弧邊的兩側(cè)。

2.2 PVD傳感器制備

(a)路徑1

(b)路徑2圖4 應(yīng)力沿不同路徑的分布曲線

根據(jù)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與有限元分析結(jié)果,參考適用于傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)件的PVD薄膜傳感器工藝參數(shù)[17],在試驗(yàn)件危險(xiǎn)部位制備PVD薄膜傳感器。PVD薄膜傳感器的絕緣隔離層采用硫酸陽(yáng)極氧化工藝制備Al2O3薄膜,以模擬在飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)中廣泛使用的陽(yáng)極氧化表面處理,具體工藝步驟如圖5所示。隨后,應(yīng)用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù),在陽(yáng)極氧化處理后的試驗(yàn)件上制備Cu導(dǎo)電傳感層,沉積工藝參數(shù)如表2所示。最終制備完成的PVD薄膜傳感器形貌如圖6所示,其在服役結(jié)構(gòu)上使用前還需采用AlN薄膜與705硅膠進(jìn)行封裝處理。

圖5 陽(yáng)極氧化工藝流程

表2 沉積工藝參數(shù)

圖6 制備的覆有PVD薄膜傳感器形貌

3 可行性驗(yàn)證

3.1 PVD薄膜傳感器對(duì)基體振動(dòng)響應(yīng)特性的影響

選擇3個(gè)試驗(yàn)件(x-1、x-2、x-3),在陽(yáng)極氧化及PVD薄膜制備前后,分別采用定加速度方式進(jìn)行掃頻,定加速度為50 Hz/min,激振量級(jí)為0.1 g,掃頻范圍為100～300 Hz,掃頻量級(jí)為0.5%。通過(guò)分析試驗(yàn)件在陽(yáng)極氧化和PVD薄膜制備前后第1階共振頻率與振動(dòng)幅值的變化,來(lái)判定PVD薄膜傳感器制備過(guò)程對(duì)試驗(yàn)件振動(dòng)特性是否存在影響。統(tǒng)計(jì)的掃頻結(jié)果如表3所示,其中A狀態(tài)表示試驗(yàn)件原始狀態(tài),B狀態(tài)表示試驗(yàn)件陽(yáng)極氧化后的狀態(tài),C狀態(tài)表示試驗(yàn)件陽(yáng)極氧化后制備有PVD薄膜的狀態(tài)。

由表3可知,經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后,試驗(yàn)件的固有頻率出現(xiàn)較為明顯的改變,下降幅度在20%左右。除考慮試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境因素、試驗(yàn)因素和人為因素等造成的誤差外,原因分析為陽(yáng)極氧化的前處理和陽(yáng)極氧化過(guò)程會(huì)造成雜質(zhì)或第二相粒的溶解,產(chǎn)生點(diǎn)蝕等試樣表面的缺陷[22],從而使試驗(yàn)件厚度減小,造成試驗(yàn)件固有頻率降低。陽(yáng)極氧化處理后的試驗(yàn)件固有頻率與有限元仿真的第1階振型共振頻率相差更大,更利于防止試驗(yàn)件共振破壞。陽(yáng)極氧化處理后的試驗(yàn)件上再制備PVD薄膜,固有頻率基本沒(méi)有發(fā)生變化,所以制備PVD薄膜對(duì)試驗(yàn)件的固有頻率幾乎不存在影響。同時(shí),陽(yáng)極氧化處理能夠減小試驗(yàn)件在相同量級(jí)下的位移振幅,變化率普遍達(dá)到65%左右,有助于抑制金屬結(jié)構(gòu)的劇烈共振。同樣地,制備PVD薄膜幾乎對(duì)試驗(yàn)件的位移振幅不存在不利影響。因此,PVD薄膜傳感器制備不會(huì)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生不良影響。

表3 試驗(yàn)件掃頻結(jié)果

3.2 PVD薄膜傳感器對(duì)基體振動(dòng)疲勞強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)采用東菱ES-50-445電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)Vibstar振動(dòng)控制儀產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),經(jīng)功率放大器放大后由振動(dòng)臺(tái)經(jīng)夾具傳遞給試驗(yàn)件,為了控制試驗(yàn)系統(tǒng)在指定頻率下穩(wěn)定振動(dòng),使用激光位移傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件的位移,通過(guò)電荷式傳感器測(cè)量該系統(tǒng)的加速度,并據(jù)此調(diào)整激勵(lì)信號(hào),形成閉環(huán)控制。對(duì)試驗(yàn)件邊緣使用280號(hào)砂紙進(jìn)行打磨處理,消除因切割加工產(chǎn)生的毛刺。使用有限力矩扳手,對(duì)4個(gè)螺栓施加120 N·m的扭矩,然后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行夾持。根據(jù)有限元仿真結(jié)果及幾何對(duì)稱(chēng)原則,將應(yīng)變片布置在狗骨型試驗(yàn)件弧形段上表面。這是因?yàn)樵囼?yàn)件第1階振型在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,在此處布置應(yīng)變片便于后續(xù)的應(yīng)力標(biāo)定。考慮到升降法[23]需要的試驗(yàn)件數(shù)量和耗費(fèi)的時(shí)間較多,且對(duì)試驗(yàn)件的同一性要求特別高,因此在此次可行性探究試驗(yàn)中考慮使用逐步加載法進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn),具體步驟為:在105 MPa應(yīng)力下進(jìn)行106次循環(huán)加載,若試驗(yàn)件未發(fā)生破壞,則增加5%應(yīng)力后再進(jìn)行106次循環(huán)加載,重復(fù)以上步驟直至試驗(yàn)件失效。

由于在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中不便于直接觀測(cè)裂紋損傷,依據(jù)前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),假設(shè)當(dāng)試驗(yàn)件第1階固有頻率相對(duì)于初始值下降10%為試驗(yàn)件失效[24],并停止試驗(yàn)。試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中:σA為高周疲勞強(qiáng)度;σf為失效應(yīng)力;σpr為失效前一應(yīng)力;Nf為失效應(yīng)力下加載的循環(huán)數(shù);Nt為固定加載循環(huán)數(shù),本文為106。

根據(jù)上述步驟,分別對(duì)10個(gè)狗骨型標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件(d-1～d-10)進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對(duì)10個(gè)陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件(p-1～p-10)進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表4可得:除去3個(gè)試驗(yàn)件(d-3、d-9、d-10)在第1次加載時(shí)便出現(xiàn)裂紋不符合初步加載法要求致使數(shù)據(jù)無(wú)效外,剩余試驗(yàn)件的平均疲勞強(qiáng)度為113.05 MPa。在對(duì)陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),p-1與p-2試驗(yàn)件均在逐級(jí)加載4次后,在120 MPa應(yīng)力水平才失效破壞,因此從p-3試驗(yàn)件開(kāi)始,將初始應(yīng)力水平提高至115 MPa以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。從表5可得,陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件的平均疲勞強(qiáng)度為121.36 MPa,且各試驗(yàn)件疲勞強(qiáng)度的分散性較小。相較于原始試驗(yàn)件,本組試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度有小幅度的升高,普遍集中于119～123 MPa。分析可能是陽(yáng)極氧化工藝中的高溫提高了鋁合金基體的表面內(nèi)應(yīng)力,陽(yáng)極氧化膜具有高于鋁合金基材的硬度,致使試驗(yàn)件的振動(dòng)疲勞性能略有提高。

表4 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表5 陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜試驗(yàn)件的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 振動(dòng)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)初步驗(yàn)證

PVD薄膜傳感器已被驗(yàn)證能夠在試驗(yàn)室條件下對(duì)常規(guī)疲勞裂紋進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[25],但疲勞裂紋的萌生過(guò)程是復(fù)雜的,振動(dòng)疲勞的損傷機(jī)理與常規(guī)疲勞存在一定差異,因此有必要通過(guò)可行性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

原試驗(yàn)件和陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件的最終破壞形貌如圖7所示。陽(yáng)極氧化后危險(xiǎn)弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件最終破壞形貌與原試驗(yàn)件類(lèi)似,裂紋在試驗(yàn)件弧段表面萌生并擴(kuò)展,與有限元分析結(jié)果吻合。此外,由于整個(gè)試驗(yàn)周期較長(zhǎng),且未對(duì)PVD薄膜施加封裝保護(hù),試驗(yàn)結(jié)束時(shí)大多數(shù)PVD薄膜已經(jīng)發(fā)生明顯的氧化、變暗。同時(shí),個(gè)別試驗(yàn)件疲勞裂紋周邊的PVD薄膜出現(xiàn)脫落分層等失效現(xiàn)象,分析原因?yàn)楣饭切驮囼?yàn)件的1階模態(tài)在弧段表面應(yīng)力最為集中。在振動(dòng)疲勞載荷作用下,PVD薄膜傳感器與基體的損傷一致性有待提高,而PVD薄膜傳感器損傷傳感層與基體的結(jié)合力主要與薄膜制備工藝參數(shù)相關(guān)[25],因此后期需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定最佳的薄膜制備工藝參數(shù)。

(a)原試驗(yàn)件

(b)制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件圖7 試驗(yàn)件破壞形貌

指定測(cè)量點(diǎn)位示意圖如圖8所示。在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)前后分別使用大華DH1718E直流穩(wěn)壓電源,從圖8中B點(diǎn)輸入、C點(diǎn)輸出3 A的恒定直流電流,并分別測(cè)量試驗(yàn)件破壞前后的電壓UAC、UAD、UBC、UBD,結(jié)果如圖9所示。PVD薄膜傳感器的電阻值受諸多因素(如多次循環(huán)加載、溫度等)的影響,但是由這些因素引起的電阻值變化均是微小、緩慢的,對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

圖8 指定測(cè)量點(diǎn)位示意圖

(a)UAC

(b)UAD

(c)UBC

(d)UBD圖9 指定點(diǎn)位間的電位差對(duì)比

試驗(yàn)前后PVD薄膜傳感器指定點(diǎn)位間的電位差對(duì)比如圖9所示,可以看出:在疲勞試驗(yàn)前,PVD薄膜傳感器的指定點(diǎn)位間電位差基本保持恒定,而在振動(dòng)疲勞失效后,幾乎所有的試驗(yàn)件,不同監(jiān)測(cè)位點(diǎn)之間的電位差均是顯著增大的;同一試驗(yàn)件不同測(cè)量位點(diǎn)之間電位差在疲勞失效前后增大的幅度也存在較大差異。在此次試驗(yàn)中,UAC、UAD、UBC、UBD的均值分別從失效前的0.26、0.34、0.33、0.29 V增至失效后的0.75、0.83、0.75、0.95 V,試驗(yàn)件疲勞失效后指定點(diǎn)的電位差均值約為失效前的2～3倍,增加幅度顯著。因此,后期通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行合理布置,可以實(shí)現(xiàn)PVD薄膜傳感器的裂紋精確監(jiān)測(cè)。

綜上可知,PVD薄膜與金屬基體結(jié)構(gòu)在振動(dòng)載荷下具備損傷一致性,試驗(yàn)件疲勞失效后,PVD薄膜部分指定點(diǎn)位間的電位差會(huì)發(fā)生顯著變化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基體振動(dòng)疲勞裂紋的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 論

(1)不同狀態(tài)下試驗(yàn)件的振動(dòng)疲勞對(duì)比試驗(yàn)及顯著性分析結(jié)果表明,PVD薄膜傳感器制備過(guò)程中的陽(yáng)極氧化工藝及離子鍍膜沉積過(guò)程不會(huì)對(duì)基體的振動(dòng)疲勞性能造成不利影響。

(2)疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析表明,PVD薄膜傳感器與基體在振動(dòng)疲勞載荷下具有較好的損傷一致性,但現(xiàn)有的鍍膜工藝參數(shù)亟需改進(jìn)優(yōu)化。這為后續(xù)PVD薄膜傳感器形狀的確定以實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供了參考。

(3)封裝保護(hù)是確保PVD薄膜傳感器耐久性的重要保證,而現(xiàn)有的鍍膜工藝參數(shù)存在結(jié)合力差、易氧化等致命問(wèn)題,因此后續(xù)有必要針對(duì)封裝保護(hù)層的最優(yōu)制備材料和工藝進(jìn)行相關(guān)研究。

綜上,PVD薄膜傳感器適用于對(duì)普通基體振動(dòng)疲勞裂紋的監(jiān)測(cè)。