樸鐘宇,趙朦朦,徐濱士,王海斗,文東輝

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江杭州310012; 2.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實驗室,北京100089)

等離子噴涂鐵基涂層疲勞磨損裂紋捕捉技術(shù)研究

樸鐘宇1,趙朦朦1,徐濱士2,王海斗2,文東輝1

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江杭州310012; 2.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實驗室,北京100089)

采用等離子噴涂制備了鐵基涂層,使用聲發(fā)射技術(shù)對涂層的疲勞磨損實驗進(jìn)行在線監(jiān)測,捕捉裂紋動態(tài)信息,總結(jié)典型的聲發(fā)射信號反饋類型,通過滲透探傷的方式對涂層表面微損傷區(qū)域進(jìn)行表征,并采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)技術(shù)對涂層的微損傷區(qū)域進(jìn)行亞表層分析探索失效機(jī)理。結(jié)果表明:涂層疲勞磨損過程中聲發(fā)射信號反饋分為3個階段,即磨合期、穩(wěn)定期和突變期;結(jié)合滲透探傷技術(shù)可以有效鎖定涂層表面微損傷區(qū)域,驗證聲發(fā)射信號反饋的準(zhǔn)確性,可見通過聲發(fā)射在線監(jiān)測技術(shù)可以準(zhǔn)確地捕捉涂層內(nèi)部的開裂;FIB-SEM分析表明涂層疲勞磨損失效的起源是近表層微缺陷。

材料表面與界面;等離子噴涂;鐵基涂層;疲勞磨損;聲發(fā)射;裂紋捕捉

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.017

0 引言

隨著熱噴涂技術(shù)的不斷成熟,噴涂層質(zhì)量的顯著提升,熱噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于各類條件苛刻的服役環(huán)境中[1]。在高硬度、低孔隙涂層制備技術(shù)較為成熟的前提下,熱噴涂涂層的持久性逐步成為研究熱點(diǎn),疲勞磨損過程是典型的持久性損傷過程,通過涂層的疲勞磨損研究可有力反映涂層的持久性壽命衰退的關(guān)鍵機(jī)制[2-4]。傳統(tǒng)的摩擦磨損實驗多以振動、摩擦系數(shù)、溫度等因素作為評估磨損的判據(jù)[5-7],超過門檻值,說明失效發(fā)生,并通過斷口分析推斷失效機(jī)理,此種模式雖具有不錯的效果,但不能識別涂層內(nèi)部裂紋的萌生、擴(kuò)展、連片等動態(tài)行為,無法捕捉涂層的臨界失效狀態(tài),對深度揭示涂層疲勞斷裂機(jī)理貢獻(xiàn)不大。

無損檢測技術(shù)已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于材料失效的在線監(jiān)測中,其優(yōu)勢在于可以反饋材料的實時服役狀態(tài),其中尤以聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象,通過捕捉彈性波作信號提示的檢測技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。Sun等[8]、Toutountzakis等[9]和Bruzelius等[10]分別在軸承、齒輪和鐵軌的缺陷診斷中對聲發(fā)射信號進(jìn)行了分析,證明了聲發(fā)射技術(shù)檢測零部件接觸疲勞失效的可行性;Guo等[11-13]、Warren等[14]、Schwach等[15]將聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)引入到精加工試樣表面疲勞磨損實驗中,結(jié)果表明聲發(fā)射信號特性參數(shù)中幅值和能量對于材料的疲勞斷裂有著很敏感的反饋。

文獻(xiàn)[16-17]的研究表明,聲發(fā)射信號可以優(yōu)先于疲勞磨損試驗機(jī)的振動和扭矩信號給出涂層疲勞開裂的信號提示,并進(jìn)行了涂層微觀分析,表征了涂層疲勞裂紋等聲發(fā)射信號源,但前期工作中,聲發(fā)射信號提示后涂層表面往往無表觀缺陷,因此對于涂層內(nèi)部裂紋的微觀表征具有一定的盲目性和隨機(jī)性。本文中將滲透探傷技術(shù)引入到涂層表面微損傷區(qū)域的鎖定中,并采用原位聚焦離子束切片的方法對涂層亞表面的疲勞裂紋源進(jìn)行分析,進(jìn)一步明確失效機(jī)理。

1 涂層制備和實驗方法

1.1 涂層的制備

本文以等離子噴涂鐵基涂層為研究對象,采用裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實驗室自主研發(fā)的高效能超音速等離子噴涂設(shè)備制備噴涂層。鐵基自熔劑噴涂材料的組分為:Cr-13.6、B-1.6、Si-1.1、C-0.16、Fe-余量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%),采用鎳鋁合金作為粘結(jié)底層,其組分為:Ni-90、Al-10(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%),利用熔融態(tài)鎳鋁間的放熱效應(yīng)提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度?；w材料選擇圓環(huán)形的調(diào)質(zhì)45鋼(外徑60 mm、內(nèi)徑30 mm、高25 mm),調(diào)質(zhì)處理后基體具有良好的力學(xué)性能。噴涂前用丙酮清洗基體噴涂面,并對清潔表面進(jìn)行棕剛玉噴砂處理,形成清潔的粗糙表面,提高結(jié)合強(qiáng)度。噴涂過程中,以氬氣為電離主氣,通入適量氫氣提高熱焓,以氮?dú)鉃樗头蹥?噴涂參數(shù)如表1所示。噴涂后通過磨削加工控制涂層厚度為200 μm,表面粗糙度為0.5 μm.

表1 超音速等離子噴涂參數(shù)Tab.1 Parameters of supersonic plasma spray

1.2 聲發(fā)射在線監(jiān)測平臺

聲發(fā)射在線監(jiān)測平臺由疲勞磨損試驗機(jī)和聲發(fā)射檢測儀共同組成。采用球盤式疲勞磨損試驗機(jī)進(jìn)行涂層的疲勞磨損試驗,其主要模擬精密的點(diǎn)接觸,對磨體為GCr15軸承球(直徑11 mm),實驗載荷為100 N,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,潤滑油為46號機(jī)油。

采用PCI-2型聲發(fā)射檢測儀對涂層的疲勞磨損試驗進(jìn)行全程在線監(jiān)測。聲發(fā)射探頭型號為NANO-30,諧振頻率為140 kHz,通過真空脂耦合劑與涂層試樣偶聯(lián)。監(jiān)測時前置放大器增益為40 dB,數(shù)據(jù)采集卡濾波門檻值為40 dB,使用AEwin軟件對聲發(fā)射信號波動進(jìn)行實時顯示,采用聲發(fā)射信號特性參數(shù)中的幅值和能量作為評價涂層疲勞開裂的特征參數(shù)。聲發(fā)射在線監(jiān)測平臺示意圖如圖1所示。

1.3 涂層損傷表征方法

采用滲透探傷的方法對疲勞磨損實驗前后涂層的表面損傷狀態(tài)進(jìn)行表征。滲透探傷是利用毛細(xì)現(xiàn)象檢查材料表面缺陷的一種無損檢驗方法,主要步驟為:清洗涂層試樣、涂抹染色劑、沉淀染色劑(10～15 min)、清洗染色劑、涂抹顯像劑、顯像。使用Qunta200型掃描電子顯微鏡(SEM)對制備涂層截面結(jié)構(gòu)和疲勞磨損實驗后涂層表面形貌進(jìn)行表征。采用Quanta 3D FEG型聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)對疲勞磨損實驗后涂層表面微損傷處進(jìn)行原位截面分析,該技術(shù)通過離子束轟擊實現(xiàn)對涂層局部區(qū)域的原位切片,輔以電子顯微鏡實現(xiàn)對涂層微損傷部分的亞表面進(jìn)行原位觀察。該方法可以十分有效對于損傷部位的內(nèi)部情況進(jìn)行分析,試樣制備過程簡單方便,無機(jī)械損傷,十分適用于材料內(nèi)部裂紋的原位分析。

圖1 疲勞磨損試驗設(shè)備核心接觸副示意圖Fig.1 Schematic diagram of executive part of ball-and-disc contact tester

2 結(jié)果分析與討論

2.1 典型聲發(fā)射信號反饋模式

經(jīng)同條件大樣本實驗,得到了典型的聲發(fā)射信號反饋模式如圖2所示,兩種信號特征參量呈現(xiàn)出相似的變化趨勢,都可以將整個信號歷程分為3個階段。開始階段有幅值參量發(fā)生信號波動,能量參量信號強(qiáng)度先高后低,中間段信號平穩(wěn),結(jié)束段信號發(fā)生明顯的突變。實驗開始時,涂層與對摩軸承球處于磨合期,潤滑油膜建立的不充分所導(dǎo)致的粗糙接觸必將引起涂層表面細(xì)微的斷裂,從而導(dǎo)致了幅值發(fā)生輕微的波動,由于表面細(xì)微斷裂不間斷地釋放著能量,所以能量參量在實驗開始階段處于高位。同時涂層在外加載荷作用下的塑性變形也在一定程度導(dǎo)致了聲發(fā)射信號的波動;隨著實驗進(jìn)行,涂層與對摩軸承球的接觸進(jìn)入了穩(wěn)定期,此時表面細(xì)微斷裂基本消失,涂層表面在多次應(yīng)力循環(huán)的作用下達(dá)到了塑性變形穩(wěn)定階段,形成了較為固定的磨痕,此時幅值參量信號平穩(wěn),主要信號來源應(yīng)該是對摩軸承球在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時與涂層的摩擦以及涂層內(nèi)部一系列微觀的材料晶格運(yùn)動(滑移、層錯等),能量參量下降的走勢也趨于平穩(wěn),主要是磨合結(jié)束后,釋放能量的微過程(微斷裂、微塑性變形等)顯著減少所致;隨著應(yīng)力循環(huán)的不斷增多,涂層內(nèi)部的缺陷在應(yīng)力作用下被驅(qū)動成裂紋,并擴(kuò)展,此時當(dāng)較為宏觀的裂紋產(chǎn)生時,釋放出強(qiáng)有力的彈性波并擴(kuò)散,最終被聲發(fā)射探頭采集并反饋,從而在實驗結(jié)尾段出現(xiàn)聲發(fā)射信號特征參量的階躍變化。

圖2 典型聲發(fā)射幅值和能量反饋Fig.2 Typical response of AE amplitude and energy

2.2 涂層損傷程度微觀分析

通常聲發(fā)射信號特征參量突變后,涂層表面并沒有材料去除,因此對涂層損傷表面的微觀分析難以開展。本文采用滲透探傷的方式,對接觸疲勞實驗后的涂層表面進(jìn)行染色分析。由于涂層材料成形的特殊性,自身存在較多的“天然"孔隙,需要首先對未經(jīng)過實驗的涂層表面進(jìn)行滲透分析,以確保涂層中的孔隙不會影響對疲勞裂紋的檢測。對未經(jīng)過實驗的涂層進(jìn)行滲透分析的結(jié)果如圖3所示,其中圖3(a)為涂層表面磨削加工后的原始態(tài),圖3(b)為涂抹顯像劑后涂層的表面狀態(tài),沒有明顯紅色的部分出現(xiàn)在磨削后的涂層表面,可見涂層表面的微孔隙尺寸較小,染色溶液無法進(jìn)行進(jìn)入孔隙內(nèi)部,因此涂層的孔隙不會造成對疲勞裂紋檢測的干擾,滲透探傷可行。

采用同上步驟對不同實驗階段的涂層表面進(jìn)行了滲透探傷分析,并展開針對性的微觀分析,判定聲發(fā)射信號對涂層疲勞斷裂表征的可靠度和準(zhǔn)確性。圖4為聲發(fā)射信號穩(wěn)定期時涂層表面的滲透探傷結(jié)果,可見涂層表面的圓環(huán)形塑性變形區(qū)域十分明顯,但經(jīng)顯像步驟后,并無明顯的裂紋密集區(qū)域,此時涂層表面尚處于穩(wěn)態(tài)服役階段。圖5為聲發(fā)射信號發(fā)生突變后涂層表面的滲透探傷結(jié)果,經(jīng)顯像步驟后,涂層表面出現(xiàn)的紅色區(qū)域即為疲勞裂紋密集的地方?？梢娊?jīng)過接觸載荷后,當(dāng)聲發(fā)射信號特征參量突變后,涂層表面并沒有明顯的損傷,如圖5(a)所示;通過滲透探傷過程,涂層表面裂紋較為密集的區(qū)域呈現(xiàn)了明顯的紅色,如圖5(b)所示?？芍?聲發(fā)射信號可以十分敏感的探查到涂層表面或內(nèi)部產(chǎn)生的疲勞裂紋,捕捉到涂層的臨界失效狀態(tài),同時滲透探傷的方法可以減少對涂層微觀裂紋分析的盲目性,是輔助聲發(fā)射信號判斷臨界失效的良好復(fù)檢技術(shù)。

圖3 未經(jīng)過實驗涂層表面滲透探傷分析Fig.3 The penetration inspection of coating before RCF experiment

圖4 聲發(fā)射信號穩(wěn)定期涂層表面滲透探傷分析Fig.4 The penetration inspection of coating during the stable period of AE signal

2.3 基于FIB-SEM的機(jī)理分析

對滲透探傷后涂層表面紅色區(qū)域進(jìn)行微觀分析,涂層表面裂紋狀態(tài)如圖6所示,涂層表面僅存在一些疲勞裂紋,并沒有明顯的材料去除。對磨痕中出現(xiàn)的裂紋,如圖7(a)中箭頭所示,進(jìn)行聚焦離子束掃描電鏡原位切片分析,結(jié)果表明涂層亞表面存在很多結(jié)構(gòu)缺陷及微裂紋,如圖7(b)中箭頭所示。可見,部分表面裂紋源于涂層中的深色氧化物缺陷[18]。交變載荷作用下涂層內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是裂紋萌生和擴(kuò)展的驅(qū)動力,最終裂紋網(wǎng)絡(luò)達(dá)到涂層表面形成局部材料去除,引發(fā)涂層失效。

圖5 接觸疲勞實驗后涂層表面滲透探傷分析Fig.5 The penetration inspection of coating after RCF experiment

圖6 涂層表面裂紋形貌(放大40倍)Fig.6 Morphology of surface cracks of coating(40×)

圖7 涂層表面裂紋的FIB-SEM分析Fig.7 FIB-SEM analysis of surface crack of coating

綜上,采用聲發(fā)射在線監(jiān)測技術(shù)輔以損傷表征手段可以準(zhǔn)確的捕捉到涂層的臨界失效或是失效孕育狀態(tài)。結(jié)合材料的微觀表征,可將整個失效過程進(jìn)行更合理的推斷,確定失效源頭以及主要的失效驅(qū)動力。因此,這種從捕捉裂紋動態(tài)特征的角度去把握涂層“準(zhǔn)失效"狀態(tài)的研究方法為更可信、更準(zhǔn)確地揭示涂層疲勞磨損機(jī)理及壽命衰退機(jī)制奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1)聲發(fā)射信號可以準(zhǔn)確的反饋噴涂層內(nèi)部的進(jìn)行性疲勞斷裂,捕捉噴涂層的臨界失效狀態(tài),為深化失效機(jī)理研究和開展失效預(yù)警研究奠定基礎(chǔ)。

2)涂層疲勞磨損過程的聲發(fā)射信號反饋模式分為3個階段,即磨合期、穩(wěn)定期、突變期。磨合期由于微接觸、微斷裂,信號波動明顯;穩(wěn)定期由于穩(wěn)定磨痕的形成,信號狀態(tài)趨于平穩(wěn);突變期由于涂層開裂,信號發(fā)生突變。

3)通過滲透探傷技術(shù)高效地鎖定了涂層表面的微損傷區(qū)域,驗證了聲發(fā)射信號反饋涂層斷裂的準(zhǔn)確性;利用聚焦離子束原位切片技術(shù)對涂層微損傷區(qū)域分析表明,涂層的近表面缺陷是疲勞裂紋源之一。

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Investigation of Capturing Technique for Fatigue Crack of Plasma Sprayed Fe-based Coating

PIAO Zhong-yu1,ZHAO meng-meng1,XU Bin-shi2,WANG Hai-dou2,WEN Dong-hui1
(1.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310012,Zhejiang,China; 2.National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

Fe-based coatings are deposited by plasma spraying technique.The fatigue wear experiments of the coatings are on-line monitored to capture the dynamic information of the cracks by using acoustic emission(AE)technique.The typical signal model is summarized.The micro-damages on the coating surface are characterized by oil whiting test.The micro-damages on the coating surface are analyzed by FIB-SEM,and its failure mechanism is investigated.Results show that the AE signal model during the fatigue wear process is divided into 3 stages,namely run-in period,stable period,and mutation period.Penetrating test technique is introduced to confirm the micro-damages on the coating surface.The reliability of AE monitoring can also be proved.The results show that the fractures in the coating can be accurately captured by AE signals.The micro-defects are considered to be the origins of coating failure based on the results of FIB-SEM analysis.

surface and interface for material;plasma spraying;Fe-based coating;fatigue wear;acoustic emission;crack capturing

TH117

A

1000-1093(2016)01-0109-05

2015-06-08

國家自然科學(xué)基金項目(51125023、51305397、51375457);浙江省科技廳公益性項目(2014C31099);浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室開放基金項目(GZKF-201411);浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室開放基金項目(EM2015042003)

樸鐘宇(1982—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。E-mail:piaozy@zjut.edu.cn