吳雷*

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銅鎳銦（CuNiIn）涂層剪切實(shí)驗(yàn)的失效分析及提高一次合格率

吳雷*

(中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣、渦輪軸延伸段和葉片榫頭等零部件的抗微動(dòng)磨損性能。為了保證涂層可以承受零件微動(dòng)狀態(tài)下的剪切載荷，需要考核涂層的剪切強(qiáng)度。影響涂層的剪切強(qiáng)度的因素主要包括涂層的狀態(tài)和測(cè)試過程等兩方面，本文重點(diǎn)研究剪切測(cè)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(shí)驗(yàn)的影響因素并研究改進(jìn)措施，提高搭接剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的一次合格率。

六西格瑪工具；銅鎳銦（CuNiIn）涂層；剪切強(qiáng)度檢測(cè)；失效分析

引言

因該涂層應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗微動(dòng)磨損環(huán)境，故需要通過剪切實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證涂層的抗剪切強(qiáng)度[1]。實(shí)際生產(chǎn)過程中每件零件在噴涂時(shí)都需進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，但目前剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)一次合格率不超過60%，嚴(yán)重制約了零件的交付。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)剪切實(shí)驗(yàn)的研究[2]，存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：（1）試片準(zhǔn)備要求高；（2）操作步驟復(fù)雜；（3）操作過程控制難；（4）精度要求高；（5）實(shí)驗(yàn)無(wú)效率很高等。鑒于以上技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外有大量技術(shù)人員在研究如何提高等離子噴涂銅鎳銦涂層的剪切實(shí)驗(yàn)一次合格率，但目前仍未有切實(shí)有效的改進(jìn)方法[3]。目前國(guó)內(nèi)基本使用粘接實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)涂層的結(jié)合力，而我們能查詢到國(guó)外進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料少之又少，因此本文通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行研究，通過六西格瑪工具來(lái)探討提高搭接剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的一次合格率的方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)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(shí)驗(yàn)前對(duì)試片的平行度進(jìn)行檢測(cè)，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(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴涂，因考慮避免噴涂準(zhǔn)備及參數(shù)的影響，同批次共加工80組試片進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)要求

要求涂層的搭接剪切強(qiáng)度高于6000Psi。當(dāng)強(qiáng)度高于6000Psi時(shí)，不考慮斷裂位置，都視為有效。當(dāng)涂層的搭接剪切強(qiáng)度低于6000Psi時(shí)，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(shí)驗(yàn)無(wú)效，即不能夠真實(shí)反映涂層的搭接剪切強(qiáng)度。當(dāng)涂層的搭接剪切強(qiáng)度低于6000Psi時(shí)，只要斷裂膠的面積低于80%，則實(shí)驗(yàn)不合格，即能夠真實(shí)反映涂層的搭接剪切強(qiáng)度。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yīng)在所有涂層邊緣的±1.27mm以內(nèi)，彈簧使用65#鋼。固化時(shí)放置在德國(guó)memmert 公司的固化爐（UFE500AO）中1-4小時(shí)，固化溫度設(shè)置為191±14℃。使用德國(guó)ZWICK拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)（Z150）進(jìn)行加載測(cè)試，載荷以每分鐘0.05英寸（1.27mm/min）的速度施加。搭接剪切實(shí)驗(yàn)，按照以下操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)在室溫下進(jìn)行；

（2）將試片裝配在實(shí)驗(yàn)機(jī)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(yīng)控制在0.25mm。 (c) 所有尺寸為毫米

（3）兩個(gè)外部試片的端部之間應(yīng)加足夠的墊片，以防止實(shí)驗(yàn)過程中加緊試片時(shí)使試片發(fā)生彎曲。試片應(yīng)通過鉗夾將端部緊緊地均勻地夾在實(shí)驗(yàn)機(jī)的鉗夾中。鉗夾和試樣對(duì)中，并且鉗夾互相相對(duì)，在這樣的位置，設(shè)想的中心線應(yīng)通過試片的中心，并通過懸掛接頭。試片應(yīng)夾持在離搭接處邊緣不低于51mm的位置。試片的裝夾及實(shí)驗(yàn)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(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若實(shí)驗(yàn)無(wú)效，分析實(shí)驗(yàn)無(wú)效原因，并進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

通過六西格瑪工具對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)定剪切實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為Y，對(duì)Y的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析，測(cè)量系統(tǒng)分析圖如圖2所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

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

從變異分量圖可以看出，測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性波動(dòng)不明顯，表明操作者各自的測(cè)量結(jié)果一致性較好。從R控制圖可以看出，操作者兩次測(cè)量結(jié)果差異不大，說(shuō)明人員操作穩(wěn)定，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不大。從XBar 控制圖看以看出，黑點(diǎn)為3個(gè)測(cè)量員對(duì)樣件兩次測(cè)量結(jié)果的均值，紅線對(duì)于黑點(diǎn)的波動(dòng)較小，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)對(duì)總波動(dòng)影響小。另外，測(cè)量值和批次號(hào)、測(cè)量值和操作者、操作者和批次號(hào)間的波動(dòng)均不明顯，說(shuō)明這些因素不會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shè)備、固化爐、拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)、粘接夾具、測(cè)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(jì)劃，如表1。

表1 數(shù)據(jù)收集計(jì)劃

2.1 粘接夾具對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

如圖4所示為夾具設(shè)計(jì)圖，圖5為組裝示意圖，固化時(shí)彈簧對(duì)壓塊進(jìn)行加載，緊定螺釘與壓緊螺釘下端的間隙為壓塊可活動(dòng)的行程，進(jìn)而試片受到壓塊的壓力。

圖4 夾具設(shè)計(jì)圖

圖5 組裝示意圖

使用同批次加工試片，對(duì)粘接夾具在粘接過程中是否產(chǎn)生影響進(jìn)行分析。進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)前，為保證粘接夾具不會(huì)對(duì)粘接后的狀態(tài)造成影響，對(duì)粘接夾具的定位面進(jìn)行平面度檢測(cè)。具體數(shù)據(jù)請(qǐng)見表2。

表2 粘接夾具檢測(cè)結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出，剪切實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

使用不同夾具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析如圖6所示。

通過上述兩組實(shí)驗(yàn)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(shuō)明每個(gè)夾具之間沒有明顯差異。剪切夾具對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著。但剪切夾具應(yīng)定期維護(hù)及測(cè)量，保證每次實(shí)驗(yàn)前夾具的平行度都符合實(shí)驗(yàn)要求，即平行度小于0.02mm。

2.2 平行度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

設(shè)計(jì)不同的平行度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(tái)上使用篩尺檢測(cè)固化后試片平行度，并記錄。在室溫下，由同一位實(shí)驗(yàn)者使用拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其剪切強(qiáng)度。

通過本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平行度對(duì)剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響十分明顯。根據(jù)公式測(cè)量值=8113-平行度x10688可以得出，平行度小于0.197mm時(shí)，剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)合力相對(duì)穩(wěn)定且大于6000Psi，可以真實(shí)的體現(xiàn)涂層的剪切強(qiáng)度。

對(duì)平面度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)要求所有的試片表面平行度應(yīng)控制在0.25mm。試片的平行度在固化后將不會(huì)改變，所以主要考慮試片在加載時(shí)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(wú)論哪個(gè)位置的平行度與其他位置不匹配，將導(dǎo)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(wú)法完全與試片結(jié)合，結(jié)合力低，并且無(wú)法真實(shí)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(huì)使加載力不均勻時(shí)，斷裂狀態(tài)如圖10所示。斷裂面為膠面100%，測(cè)得的結(jié)合力為4300psi，結(jié)論評(píng)為失效，無(wú)法代表涂層真實(shí)的性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，試片整體的平行度對(duì)結(jié)果有直接的影響。

圖10 加載力不均勻時(shí)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(shí)驗(yàn)中各組件的厚度差及收縮率。涂層、試片尺寸會(huì)有一定差異，但固化前后不會(huì)出現(xiàn)厚度變化。實(shí)驗(yàn)前對(duì)試片的平行度進(jìn)行檢測(cè)，平行度要求小于0.1mm。通過測(cè)量試片厚度、涂層厚度、粘接劑的厚度來(lái)選擇墊片的厚度。膠在固化前后會(huì)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(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出其收縮率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 粘接膠收縮率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：固化前厚度=2個(gè)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(huì)有約0.2mm的變化，實(shí)際粘接過程中，空白試片與兩個(gè)涂層試片的粘接是由兩片膠進(jìn)行的。即剪切試樣在粘接前后會(huì)有約0.4mm的厚度差。針對(duì)此問題，制定了兩種改進(jìn)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(yīng)與空白試片處使用相同數(shù)量和批次的膠進(jìn)行粘接。

方案1中，因不同批次的膠的收縮率有細(xì)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(duì)固定，對(duì)墊片的要求相對(duì)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(duì)試片平行度的影響。

按照方案2進(jìn)行30組實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，雖然P小于0.05，但確定關(guān)鍵因素時(shí)即需要考慮P值，又需要考慮因素影響的大?。≧-Sq調(diào)整）。R-Sq調(diào)整為44.4%，影響不顯著。說(shuō)明但當(dāng)平行度控制在0.2mm以下時(shí)，平行度不是影響測(cè)量值的關(guān)鍵因素。本次實(shí)驗(yàn)有3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果為失效，無(wú)不合格試片，合格率為90%。

3 結(jié)語(yǔ)

1）現(xiàn)有的工裝夾具的定位面對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和最終的平行度的影響不顯著。但剪切夾具應(yīng)定期維護(hù)及測(cè)量，保證每次實(shí)驗(yàn)前夾具的平行度都符合實(shí)驗(yàn)要求，即平行度小于0.02mm。

2）剪切實(shí)驗(yàn)失效的主要影響因素為試片的平行度，根據(jù)公式（測(cè)量值=8113-平行度x10688）可以得出，平行度小于0.197mm時(shí)，剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)合力相對(duì)穩(wěn)定且大于6000Psi，可以真實(shí)的體現(xiàn)涂層的剪切強(qiáng)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(jìn)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(yīng)與空白試片處使用相同數(shù)量和批次的膠進(jìn)行粘接。

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

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

[2] 李國(guó)英. 材料及其制品表面加工新技術(shù)[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社, 2003.

[3] 楊班權(quán), 陳光南, 張坤. 涂層/基體材料界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量方法的現(xiàn)狀與展望[J]. 力學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)的失效分析及提高一次合格率[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 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.