等離子噴涂鐵基涂層疲勞磨損裂紋捕捉技術研究

樸鐘宇,趙朦朦,徐濱士,王海斗,文東輝

(1.浙江工業大學機械工程學院,浙江杭州310012; 2.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室,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.浙江工業大學機械工程學院,浙江杭州310012; 2.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室,北京100089)

采用等離子噴涂制備了鐵基涂層,使用聲發射技術對涂層的疲勞磨損實驗進行在線監測,捕捉裂紋動態信息,總結典型的聲發射信號反饋類型,通過滲透探傷的方式對涂層表面微損傷區域進行表征,并采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)技術對涂層的微損傷區域進行亞表層分析探索失效機理。結果表明:涂層疲勞磨損過程中聲發射信號反饋分為3個階段,即磨合期、穩定期和突變期;結合滲透探傷技術可以有效鎖定涂層表面微損傷區域,驗證聲發射信號反饋的準確性,可見通過聲發射在線監測技術可以準確地捕捉涂層內部的開裂;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

隨著熱噴涂技術的不斷成熟,噴涂層質量的顯著提升,熱噴涂技術開始應用于各類條件苛刻的服役環境中[1]。在高硬度、低孔隙涂層制備技術較為成熟的前提下,熱噴涂涂層的持久性逐步成為研究熱點,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鍵機制[2-4]。傳統的摩擦磨損實驗多以振動、摩擦系數、溫度等因素作為評估磨損的判據[5-7],超過門檻值,說明失效發生,并通過斷口分析推斷失效機理,此種模式雖具有不錯的效果,但不能識別涂層內部裂紋的萌生、擴展、連片等動態行為,無法捕捉涂層的臨界失效狀態,對深度揭示涂層疲勞斷裂機理貢獻不大。

無損檢測技術已經較為廣泛地應用于材料失效的在線監測中,其優勢在于可以反饋材料的實時服役狀態,其中尤以聲發射技術的應用最為廣泛。聲發射是指材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象,通過捕捉彈性波作信號提示的檢測技術稱為聲發射技術。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射信號進行了分析,證明了聲發射技術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]將聲發射監測技術引入到精加工試樣表面疲勞磨損實驗中,結果表明聲發射信號特性參數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[16-17]的研究表明,聲發射信號可以優先于疲勞磨損試驗機的振動和扭矩信號給出涂層疲勞開裂的信號提示,并進行了涂層微觀分析,表征了涂層疲勞裂紋等聲發射信號源,但前期工作中,聲發射信號提示后涂層表面往往無表觀缺陷,因此對于涂層內部裂紋的微觀表征具有一定的盲目性和隨機性。本文中將滲透探傷技術引入到涂層表面微損傷區域的鎖定中,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行分析,進一步明確失效機理。

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國防科技重點實驗室自主研發的高效能超音速等離子噴涂設備制備噴涂層。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(質量分數%),采用鎳鋁合金作為粘結底層,其組分為:Ni-90、Al-10(質量分數%),利用熔融態鎳鋁間的放熱效應提高涂層的結合強度。基體材料選擇圓環形的調質45鋼(外徑60 mm、內徑30 mm、高25 mm),調質處理后基體具有良好的力學性能。噴涂前用丙酮清洗基體噴涂面,并對清潔表面進行棕剛玉噴砂處理,形成清潔的粗糙表面,提高結合強度。噴涂過程中,以氬氣為電離主氣,通入適量氫氣提高熱焓,以氮氣為送粉氣,噴涂參數如表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Tab.1 Parameters of supersonic plasma spray

1.2 聲發射在線監測平臺

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

采用PCI-2型聲發射檢測儀對涂層的疲勞磨損試驗進行全程在線監測。聲發射探頭型號為NANO-30,諧振頻率為140 kHz,通過真空脂耦合劑與涂層試樣偶聯。監測時前置放大器增益為40 dB,數據采集卡濾波門檻值為40 dB,使用AEwin軟件對聲發射信號波動進行實時顯示,采用聲發射信號特性參數中的幅值和能量作為評價涂層疲勞開裂的特征參數。聲發射在線監測平臺示意圖如圖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進行表征。滲透探傷是利用毛細現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)對制備涂層截面結構和疲勞磨損實驗后涂層表面形貌進行表征。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行原位截面分析,該技術通過離子束轟擊實現對涂層局部區域的原位切片,輔以電子顯微鏡實現對涂層微損傷部分的亞表面進行原位觀察。該方法可以十分有效對于損傷部位的內部情況進行分析,試樣制備過程簡單方便,無機械損傷,十分適用于材料內部裂紋的原位分析。

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

2 結果分析與討論

2.1 典型聲發射信號反饋模式

經同條件大樣本實驗,得到了典型的聲發射信號反饋模式如圖2所示,兩種信號特征參量呈現出相似的變化趨勢,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生信號波動,能量參量信號強度先高后低,中間段信號平穩,結束段信號發生明顯的突變。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致的粗糙接觸必將引起涂層表面細微的斷裂,從而導致了幅值發生輕微的波動,由于表面細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致了聲發射信號的波動;隨著實驗進行,涂層與對摩軸承球的接觸進入了穩定期,此時表面細微斷裂基本消失,涂層表面在多次應力循環的作用下達到了塑性變形穩定階段,形成了較為固定的磨痕,此時幅值參量信號平穩,主要信號來源應該是對摩軸承球在高速運轉時與涂層的摩擦以及涂層內部一系列微觀的材料晶格運動(滑移、層錯等),能量參量下降的走勢也趨于平穩,主要是磨合結束后,釋放能量的微過程(微斷裂、微塑性變形等)顯著減少所致;隨著應力循環的不斷增多,涂層內部的缺陷在應力作用下被驅動成裂紋,并擴展,此時當較為宏觀的裂紋產生時,釋放出強有力的彈性波并擴散,最終被聲發射探頭采集并反饋,從而在實驗結尾段出現聲發射信號特征參量的階躍變化。

圖2 典型聲發射幅值和能量反饋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,需要首先對未經過實驗的涂層表面進行滲透分析,以確保涂層中的孔隙不會影響對疲勞裂紋的檢測。對未經過實驗的涂層進行滲透分析的結果如圖3所示,其中圖3(a)為涂層表面磨削加工后的原始態,圖3(b)為涂抹顯像劑后涂層的表面狀態,沒有明顯紅色的部分出現在磨削后的涂層表面,可見涂層表面的微孔隙尺寸較小,染色溶液無法進行進入孔隙內部,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行了滲透探傷分析,并展開針對性的微觀分析,判定聲發射信號對涂層疲勞斷裂表征的可靠度和準確性。圖4為聲發射信號穩定期時涂層表面的滲透探傷結果,可見涂層表面的圓環形塑性變形區域十分明顯,但經顯像步驟后,并無明顯的裂紋密集區域,此時涂層表面尚處于穩態服役階段。圖5為聲發射信號發生突變后涂層表面的滲透探傷結果,經顯像步驟后,涂層表面出現的紅色區域即為疲勞裂紋密集的地方。可見經過接觸載荷后,當聲發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域呈現了明顯的紅色,如圖5(b)所示。可知,聲發射信號可以十分敏感的探查到涂層表面或內部產生的疲勞裂紋,捕捉到涂層的臨界失效狀態,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,是輔助聲發射信號判斷臨界失效的良好復檢技術。

圖3 未經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 聲發射信號穩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的機理分析

對滲透探傷后涂層表面紅色區域進行微觀分析,涂層表面裂紋狀態如圖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。對磨痕中出現的裂紋,如圖7(a)中箭頭所示,進行聚焦離子束掃描電鏡原位切片分析,結果表明涂層亞表面存在很多結構缺陷及微裂紋,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部產生的剪切應力是裂紋萌生和擴展的驅動力,最終裂紋網絡達到涂層表面形成局部材料去除,引發涂層失效。

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

3 結論

1)聲發射信號可以準確的反饋噴涂層內部的進行性疲勞斷裂,捕捉噴涂層的臨界失效狀態,為深化失效機理研究和開展失效預警研究奠定基礎。

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

3)通過滲透探傷技術高效地鎖定了涂層表面的微損傷區域,驗證了聲發射信號反饋涂層斷裂的準確性;利用聚焦離子束原位切片技術對涂層微損傷區域分析表明,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

國家自然科學基金項目(51125023、51305397、51375457);浙江省科技廳公益性項目(2014C31099);浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室開放基金項目(GZKF-201411);浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室開放基金項目(EM2015042003)

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