高能束流喷涂涂层

DES项目的暗能量探测相机

热喷涂是国内外航空发动机公司使用应用最广泛的一种涂层制备技术，主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蚀、可磨耗封严、热障、防粘接、抗微振磨损、阻燃以及零件尺寸修复涂层的生产。物理气相沉积技术则用于发动机热端涡轮工作叶片和导向叶片部件的优质高温防护涂层制备。在国内，空心阴极电弧离子镀技术被用于MCrAlY和AlSiY抗氧化涂层的制造，电子束物理气相沉积技术用于热障涂层的生产。

    在制备涂层的材料熔融、沉积过程中，由于粉末颗粒本身的淬火应力、其对已沉积涂层的冲击应力以及涂层与基体材料在热-机械性能方面差异造成的失配应变和热梯度效应，某些情况下还有后续加工和服役环境的作用，都会使涂层内不可避免地出现或大或小的残余应力。已有研究表明，残余应力的大小和分布严重影响着涂层零件整个体系的主要性能，如基体疲劳寿命、涂层结合强度、耐剥落以及硬度、耐磨、抗热冲击、热循环疲劳等性能，导致涂层开裂、翘起、剥落和分层，因此残余应力对涂层质量、使用性能、涂层构件精度和尺寸稳定性等都有重要影响，甚至导致涂层零件过早失效。

    理论认为当残余应力超过涂层弹性极限时，拉伸应力会在垂直方向导致涂层开裂；一定的压应力是有利的，因其能使涂层裂纹闭合，改善疲劳性能，但压应力过大会导致涂层粘附性失效。在实际涂层生产中，残余应力的产生及其影响非常复杂。对于热喷涂涂层，其残余应力与喷涂气体流速、基体温度、涂层/基体体系的温度梯度、涂层材料性能、送粉速率、零件尺寸和几何形状、夹具、冷却、喷枪相对于零件的表面速率、走枪路径、涂层与基体厚度、弹性模量、热膨胀系数、热导率等诸多因素密切相关。

    基体预处理、涂层后续加工及其服役工况对残余应力也有很大影响。例如表面粗糙化预处理可以提高界面结合强度，然而粗糙界面复杂形貌容易出现垂直于界面的残余拉应力，导致涂层破裂和剥离。精密磨削时，砂轮磨粒钝化导致小平面磨钝，使磨粒产生垂直于涂层表面的作用力，该力和摩擦力同时对涂层表面产生挤光作用，使涂层表面形成压应力。砂轮粘结剂对残余应力也有影响。

    残余应力还与涂层零件的结构和喷涂区域有关。圆周喷涂的轴类零件或环形件，涂层结合强度足够大时，涂层破坏以开裂形式为主，其裂纹走向为圆周方向，也有轴向裂纹扩展的现象。小型零件内孔表面喷涂涂层，在喷涂、加工或试车考核等阶段都会出现整体涂层剥落的严重质量问题。对于薄壁件，涂层应力导致零件变形，对涂层零件尺寸精度造成影响，严重时会使零件超差报废。

    机械式应力检测技术

    （1）曲率检测技术

    曲率检测技术的优点是试验设备简单，可以直接测定涂层残余应力，其原理是在基体上生成涂层时产生的残余应力导致曲率变化，通过曲率变化可以计算残余应力大小，一般采用Stoney方程计算残余应力。Stoney方程的优点在于只使用基体弹性模量，不使用涂层弹性模量，从而解决了涂层弹性模量受各种喷涂参数的影响而比较难以准确测量的问题。Gill和Clyne对曲率法做了较大改进，其一是将摄像进行曲率远程监测的方法用于真空等离子喷涂涂层的过程控制；其二是开发出数值计算程序，可以对不同曲率形状产生的残余应力进行计算，并区分喷涂粉末颗粒淬火应力和热膨胀系数差异导致的失配应力。

    曲率检测技术可以分做接触和非接触两种方法。接触方法主要有应变仪和轮廓测定法，非接触方法主要有光学、激光扫描、栅格和双晶衍射拓扑法。应变仪法就是用电阻应变片测量喷涂前后试样的曲率变化，通过曲率变化计算涂层残余应力分布及大小。将试样制备成窄条状，以避免产生多轴向曲率和力学不稳定性。但是如果涂层相对基体过薄就不能反映出正应力的变化梯度，因此该方法主要适用于比较薄基体表面涂层的情况。

    曲率法测试的结果是平均应力，精度比较低（±30MPa），只能粗略测量厚度方向的平均残余应力，并且对试样形状和尺寸限制很严。如果可以对基体表面涂层进行逐层剥离测量，则可以测定整个涂层厚度范围内的残余应力详细数据，但是对于多层或者较厚的涂层则非常困难。另外单纯使用传统曲率检测技术时，难于测量小曲率试样，需要对测量技术和计算方法进行改进。

    （2）钻孔检测技术

    又称盲孔法和套孔法，是目前应用广泛的涂层面内残余应力测量方法。钻孔检测的原理是将特制箔式应变花粘贴在涂....