航空发动机用涂层残余应力的产生及测试方法发布时间：2014-5-8 8:47:29热喷涂是国内外航空发动机公司使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［1］、涂层结合强度［2］、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［3］、翘起［4］、剥落［5-6］和分层［7-8］，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。
形成涂层应力的影响因素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； 一定的压应力对于金属涂层是有利的，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［9-10］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［11］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最初是由 Hobson 和 Reiter 提出来的［12］，其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［13］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［14］曲率检测技术可以分为接触和非接触2 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［3］，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［15］另外单纯使用传统曲率检测技术时，难以测量小曲率试样，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［16］，是目前应用广泛的涂层面内残余应力测量方法［17-18］ 钻孔检测的原理是将特制箔式应变花粘贴在涂层表面上，在应变花中心钻一直径和深度接 近的小孔，产生局部应力释放，释放的应变可由连接各个应变片的应变仪测读出来通过 修正的Kirsch弹性力学公式则可得到在孔深范围内的平均主应力和主应力方向角［19- 20］,反映厚度大于0.3mm涂层的各向异性该技术测量手段简单，成本低，测量精度 高，已成为一种标准测试方法，并在工程实际中广泛采用美国ASTM E 837《钻孔应变 仪测量残余应力》标准规定了残余应力测试方法、要求及其相应的钻孔程序。
钻孔检测技术的缺点是被测涂层表面遭到钻孔破坏，且钻孔常引起材料损伤和屈 服，改变局部应力状态，另外涂层去除均匀困难［15］，以至于影响残余应力的测量效果[21]3 逐层剥离检测技术该方法是先在方形试片上喷涂涂层，然后对在涂层抛光剥离前、数次剥离过程和剥 离后的试样进行应变测量得到涂层的残余应力美国金属学会(ASM)所属的热喷涂学会 负责编制了《逐层剥离修正法评价热喷涂涂层残余应力》作为喷涂行业使用的涂层机械性 能测试标准该文件给出了试样制备、需要的设备、使用应变规的程序、逐层磨除涂层的 程序以及为了计算残余应力而进行数据处理的方法光学式应力检测技术1 X 射线衍射检测技术X射线衍射法“sin2〃 ”是测定涂层残余应力最可靠和最实用的一种检测方法自 1971年美国汽车工程师学会颁布X射线衍射残余应力测定的行业标准SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction” 和 1973 年日本材料学会颁 布国家标准 JSMS-SDT0T973 “Standard Method for X-ray Stress Measurement” 以 来，作为一种无损检测技术，测定残余应力的 X 射线衍射检测技术得到了越来越广泛的应 用，技术手段也日渐成熟。
为反映最新的技术进步和成熟的测定方法，欧盟标准委员会(CEN)于2008年7月批准使用新的X射线衍射残余应力测定标准EN 15305-2008 “Non destructive Testing: Test Method for Residual Stress Analysis by X- ray Diffraction” , 该标准于 2009年 2 月底在所有欧盟成员国正式实施与之相呼应， 美国试验材料学会(ASTM)也在2010年7月发布了最新X射线衍射残余应力测定标准 ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X- Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement” EN 15305 2008 欧盟标准对涂层材料和薄层等被测材料的特性进行了详细说明我国于1987年发布并实施《X射线应力测定方法》(GB/T 7704-1987)标准，2009 年则实施《无损检测X射线应力测定方法》(GB/T 7704-2008)新标准，但该标准没有 针对涂层特殊结构材料测定残余应力的相关规定，而在国外，X射线衍射技术在20世纪 80 年代初就被用于喷涂涂层残余应力的检测［22］。
X 射线衍射测量应力的基本原理是由于残余应力的存在引起晶格畸变，使得晶格常 数发生变化，根据Bragg衍射公式确定涂层材料的晶面间距后，再通过材料的弹性特征参 数按下列方程式求得残余应力［23］：X 射线衍射检测技术对涂层表面应力敏感，是一种无损的测试方法，对试样尺寸和 形状要求不严格，且可以直接对零件测量，加上测量手段简单，准确度较高，因此在热喷 涂涂层研制和生产中得到了广泛的应用其独到之处是能够同时测量涂层中不同相的残余 应力，如 WC-Co 涂层表面应力表现为压应力，且涂层中各相的残余应力水平及状态不同， WC和W2C相为压应力，W2C相残余压应力水平大于WC相；而Co6W6C相则表现为拉应力 ［24］使用掠入射XRD方法还可以测量薄涂层或者厚涂层表面浅层的应力，即其检测深度 可以为1p m的薄层XRD方法一般适用于具有良好晶体结构的材料，当晶粒尺寸很小时会导致衍射峰值 变宽，影响测试结果的精度 EN 15305-2008欧盟标准对涂层材料和薄层特性的说明认 为，在测试薄层时可能会遇到衍射强度低和/或晶粒数量不足、由多层材料导致的额外衍 射、与基体材料的衍射峰重叠、陡的应力梯度以及强烈的织构等问题，同时涂层材料的X 射线弹性常数值可能会与大块材料不同［25］。
另外，由于X射线的穿透能力较低，测量深 度一般约为10~50|J m,因此仅能测试样品表面较薄一层的残余应力，涂层增厚会造成测 试结果误差［26］ 2 中子衍射检测技术该技术是以中子流为入射束，照射涂层表面产生衍射峰其原理与X射线衍射基本 相同，即根据衍射峰位置的变化，利用布拉格方程式计算晶格应变量并算出残余应力值 与X衍射相比，中子衍射检测技术由于中子穿透的深度较大，可测量涂层深处的残余应 力，在一定程度上弥补了X射线衍射穿透能力的不足然而由于中子射线散射强度较低， 收集信息速率慢，另外可利用的中子源较少，这些不利因素成为中子衍射检测技术在涂层 残余应力研究中应用的障碍［27］3 散斑干涉检测技术散斑干涉记录随机分布的散斑场，定量分析散斑场的变化要求被测量的物体表面 是漫反射表面相干光照射到漫反射表面后的反射光干涉形成散斑，记录散斑场就可得出 位移的变化值［28］Habib利用错位散斑干涉检测技术测量了温度变化造成金属与涂层之 间变形的差异［29］4光激发荧光谱（PLPS）技术光激发荧光谱技术是利用A1203内痕量Cr3+在光激发态的d3电子衰减发出荧光， 这种谱线称为光激发荧光谱不同的A12O3相结构，其Cr3+离子占据的空间位置不同， 相应的荧光谱线也不同，d3电子衰减发出的荧光产生双峰型特征荧光谱R1和R2,在无应 力状态下其频率位置分别为14402cm-l和14432cm-l。
热生长a -Al2O3膜中存在应力会造 成谱线频率位置的偏移，根据这些偏移值可以计算膜内应力光激发荧光谱技术适合于对 热障涂层局部的热生长氧化物（TGO）（见图1）内残余应力进行分析该技术的优势在于其分辨率高，缺点是只能测量含有Cr3+涂层或区域的残余应力Ni汽牝辻艸陪压粧盘茁逵匕显亡吧乂沙鮭匚良血才姿主K ■江比初的FiWCdiih(b> llOT'Ci 112h5 显微喇曼光谱技术采用几微米的激光束作为激发源，可以测量残余应力的微观分布［30-32］其物理原 理是，单色光束照射固体时，光子与物质分子相互碰撞引起光的散射喇曼散射线与入射 线波长稍有不同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之为斯托克斯线，其中发生非 弹性碰撞而散射的光束经分光后形成了喇曼光谱，这是含有物质特征信息的光谱［33］如 果物体存在应力，喇曼光谱中某些对应力敏感的谱带会产生移动当物质受压应力作用 时，谱带会向高频方向移动，受拉应力作用时谱带向低频方向移动，且频率改变与所受的 应力呈正比关系［34］试验中通常以激光光束为激励光源，采用显微光学系统对喇曼光谱。