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一種用于測量涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置及方法
【專利摘要】一種用于測量涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置及方法屬于熱噴涂領(lǐng)域。通過在線測量噴涂過程中涂層與基體的曲率變化，在彈性范圍內(nèi)計算出制備過程中涂層的內(nèi)應(yīng)力，得出涂層最終的殘余應(yīng)力。將待噴涂試樣在一端固定(稱夾持端為B端，另一端為A端)，之后使用等離子噴涂的方法在試樣表面上進(jìn)行噴涂，并形成涂層。噴涂過程中，由于溫度不均勻或材料物理性能不一致使得涂層與試樣基體之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通過固定在試樣A端的位移傳感器測量出A點的位移，從而得出試樣的曲率變化。測量試樣在噴涂過程中沉積階段以及冷卻階段的溫度變化。根據(jù)涂層與基體的曲率變化反求出陶瓷涂層的彈性模量，反推出涂層制備過程中的應(yīng)力演化以及制備后涂層的殘余應(yīng)力值。
【專利說明】一種用于測量涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置及方法
[0001]一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于熱噴涂領(lǐng)域，尤其涉及對噴涂涂層通過曲率法這種無損物理方法進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)收集及分析的方法及其相關(guān)裝置。
[0003]二、【背景技術(shù)】
[0004]陶瓷涂層具有耐高溫、高溫抗氧化性好、耐磨、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，在金屬或合金材料表面制備陶瓷涂層可有效優(yōu)化金屬的使用性能，使金屬的強(qiáng)度和韌度與陶瓷材料的諸多優(yōu)點進(jìn)行結(jié)合，使復(fù)合的材料滿足人們的使用條件。在眾多的涂層制備方法中，熱噴涂是一種廣泛使用的方法，它有很多優(yōu)點，比如:可供噴涂的材料很多，被噴涂的構(gòu)件尺寸不受限制，而且噴涂設(shè)備簡單，操作工序少、效率高，成本低等等。
[0005]然而，陶瓷材料脆性大，與金屬材料的物理性能相差較大，在涂層的制備過程與涂層的使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)開裂與剝落的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是涂層與基體之間存在殘余應(yīng)力。由于熱噴涂本質(zhì)是一個材料熱加工過程，且涂層材料與基體材料熱物性存在一定差異，噴涂過程中涂層材料會經(jīng)歷一系列快速的加熱和冷卻過程，這更會導(dǎo)致涂層/基體界面處及涂層內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力，影響涂層性能以及涂層的服役壽命。因此，要想降低這類缺陷的發(fā)生，或者控制缺陷形成的數(shù)量及規(guī)模，對涂層內(nèi)應(yīng)力的演化過程和控制十分重要的。本發(fā)明旨在能在線測量噴涂過程中涂層的內(nèi)應(yīng)力，推演其變化過程，為優(yōu)化噴涂工藝提供指導(dǎo)。
[0006]目前，涂層殘余應(yīng)力的測試方法主要有有損機(jī)械和無損物理兩種方法。通常使用的方法主要有衍射法、曲率測量法、鉆孔法和逐層移除法等。曲率法是學(xué)術(shù)界和工程界普遍認(rèn)為可取的方法之一，它由Stoney在1909年首創(chuàng)，其原理是在較薄的金屬基體上制備涂層時，由于涂層內(nèi)應(yīng)力的存在，基體會發(fā)生彎曲變形，通過各種接觸或非接觸的方法測試涂層
材料的整體曲率k，再通過Stoney方程％ = kEsH便可確定涂層的殘余應(yīng)力。
[0007]英國劍橋大學(xué)的Tsui, Doyle, Clyne等人在此基礎(chǔ)上采用在噴涂過程中監(jiān)測并記錄基體連續(xù)的曲率變化，得到噴涂過程中曲率變化曲線，分別計算出涂層最終的淬火應(yīng)力和熱應(yīng)力值。美國紐約大學(xué)研究所的Matejicek, Sampath對噴涂中連續(xù)測量曲率方法進(jìn)行了初步的說明并進(jìn)行了成功嘗試。西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料國家重點實驗室的弓滿鋒使用曲率法測量了高速切削刀具為基體的TiN涂層的殘余應(yīng)力，相比國外，國內(nèi)的相關(guān)成果較少。需要指出的是，以上對于涂層殘余應(yīng)力的測量都是基于涂層制備完成后，針對涂層整體進(jìn)行的計算，由于陶瓷涂層制備過程中，組織發(fā)生變化，因此在厚度方向上存在組織與結(jié)構(gòu)的不均勻性，急需明確和開發(fā)噴涂過程中的應(yīng)力演化，為開發(fā)高效優(yōu)質(zhì)熱噴涂工藝提供指導(dǎo)。
[0008]三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對殘余應(yīng)力演化過程問題，本發(fā)明旨在能夠在線測量噴涂后涂層的殘余應(yīng)力，為研究涂層內(nèi)應(yīng)力的演化過程提供一種實時監(jiān)測的方法。
[0010]本發(fā)明的目的由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn):[0011]一種在線測量陶瓷涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置，包括位移傳感器(I)、溫度傳感器
(2)、數(shù)據(jù)采集器(3)、夾具(4);將待噴涂試樣一端夾持在夾具上，位移傳感器置于試樣的未夾持端位置，溫度傳感器置于試樣的夾持端位置，同時將位移傳感器與溫度傳感器接通數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相聯(lián)接。
[0012]進(jìn)一步，所述位移傳感器(I)，即為接觸式或非接觸式高精度位移傳感器，測量范圍-1~10mm，測量精度lXl(T6mm。
[0013]進(jìn)一步，所述溫度傳感器⑵，采用接觸式或非接觸式測溫儀，測量溫度范圍-10~1370°C，時間響應(yīng)速度大于20Hz。
[0014]所述的一 種在線測量陶瓷涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置所采用的測量殘余應(yīng)力的方法，包括以下工藝步驟:
[0015]I)準(zhǔn)備夾具，將待嗔涂試樣一端即B端夾持在夾具上；
[0016]2)將位移傳感器置于試樣的未夾持端位置，溫度傳感器置于試樣的夾持端位置，同時將位移傳感器與溫度傳感器接通數(shù)據(jù)采集器；
[0017]3)將位移傳感器、溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器組成測試電路并與計算機(jī)相聯(lián)接，以便進(jìn)行測試；
[0018]4)使用熱噴涂設(shè)備，對試樣進(jìn)行噴涂；
[0019]5)噴涂過程中通過位移傳感器采集試樣A點的位移數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器采集基體溫度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器由電腦記錄下來；
[0020]6)測得位移及溫度后進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理:
[0021]對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于有高精度的位移傳感器以及溫度傳感器實時監(jiān)測噴涂過程，所以我們對每一層熱噴涂得到的涂層進(jìn)行應(yīng)力分析，步驟如下:
[0022]1.位移數(shù)據(jù)處理:
[0023]將數(shù)據(jù)點記錄后通過下列公式計算涂層噴涂過程中基體曲率半徑R及基體曲率k的值的變化:
【權(quán)利要求】
1.一種在線測量陶瓷涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置，包括位移傳感器(I)、溫度傳感器(2)、數(shù)據(jù)采集器(3)、夾具(4)； 將待噴涂試樣一端夾持在夾具上，位移傳感器置于試樣的未夾持端位置，溫度傳感器置于試樣的夾持端位置，同時將位移傳感器與溫度傳感器接通數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線測量陶瓷涂；層殘余應(yīng)力的試驗裝置，其特征在于，所述位移傳感器(I)，即為接觸式或非接觸式高精度位移傳感器，測量范圍-1~10_，測量精度 1 X 10_6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線測量陶瓷涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置，其特征在于，所述溫度傳感器(2)，采用接觸式或非接觸式測溫儀，測量溫度范圍-10~1370°C，時間響應(yīng)速度大于20Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線測量陶瓷涂層殘余應(yīng)力的試驗裝置所采用的測量殘余應(yīng)力的方法，包括以下工藝步驟: . 1)準(zhǔn)備夾具，將待嗔涂試樣一端即B端夾持在夾具上； . 2)將位移傳感器置于試樣的未夾持端位置，溫度傳感器置于試樣的夾持端位置，同時將位移傳感器與溫度傳感器接通數(shù)據(jù)采集器； .3)將位移傳感器、溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器組成測試電路并與計算機(jī)相聯(lián)接，以便進(jìn)行測試； .4)使用熱噴涂設(shè)備，對試樣進(jìn)行噴涂； .5)噴涂過程中通過位移傳感器采集試樣A點的位移數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器采集基體溫度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器由電腦記錄下來； . 6)測得位移及溫度后進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理: 對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于有高精度的位移傳感器以及溫度傳感器實時監(jiān)測噴涂過程，所以對每一層熱噴涂得到的涂層進(jìn)行應(yīng)力分析，步驟如下: .1.位移數(shù)據(jù)處理: 將數(shù)據(jù)點記錄后通過下列公式計算涂層噴涂過程中基體曲率半徑R及基體曲率k的值的變化: R = 1/k= (AB)2 - X2/2x(1)
其中，AB為位移傳感器所在的A點距夾持端B點的距離；X為A點位移； .2.溫度數(shù)據(jù)處理: 在每層涂層的噴涂過程中的溫度變化，通過接觸式或非接觸式測溫儀檢測，整理得到在噴涂過程中基體溫度變化曲線；該曲線整體分為三個階段，分別為預(yù)熱階段，沉積階段以及冷卻階段；而針對每層涂層來說其又分為由沉積階段與冷卻階段組成的微小過程，這個微小過程將對以下的計算每層涂層的彈性模量以及殘余應(yīng)力的方法有非常重要的作用； .7)殘余應(yīng)力的計算: .7.1.彈性模量的處理: 在曲率值-時間變化圖中，試樣冷卻狀態(tài)下曲率的變化是由于每一層涂層噴涂完成后冷卻過程中熱應(yīng)力的作用產(chǎn)生的；通過每一層涂層中已知的在冷卻過程中由熱應(yīng)力引起的曲率變化值求得每一層涂層的彈性模量Eh:
【文檔編號】G01L1/00GK103926025SQ201410149306
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月13日
【發(fā)明者】李輝, 楊天龍, 郭天旭, 栗卓新, 魏琪 申請人:北京工業(yè)大學(xué)