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一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法
【专利摘要】一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法属于热喷涂领域。通过在线测量喷涂过程中涂层与基体的曲率变化，在弹性范围内计算出制备过程中涂层的内应力，得出涂层最终的残余应力。将待喷涂试样在一端固定(称夹持端为B端，另一端为A端)，之后使用等离子喷涂的方法在试样表面上进行喷涂，并形成涂层。喷涂过程中，由于温度不均匀或材料物理性能不一致使得涂层与试样基体之间产生内应力。通过固定在试样A端的位移传感器测量出A点的位移，从而得出试样的曲率变化。测量试样在喷涂过程中沉积阶段以及冷却阶段的温度变化。根据涂层与基体的曲率变化反求出陶瓷涂层的弹性模量，反推出涂层制备过程中的应力演化以及制备后涂层的残余应力值。
【专利说明】一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法
[0001]一、【技术领域】
[0002]本发明属于热喷涂领域，尤其涉及对喷涂涂层通过曲率法这种无损物理方法进行残余应力数据收集及分析的方法及其相关装置。
[0003]二、【背景技术】
[0004]陶瓷涂层具有耐高温、高温抗氧化性好、耐磨、耐腐蚀等诸多优点，在金属或合金材料表面制备陶瓷涂层可有效优化金属的使用性能，使金属的强度和韧度与陶瓷材料的诸多优点进行结合，使复合的材料满足人们的使用条件。在众多的涂层制备方法中，热喷涂是一种广泛使用的方法，它有很多优点，比如:可供喷涂的材料很多，被喷涂的构件尺寸不受限制，而且喷涂设备简单，操作工序少、效率高，成本低等等。
[0005]然而，陶瓷材料脆性大，与金属材料的物理性能相差较大，在涂层的制备过程与涂层的使用过程中，经常会出现开裂与剥落的现象。这些现象产生的主要原因是涂层与基体之间存在残余应力。由于热喷涂本质是一个材料热加工过程，且涂层材料与基体材料热物性存在一定差异，喷涂过程中涂层材料会经历一系列快速的加热和冷却过程，这更会导致涂层/基体界面处及涂层内部存在较高的残余应力，影响涂层性能以及涂层的服役寿命。因此，要想降低这类缺陷的发生，或者控制缺陷形成的数量及规模，对涂层内应力的演化过程和控制十分重要的。本发明旨在能在线测量喷涂过程中涂层的内应力，推演其变化过程，为优化喷涂工艺提供指导。
[0006]目前，涂层残余应力的测试方法主要有有损机械和无损物理两种方法。通常使用的方法主要有衍射法、曲率测量法、钻孔法和逐层移除法等。曲率法是学术界和工程界普遍认为可取的方法之一，它由Stoney在1909年首创，其原理是在较薄的金属基体上制备涂层时，由于涂层内应力的存在，基体会发生弯曲变形，通过各种接触或非接触的方法测试涂层
材料的整体曲率k，再通过Stoney方程％ = kEsH便可确定涂层的残余应力。
[0007]英国剑桥大学的Tsui, Doyle, Clyne等人在此基础上采用在喷涂过程中监测并记录基体连续的曲率变化，得到喷涂过程中曲率变化曲线，分别计算出涂层最终的淬火应力和热应力值。美国纽约大学研究所的Matejicek, Sampath对喷涂中连续测量曲率方法进行了初步的说明并进行了成功尝试。西北工业大学超高温复合材料国家重点实验室的弓满锋使用曲率法测量了高速切削刀具为基体的TiN涂层的残余应力，相比国外，国内的相关成果较少。需要指出的是，以上对于涂层残余应力的测量都是基于涂层制备完成后，针对涂层整体进行的计算，由于陶瓷涂层制备过程中，组织发生变化，因此在厚度方向上存在组织与结构的不均匀性，急需明确和开发喷涂过程中的应力演化，为开发高效优质热喷涂工艺提供指导。
[0008]三、
【发明内容】

[0009]针对残余应力演化过程问题，本发明旨在能够在线测量喷涂后涂层的残余应力，为研究涂层内应力的演化过程提供一种实时监测的方法。
[0010]本发明的目的由以下措施构成的技术方案来实现:[0011]一种在线测量陶瓷涂层残余应力的试验装置，包括位移传感器(I)、温度传感器
(2)、数据采集器(3)、夹具(4);将待喷涂试样一端夹持在夹具上，位移传感器置于试样的未夹持端位置，温度传感器置于试样的夹持端位置，同时将位移传感器与温度传感器接通数据采集器。数据采集器与计算机相联接。
[0012]进一步，所述位移传感器(I)，即为接触式或非接触式高精度位移传感器，测量范围-1~10mm，测量精度lXl(T6mm。
[0013]进一步，所述温度传感器⑵，采用接触式或非接触式测温仪，测量温度范围-10~1370°C，时间响应速度大于20Hz。
[0014]所述的一 种在线测量陶瓷涂层残余应力的试验装置所采用的测量残余应力的方法，包括以下工艺步骤:
[0015]I)准备夹具，将待嗔涂试样一端即B端夹持在夹具上；
[0016]2)将位移传感器置于试样的未夹持端位置，温度传感器置于试样的夹持端位置，同时将位移传感器与温度传感器接通数据采集器；
[0017]3)将位移传感器、温度传感器与数据采集器组成测试电路并与计算机相联接，以便进行测试；
[0018]4)使用热喷涂设备，对试样进行喷涂；
[0019]5)喷涂过程中通过位移传感器采集试样A点的位移数据，通过温度传感器采集基体温度数据，传输到数据采集器由电脑记录下来；
[0020]6)测得位移及温度后进行的数据处理:
[0021]对所得到的数据进行处理，由于有高精度的位移传感器以及温度传感器实时监测喷涂过程，所以我们对每一层热喷涂得到的涂层进行应力分析，步骤如下:
[0022]1.位移数据处理:
[0023]将数据点记录后通过下列公式计算涂层喷涂过程中基体曲率半径R及基体曲率k的值的变化:
【权利要求】
1.一种在线测量陶瓷涂层残余应力的试验装置，包括位移传感器(I)、温度传感器(2)、数据采集器(3)、夹具(4)； 将待喷涂试样一端夹持在夹具上，位移传感器置于试样的未夹持端位置，温度传感器置于试样的夹持端位置，同时将位移传感器与温度传感器接通数据采集器。数据采集器与计算机相联接。
2.根据权利要求1所述的一种在线测量陶瓷涂；层残余应力的试验装置，其特征在于，所述位移传感器(I)，即为接触式或非接触式高精度位移传感器，测量范围-1~10_，测量精度 1 X 10_6mm。
3.根据权利要求1所述的一种在线测量陶瓷涂层残余应力的试验装置，其特征在于，所述温度传感器(2)，采用接触式或非接触式测温仪，测量温度范围-10~1370°C，时间响应速度大于20Hz。
4.根据权利要求1所述的一种在线测量陶瓷涂层残余应力的试验装置所采用的测量残余应力的方法，包括以下工艺步骤: . 1)准备夹具，将待嗔涂试样一端即B端夹持在夹具上； . 2)将位移传感器置于试样的未夹持端位置，温度传感器置于试样的夹持端位置，同时将位移传感器与温度传感器接通数据采集器； .3)将位移传感器、温度传感器与数据采集器组成测试电路并与计算机相联接，以便进行测试； .4)使用热喷涂设备，对试样进行喷涂； .5)喷涂过程中通过位移传感器采集试样A点的位移数据，通过温度传感器采集基体温度数据，传输到数据采集器由电脑记录下来； . 6)测得位移及温度后进行的数据处理: 对所得到的数据进行处理，由于有高精度的位移传感器以及温度传感器实时监测喷涂过程，所以对每一层热喷涂得到的涂层进行应力分析，步骤如下: .1.位移数据处理: 将数据点记录后通过下列公式计算涂层喷涂过程中基体曲率半径R及基体曲率k的值的变化: R = 1/k= (AB)2 - X2/2x(1)
其中，AB为位移传感器所在的A点距夹持端B点的距离；X为A点位移； .2.温度数据处理: 在每层涂层的喷涂过程中的温度变化，通过接触式或非接触式测温仪检测，整理得到在喷涂过程中基体温度变化曲线；该曲线整体分为三个阶段，分别为预热阶段，沉积阶段以及冷却阶段；而针对每层涂层来说其又分为由沉积阶段与冷却阶段组成的微小过程，这个微小过程将对以下的计算每层涂层的弹性模量以及残余应力的方法有非常重要的作用； .7)残余应力的计算: .7.1.弹性模量的处理: 在曲率值-时间变化图中，试样冷却状态下曲率的变化是由于每一层涂层喷涂完成后冷却过程中热应力的作用产生的；通过每一层涂层中已知的在冷却过程中由热应力引起的曲率变化值求得每一层涂层的弹性模量Eh:
【文档编号】G01L1/00GK103926025SQ201410149306
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月13日 优先权日:2014年4月13日
【发明者】李辉, 杨天龙, 郭天旭, 栗卓新, 魏琪 申请人:北京工业大学