[發明專利]基于拋物線模型測量APS涂層殘余應力試片曲率半徑的方法

在審

• 申請號: 202110057354.X
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112880618A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 程濤濤;王仕成;韓志勇;王志平
• 申請（專利權）人: 中國民航大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20;G01L5/00;G06F30/20
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學欣

一種基于拋物線模型測量APS涂層殘余應力試片曲率半徑的方法。其包括制備APS涂層殘余應力試片；測量APS涂層殘余應力試片不同點的弧高值；進行曲線擬合及建立拋物線模型等步驟。本發明優點：相比于傳統測量涂層曲率半徑的方法，本方法只需要測得涂層表面不同測量點的弧高值便可以通過曲線擬合的拋物線模型計算出涂層的整體曲率半徑，操作簡單且設備成本低。相比于傳統的基片彎曲法中將涂層整體看成一段圓弧來計算曲率半徑，本方法創新地采用了拋物線模型，曲線擬合度較高，因此可滿足實際工況下對殘余應力試片曲率半徑實現精確測量的要求。

技術領域

本發明屬于精確測量技術領域，特別是涉及一種基于拋物線模型測量APS涂層殘余應力試片曲率半徑的方法。

背景技術

大氣等離子噴涂(APS)是一種被廣泛應用于制備航空航天、汽車等領域熱端部件涂層的表面強化技術，具有涂層材料適應性廣、自動化程度高等優點。在APS涂層熱噴涂的過程中，APS涂層和基體會經歷劇烈的溫差變化；由于APS涂層和基體材料的熱物理性能存在差異，因此溫度的驟然變化會引起APS涂層內部產生一定的殘余應力，導致噴涂后的產品出現一定程度的彎曲變形，從而降低了APS涂層的整體壽命。因此，準確評價APS涂層內部殘余應力對于該涂層的安全使用和結構設計非常重要。

對于傳統熱噴涂涂層的殘余應力測試最常見的是拉曼光譜、熒光光譜法、X射線衍射和基片彎曲法等方法。其中X射線衍射法只能應用于一定結構晶體材料的表面測量，難以測量到涂層內部的殘余應力；熒光光譜法對測試材料的要求較高，一般適用于對TGO的檢測，而不大適用于對陶瓷層的檢測；拉曼光譜法測試范圍較小，其測試結果僅為涂層小部分區域內的殘余應力，不能代表涂層的整體殘余應力；相比于以上其他測試方法，基片彎曲法更加方便、直接，且可以根據曲率半徑的變化計算出涂層內部殘余應力大小。

基片彎曲法依托于1909年Stoney提出的應力計算公式，該公式已制訂為國際標準且廣泛應用于薄膜和涂層的殘余應力計算，表達式如式(1)所示。

式中，h_s和f分別表示基體和涂層的厚度；R為試片的曲率半徑；E_S和V_s分別為基體的彈性模量和泊松比。Stoney公式的顯著優點是不需要測量涂層的彈性模量和泊松比這類隨溫度變化的物性參數，只需要通過測量曲率半徑R的變化便能計算出涂層內部殘余應力。

因此，如何精確地測量具有殘余應力的試片在熱噴涂前后曲率半徑的變化成為計算涂層內部殘余應力的關鍵。使用輪廓儀測量曲率半徑是一種常用方法，可以通過探針劃過試片表面來記錄表面曲率信息，但在試片曲率變化不大的情況下測量不準確；光反射法通過捕捉二維平行光在試片表面的反射信號，將相鄰光斑間的距離轉變為基體曲率的變化，雖然曲率半徑測量精度較高，但測量過程復雜且設備昂貴。綜上所述，尋找一種操作簡便、設備成本低、測量精度高的曲率半徑測量方法來測量涂層曲率半徑，可為精確測量涂層內部殘余應力提供一種可能。

另一方面，在熱噴涂過程中，由于基體與涂層熱膨脹系數的差異產生的殘余應力會使得試片整體發生彎曲變形，在理想條件下假設試片內部殘余應力分布均勻，則試片上每點的彎曲程度(曲率)都是相同的，即試片可以看作是一段對稱的圓弧。因此，獲取圓弧上任意一點的弦長以及弧高便可求得曲率半徑，工程上大多采用圓弧近似的方式來求取試片整體的曲率半徑。而在實際熱噴涂過程中，涂層在沉積過程中難以保證均勻沉積，導致涂層內部殘余應力分布不均，由于試片的邊緣效應會在涂層的兩邊造成應力集中的現象，最終使得試片上各點曲率不同，在試片中點附近曲率達到最大值，而由中點向兩邊則遞減。因此，實際工況下熱噴涂后的試片近似于一段具有較大誤差的圓弧，所以找到一種符合實際工況的數學模型來計算涂層曲率半徑是亟需解決的問題。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于拋物線模型測量APS涂層殘余應力試片曲率半徑的方法。