[发明专利]一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法

权利要求书

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(1)、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(1)，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1×10^-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℃，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，将待喷涂试样一端即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=1k=(AB)2-x22x---(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E_ri：

Δki=6EciEs(i-1)ωH(i-1)[ω+H(i-1)]ΔTiΔαEci2ω4+4EciEs(i-1)ω3H(i-1)+6EciEs(i-1)ω2H(i-1)2+4EciEs(i-1)ωH(i-1)3+Es(i-1)2H(i-1)4]]>上式即为公式(2)

公式(2)中：E_ci为未知量，是每一次喷涂过程形成的每一层涂层的弹性模量，i=1,2,3,…,n，i即为喷涂次数以及涂层层数；Δk_i为冷却状态下由热应力造成的曲率变化量，通过曲率值-时间图得出，它所对应的是每一次喷涂过程中冷却阶段的曲率变化；E_s(i-1)为前i-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体形成的新基体的弹性模量，i=1,2,3,…,n，E_s0表示原基体的弹性模量；ω为每一次喷涂所形成涂层的厚度，每层厚度基本一致，为十几到几十微米；H_(i-1)为前i-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体所形成的新基体的厚度，i=1,2,3,…n，H0表示原基体的厚度；ΔTi为每一次喷涂过程中，与冷却阶段曲率变化相对应的温度变化；Δα为基体与涂层的热胀系数差值，在此，由于涂层与基体的热胀系数相差悬殊，故所有的热胀系数差均为原基体与涂层的热胀系数差，即热胀系数在此为一个定值；将涂层与原基体形成的梁看做复合梁来进行处理，故由前i-1次喷涂过程中形成的涂层与基体形成的新基体的弹性模量Es(i-1)看做复合梁弹性模量来处理：

Es(i-1)=Es0H0+(Ec1+Ec2+...+Ec(i-1))ωH0+(i-1)ω]]>（复合梁弹性模量计算）

(3)

公式(3)中，E_s(i-1)为前i-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体形成的新基体的弹性模量，i=1,2,3,…,n，E_s0表示原基体的弹性模量；H₀表示原基体的厚度；ω为每一次喷涂所形成涂层的厚度，每层厚度基本一致，为十几到几十微米；i=1,2,3…,n，表示喷涂次数以及涂层层数；

7.2.淬火应力计算：

通过曲率值-时间变化图，得到在每一次喷涂过程中，对应沉积阶段所产生的曲率变化即Δk_j’，该曲率变化对应的是每一次喷涂过程中温度上升时的曲率变化，第j层涂层产生的轴向拉力Fj用公式：

Δkj,=Fj((j-1/2)ω-δj-1)Σj---(4)]]>

公式(4)中δ_j-1为原基体与前j-1次喷涂过程中形成涂层所组成的复合梁中性轴到原基体与涂层界面的距离，经公式(6)同理计算可得；∑_j为复合梁刚度，该刚度为经过j次喷涂所形成的j层涂层与原基体所形成的复合梁的刚度，经公式(7)计算可得；根据公式(4)得到F_j值，则喷涂到第j层时，第j层的淬火应力为：

σcj=σc|y=(j-1/2)ω=Fjbω-EcjΔkj,((j-1/2)ω-δj)---(5)]]>

δj=ω2Ecj-Hj-12Es(j-1)2(ωEcj+Hj-1Es(j-1))---(6)]]>

Σj=Ecjbω(ω23-ωδj+δj2)+Es(j-1)bHj-1(Hj-223+Hj-1δj+δj2)---(7)]]>

公式(5)中，δ_j为经过j次喷涂后形成的j层涂层与原基体形成的复合梁中性轴到原基体与涂层界面的距离，由公式(6)求出；b为涂层宽度，ω为每层涂层厚度；Δk_j’由曲率值-时间变化图得出，该曲率变化对应的是每一次喷涂过程中沉积阶段即温度上升时的曲率变化；

公式(6)中，E_s(j-1)为前j-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体形成的新基体的弹性模量，j=1,2,…,n，求法与公式(3)同理,E_s0表示原基体的弹性模量；H_j-1为前j-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体所形成的新基体的厚度，j=1,2,…n，H₀表示原基体的厚度；

公式(7)中，E_cj为每一次喷涂过程所形成的每一层涂层的弹性模量，

j=1,2,…,n；在这三个公式当中，j均为喷涂次数以及所形成的涂层数；故据此得到第j层涂层淬火应力σ_cj；

7.3.热应力计算：

热不匹配应力有两部分组成，一部分是通常所说的热应力，喷涂完成后基体冷却至室温有热胀系数的差异在涂层中产生的应力，第二部分为层间应力，在每一层涂层形成前后涂层的温度有较大差异，由于涂层与基体热膨胀系数的不同，使涂层在这一过程中产生热应力；

第一部分热应力：由热不匹配引起的轴向拉力为：

F(CTE)j=2ΔkjΣjω+Hj-1---(8)]]>

公式(8)中，Δk_j为冷却状态下，由热应力造成的曲率变化，通过曲率值-时间图得出，它对应的是冷却阶段即温度下降时的曲率变化值；∑_j为复合梁刚度，该刚度为经过j次喷涂所形成的j层涂层与原基体所形成的复合梁的刚度，经公式(7)计算可得；ω为每层涂层的厚度；H_j-1为前j-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体所形成的新基体的厚度，j=1,2,3,…n，H0表示原基体的厚度；j为喷涂次数以及所形成的涂层数；

涂层y=(j-1/2)ω处的热应力值应为：

σcj,=σc,|y=(j-1/2)ω=F(CTE)jbω-EcjΔkj((j-1/2)ω-δj)---(9)]]>

公式(9)中，F_(CTE)j通过公式(8)求出；b为涂层宽度，ω为每层涂层厚度；Δk_j为冷却状态下，由热应力造成的曲率变化，通过曲率值-时间图得出，它对应的是冷却阶段即温度下降时的曲率变化值；δ_j为经过j次喷涂后所形成的j层涂层与原基体形成的复合梁中性轴到原基体与涂层界面的距离，由公式(6)求出；j为喷涂次数以及所形成的涂层数；

第二部分热不匹配应力与涂层形成过程的温度历程相关，第j层涂层沉积后，涂层中由热胀系数不匹配产生的轴向拉力为

F,(CTE)j=bΔαΔTj(ωHj-1EcjEs(j-1)Hj-1Es(j-1)+ωEcj)---(10)]]>

公式(10)中，b为涂层宽度，ω为每层涂层厚度；Δα为基体与涂层的热胀系数差值，在此，由于涂层与基体的热胀系数相差悬殊，故所有的热胀系数差均为原基体与涂层的热胀系数差；ΔT_j为每一次喷涂过程中，与冷却阶段曲率变化相对应的温度变化；E_cj为每一次喷涂过程形成的每一层涂层的弹性模量，j=1,2,3,…,n，j即为喷涂次数以及涂层层数，由公式(2)得出；E_s(j-1)为前j-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体形成的新基体的弹性模量，j=1,2,3,…,n，由公式(3)得出，E_s0表示原基体的弹性模量；H_j-1为前j-1次喷涂过程中形成的涂层与原基体所形成的新基体的厚度，j=1,2,3,…n，H0表示原基体的厚度；

由此得出，在这一过程完成后，第j层涂层中的层间应力值为：

σ,,cj=σ,,c|y=(j-1/2)ω=F,(CTE)jbω-EcjΔkj((j-1/2)ω-δj)---(10)]]>

公式(11)中，F^’_(CTE)j为第j层涂层沉积后，涂层中由热胀系数不匹配产生的轴向拉力，由公式(10)求出；E_cj为每一次喷涂过程形成的每一层涂层的弹性模量，j=1,2,3,…,n，j即为喷涂次数以及涂层层数，由公式(2)得出；δ_j为经过j次喷涂后所形成的j层涂层与原基体形成的复合梁中性轴到原基体与涂层界面的距离，由公式(6)求出；j为喷涂次数以及所形成的涂层数；

综上，由公式(2)得到每层涂层制备时的弹性模量，由公式(5)得到每层涂层制备时的淬火应力分布，由公式(9)得到每一层涂层热应力，由公式(11)得到每一层涂层层间应力；

4.总应力值的计算：

由前面所述公式综合得到涂层第j层的应力值：