等离子喷涂涂层的冲击响应频谱分析*
邵天敏，徐殿军，罗建国，吴朝军
清华大学 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084；航天部北京材料工艺研究所，北京 100076
文 摘 介绍了一种具有摆杆结构的材料表面冲击试验机，对等离子喷涂Al2O3-13%TiO2，Cr2O3，WC-17%Co涂层进行了冲击试验研究，测试了在不同冲击能量下涂层-基体系的冲击响应频谱，借助扫描电镜对涂层冲击后的表面进行了观察，结合表面形貌观察结果对涂层冲击过程中的频域和时域信号进行了对比分析。结果表明，涂层在冲击过程中所表现出的频谱特征和涂层受冲击载荷作用后的形态存在相互对应关系。对于所研究的涂层，存在一个临界转变能量值范围，以小于和大于此能量值范围进行冲击试验时其频谱特征会表现出明显的不同。根据对涂层冲击痕表面形貌的扫描电镜观察，此转变值实际上也对应着涂层开始出现破坏的冲击能量。初步的试验结果表明，将频谱分析用于等离子喷涂涂层冲击性能研究是可行的。
关键词 冲击响应；频谱分析；等离子喷涂涂层
分类号 TG 174.442
冲击载荷作用下的表面损伤是材料表面破坏的一种常见形式。在材料表面包括表面涂层的冲击特性的研究方面，大多数的工作［通常都是通过观察材料表面受冲击载荷作用后的几何特征和微观结构，如是否出现表面裂纹、塑性变形、材料转移等，来评定表面的冲击性能；而对于材料表面在冲击过程中的行为，研究工作开展的比较少。从本质上讲，材料表面受冲击作用的过程，实际上是动载荷作用于表面时产生的应力波由载荷作用区域向材料其它区域的动态传播过程。一般来说，材料的力学性能和应变率有关。对于材料常规的准静态分析，其应变率通常为1～3］10－5～10－1－1量级，而冲击试验的应变率可达到102～104 s－1或更高［。因此，材料在动态载荷作用下的行为与静力条件下的行为会表现出很大的差别。通常，应力波的传播会因材料特性的差异而呈现不同的特点。对于涂层4］-基体系而言，在涂层内部通常会存在一定的孔隙，对波的传播来说，在涂层材料和孔隙之间将产生界面。当涂层中传播的应力纵波到达这个界面时，将会出现反射，当波长足够短的压缩波在界面反射时，所产生的拉应力可以引起局部断裂。此外，当介质中应力波的传播遇到孔隙时，应力波将发生散射，在孔隙的尖端处产生应力奇性，引起裂纹的延伸，从而导致材料破坏［。5］Buravova通过研究材料在动态载荷条件下的表面破坏，指出材料表面动态破坏的本质是由于压缩脉冲引起的膨胀波的干涉及拉应力区的形成所导致的剥离[。因此，研究由于动态载荷而产生的应力波特征及其传播过程与材料表面特性的关系，对于材料表面冲击性能的研究具有十分重要的意义。
等离子喷涂作为热喷涂技术的主要手段之一，在形成表面耐磨陶瓷和合金涂层方面发挥着重要的作用。对等离子喷涂涂层进行冲击试验研究，其目的是了解其是否适合于冲击工况条件下的应用，并研究其在受冲击条件下的破坏机理。4] s
1 试验装置及试验方法
1.1 材料表面冲击试验机
材料表面冲击试验机的结构如图1所示。电机带动偏心拨杆，偏心拨杆抬起摆杆至一定角度，而后摆杆依靠自重落下，偏心拨杆连续转动时，形成冲头的连续冲击。冲击能量的大小通过控制摆杆抬起的角度来调节，而冲击频率的改变则依靠变频器调节电机的转速来实现。由加速度传感器测量得到的动态响应信号，经电荷放大器进入快速傅立叶变换频谱分析仪，最后由X-Y函数记录仪输出。
1—铰；2—摆杆；3—偏心拨杆；4—冲头卡具；
5—冲头；6—底座；7—计数器；8—拨杆盘；
9—电机；10—试件；11—试件卡具；12—加速度传感器
图1 材料表面冲击试验机示意图
1.2 试验材料
本试验采用3种大气等离子喷涂(APS)涂层作为研究对象。这3种涂层分别是Al2O3-13%TiO2，Cr2O3，WC-17％Co涂层，基体材料为普通的45号中碳钢，涂层厚度均为0.4 mm。涂层的原始表面硬度如表1所示。试验中所采用的冲头为直径12.7 mm的标准GCr15钢球，作为对比，也对基体材料钢45进行了试验。试验中使用的所有试件尺寸完全相同，以保证不同试验条件下结果的可比性。
表1 试件原始表面硬度
涂层材料 钢45 Al2O3-13%TiO2 Cr2O3 WC-17%Co
硬度值(HV50g) 212 1 040 1 182 1 175
1.3
对3种涂层和整体钢45分别进行单次冲击试验。试验过程中的冲击信号，由FFT频谱分析仪采集并存储在其大容量存储器内，冲击结束后，呼出冲击信号，利用频谱分析仪对其进行分析计算，再将所有结果通过X-Y函数记录仪输出。冲击后的试件，经清洗后在扫描电镜下观察冲击痕的表面形貌。
1.4 冲击能量的选择
试验中冲击能量的选择本着如下原则：冲击能量数目既要少，又要涵盖轻微冲击到较重的足以引起破坏的冲击。对每一个试件均进行了6种不同能量的冲击试验，所采用的冲击能量值如表2所列。
2 试验结果
2.1 冲击加速度时域信号峰值
图2是4种表面材料的最大冲击峰值A随冲击能量的变化情况。随着冲击能量的增加，总的趋势是冲击加速度时域峰值增加。对于涂层材料，在以相对较小的能量进行冲击时，这种增加比较明显，但是在冲击能量大于某个值后，峰值增加的趋势随着能量的增加而趋缓，甚至不再增大。
表2 试验中所采用的冲击能量值
试验方法
冲击能量代号 a b c d e f
冲击能量值E/J 0.135 0.276 0.552 0.828 1.104 1.379
图2 时域加速度信号峰值与冲击能量之间的关系
2.2 冲击频域信号
图3，4，5分别是Al2O3-13%TiO2，Cr2O3和WC-17%Co涂层分别以表2中所列6种能量值在单次冲击过程中的频谱图。由于在傅立叶变换中，信号的频率特征是从整个信号长度上提取出来的，因此，其结果描述的是冲击信号在整个时间域的平均特征。从图中可以看出，对于3种涂层来说，其单次冲击过程中的频谱图表现出了一些相同的规律，在冲击能量较低时，冲击信号先是出现低频分量，随着能量的增加，逐渐出现较高的频率分量。作为对比，在图6中列出了钢基体材料在6种不同的能量下单次冲击过程中的频谱图。与涂层的冲击信号不同的是随着冲击能量的增加，从一开始，就出现较高的频率分量而几乎不出现低的频率分量。
2.3 冲击后的表面形貌
在扫描电镜下观察试件冲击后的表面形貌，发现：对于氧化铝涂层，在最小的冲击能量(135 mJ)作用下试件表面沿冲击痕边缘已经出现微小的裂纹，随着冲击能量的增大，裂纹宽度增大，但冲击能量增大到一定值(552 mJ)后增加趋缓；碳化钨涂层表现出了和氧化铝涂层类似的情况，不同之处在于其转变发生在较高的能量值(828 mJ)；对于氧化铬涂层，冲击能量较小时情况和氧化铝类似，但在冲击能量达到552 mJ后，随着冲击能量的不断增加，表面裂纹开始由冲击痕边缘向冲击区内外扩展；钢基体的情况有所不同，在各冲击能量下，均未观察到表面裂纹和其他形式的破坏。图7给出了在冲击能量分别为试验范围的最大值(1379 mJ)和最小值(135 mJ)时的冲击痕边缘的表面形貌照片。
图3 Al2O3-13%TiO2涂层在单次冲击过程中的频谱
图4 Cr2O3涂层在单次冲击过程中的频谱
图5 WC-17%Co涂层在单次冲击过程中的频谱
图6 基体材料钢45在单次冲击过程中的频谱
3 结果讨论
根据试验结果可以看出，涂层在冲击过程中所表现出的频谱特征和涂层实际的冲击效果存在相互对应关系。可以将本试验分为两个阶段，即具有较小冲击能量值的第一阶段和具有较大冲击能量值的第二阶段。第一阶段的特征是：涂层边缘裂纹宽度和加速度时域信号峰值都随能量的增加而明显增加。在第二阶段，涂层边缘裂纹宽度和加速度时域信号峰值随冲击能量的增加稍有增加，但变化不大。对于不同的涂层材料，第一阶段向第二阶段转变点(范围)的能量值是不同的，对于氧化铬和氧化铝涂层，这个值在552 mJ附近，而对于碳化钨涂层则为约828 mJ。从图3～6还可以看出，上述两个阶段的划分对于频域信号也是适用的，在冲击能量低于转变点的第一阶段，3种涂层都只具有较低的频率分量，在冲击能量大于转变点时开始出现较高的频率分量。对于图3～6的频谱图，可以做如下解释：在第一阶段，冲击响应信号所表现的是涂层的特征，即较低的频率分量。当冲击能量达到转变值后，由于涂层边缘裂纹扩展，导致涂层冲击区与未冲击区大部分脱离，这时，冲击区的那部分涂层在某种程度上将作为冲头的一部分作用于基体，从而出现基体材料的冲击响应频谱特征，即较高的频率分量，同时还保留涂层材料的低频特征。冲击响应频谱中的高频分量的差异实际上反映了涂层破坏的程度。对比形貌图和频谱图可以发现，氧化铬涂层破坏的情况较为严重，反映在频谱图上，其高频分量更接近于钢基体的频率波形。此外，由于波在介质中传播的能流密度与频率的平方和质量密度成正比［。很显然，一方面，涂层中传播的应力波以低频分量为主，另一方面，3］3种涂层材料的质量密度都小于钢基体材料，所以，涂层中波的能流密度小于基体中波的能流密度。这就意味着，当以一定的能量对材料表面进行冲击时，相对于钢材料而言，涂层将吸收更多的能量，这是陶瓷涂层在冲击载荷下容易破坏的原因之一。
(a) 冲击能量为0.135 J时Al2O3-13%TiO2涂层
(b) 冲击能量为1.379 J时Al2O3-13%TiO2涂层
(c) 冲击能量为0.135 J时Cr2O3涂层
(d) 冲击能量为1.379 J时Cr2O3涂层冲击痕边缘形貌
(e) 冲击能量为0.135 J时WC-17%Co涂层冲击痕边缘形貌
(f) 冲击能量为1.379 J时WC-17%Co涂层冲击痕边缘形貌
图7 冲击痕边缘表面形貌的SEM照片
4 结 论
涂层在冲击过程中所表现出的频谱特征和涂层实际的冲击效果存在相互对应关系。对于所研究的涂层，存在一个临界转变能量值范围，以小于和大于此能量值范围进行冲击试验时其频谱特征会表现出明显的不同。根据对涂层冲击痕表面形貌的扫描电镜观察，此转变值实际上也对应着涂层开始出现破坏的冲击能量。初步的试验结果表明，将频谱分析用于涂层冲击性能研究是可行的。
收稿日期：1997-06-30
第一作者：男, 1963年生, 副教授
国家教委回国基金项目
参 考 文 献
1Buravova S N, Goncharov A A, Kiselev J N. Surface damage under dynamic loading. Tribology International, 1996, 29(5): 357～363
2Bantle R, Matthews A. Investigation into the impact wear behaviour of ceramic coatings. Surface and Coating Technology, 1995, 74-75(1-3): 857～868
3Voevodin A A, Bantle R, Matthews A. Dynamic impact wear of TiCxNy and Ti-DLC composite coatings. Wear, 1995, 185: 151～157
4马晓青. 冲击动力学. 北京：北京理工大学出版社，1992
5阿肯巴赫著. 弹性固体中波的传播. 徐植信，洪锦如译. 上海：同济大学出版社，1992
Frequency spectrum analysis of impact
response for plasma sprayed coatings
SHAO Tianmin, XU Dianjun,
LUO Jianguo, WU Chaojun
National Tribology Laboratory of Tsinghua
University, Beijing 100084, China;
Beijing Research Institute of Material &
Technology, Beijing 100076, China
Abstract An impact test machine, in which the impact load is generated by a pivot-lever system, is introduced. The impact wear performance of some plasma sprayed coatings (Al2O3＋13％TiO2，Cr2O3 and WC-17%Co) is investigated. The frequency spectrum of the coating-substrate composite under different impact energy is recorded in the course of impact. The surface morphology of the coating after impact is also observed under scanning electron microscopy. The results show that there is an obvious relationship between the impact effect and the frequency spectrum characteristics of the coating. For the coatings studied, there exists a transformation value of impact energy. The frequency spectrum characteristics while the impact energy is larger or less than this value, are quite different. This transformation value also corresponds the impact energy under the action of which the coating damages begin to occur. The preliminary results show that the frequency spectrum analysis is a feasible method for impact evaluation of plasma sprayed coating.
Key words impact response; frequency spectrum analysis; plasma sprayed coating
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
