[发明专利]基于抛物线模型测量APS涂层残余应力试片曲率半径的方法

说明书

一种基于抛物线模型测量APS涂层残余应力试片曲率半径的方法。其包括制备APS涂层残余应力试片；测量APS涂层残余应力试片不同点的弧高值；进行曲线拟合及建立抛物线模型等步骤。本发明优点：相比于传统测量涂层曲率半径的方法，本方法只需要测得涂层表面不同测量点的弧高值便可以通过曲线拟合的抛物线模型计算出涂层的整体曲率半径，操作简单且设备成本低。相比于传统的基片弯曲法中将涂层整体看成一段圆弧来计算曲率半径，本方法创新地采用了抛物线模型，曲线拟合度较高，因此可满足实际工况下对残余应力试片曲率半径实现精确测量的要求。

技术领域

本发明属于精确测量技术领域，特别是涉及一种基于抛物线模型测量APS涂层残余应力试片曲率半径的方法。

背景技术

大气等离子喷涂(APS)是一种被广泛应用于制备航空航天、汽车等领域热端部件涂层的表面强化技术，具有涂层材料适应性广、自动化程度高等优点。在APS涂层热喷涂的过程中，APS涂层和基体会经历剧烈的温差变化；由于APS涂层和基体材料的热物理性能存在差异，因此温度的骤然变化会引起APS涂层内部产生一定的残余应力，导致喷涂后的产品出现一定程度的弯曲变形，从而降低了APS涂层的整体寿命。因此，准确评价APS涂层内部残余应力对于该涂层的安全使用和结构设计非常重要。

对于传统热喷涂涂层的残余应力测试最常见的是拉曼光谱、荧光光谱法、X射线衍射和基片弯曲法等方法。其中X射线衍射法只能应用于一定结构晶体材料的表面测量，难以测量到涂层内部的残余应力；荧光光谱法对测试材料的要求较高，一般适用于对TGO的检测，而不大适用于对陶瓷层的检测；拉曼光谱法测试范围较小，其测试结果仅为涂层小部分区域内的残余应力，不能代表涂层的整体残余应力；相比于以上其他测试方法，基片弯曲法更加方便、直接，且可以根据曲率半径的变化计算出涂层内部残余应力大小。

基片弯曲法依托于1909年Stoney提出的应力计算公式，该公式已制订为国际标准且广泛应用于薄膜和涂层的残余应力计算，表达式如式(1)所示。

式中，h_s和f分别表示基体和涂层的厚度；R为试片的曲率半径；E_S和V_s分别为基体的弹性模量和泊松比。Stoney公式的显著优点是不需要测量涂层的弹性模量和泊松比这类随温度变化的物性参数，只需要通过测量曲率半径R的变化便能计算出涂层内部残余应力。

因此，如何精确地测量具有残余应力的试片在热喷涂前后曲率半径的变化成为计算涂层内部残余应力的关键。使用轮廓仪测量曲率半径是一种常用方法，可以通过探针划过试片表面来记录表面曲率信息，但在试片曲率变化不大的情况下测量不准确；光反射法通过捕捉二维平行光在试片表面的反射信号，将相邻光斑间的距离转变为基体曲率的变化，虽然曲率半径测量精度较高，但测量过程复杂且设备昂贵。综上所述，寻找一种操作简便、设备成本低、测量精度高的曲率半径测量方法来测量涂层曲率半径，可为精确测量涂层内部残余应力提供一种可能。

另一方面，在热喷涂过程中，由于基体与涂层热膨胀系数的差异产生的残余应力会使得试片整体发生弯曲变形，在理想条件下假设试片内部残余应力分布均匀，则试片上每点的弯曲程度(曲率)都是相同的，即试片可以看作是一段对称的圆弧。因此，获取圆弧上任意一点的弦长以及弧高便可求得曲率半径，工程上大多采用圆弧近似的方式来求取试片整体的曲率半径。而在实际热喷涂过程中，涂层在沉积过程中难以保证均匀沉积，导致涂层内部残余应力分布不均，由于试片的边缘效应会在涂层的两边造成应力集中的现象，最终使得试片上各点曲率不同，在试片中点附近曲率达到最大值，而由中点向两边则递减。因此，实际工况下热喷涂后的试片近似于一段具有较大误差的圆弧，所以找到一种符合实际工况的数学模型来计算涂层曲率半径是亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于抛物线模型测量APS涂层残余应力试片曲率半径的方法。