PVD薄膜傳感器監(jiān)測強(qiáng)化結(jié)構(gòu)裂紋的可行性研究

劉凱, 崔榮洪, 侯波, 何宇廷, 張?zhí)煊?/p>

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院, 710038, 西安; 2.陸軍航空兵研究所, 101121, 北京)

現(xiàn)代飛機(jī)尤其是軍用戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能日益提高,使飛機(jī)基體結(jié)構(gòu)承受著更高的載荷和更惡劣的工作環(huán)境,飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展會不斷降低結(jié)構(gòu)的承載能力,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效甚至突然斷裂?，F(xiàn)階段,在工程上主要通過3類方法來應(yīng)對疲勞失效問題。第一類是疲勞壽命預(yù)測,例如名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、能量法[1]。第二類是對結(jié)構(gòu)危險部位進(jìn)行強(qiáng)化,主要有噴丸強(qiáng)化、孔冷擠壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化等,例如:文獻(xiàn)[2]針對典型鈦合金TC4進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)設(shè)計,對比了強(qiáng)化前后鈦合金葉片的疲勞壽命,并通過微觀結(jié)構(gòu)分析了提高葉片抗疲勞性能的機(jī)理;文獻(xiàn)[3]比較分析了3種強(qiáng)度噴丸工藝下中心孔板的高溫低周疲勞性能及裂紋萌生情況;文獻(xiàn)[4]研究了孔擠壓強(qiáng)化對Inconel 718高溫合金中心孔試樣疲勞壽命的影響,并通過微觀分析探討了孔擠壓強(qiáng)化機(jī)制。第三類是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù),主要通過與結(jié)構(gòu)集成的傳感元件獲取與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)有關(guān)的信息,在損傷達(dá)到一定程度時及時預(yù)警,進(jìn)而采取預(yù)防與維修措施[5],這些傳感元件包括相對真空傳感器[6]、壓電傳感器[7]等。

強(qiáng)化結(jié)構(gòu)往往處于危險部位,部分強(qiáng)化技術(shù)還被應(yīng)用于已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的結(jié)構(gòu)的維修與延壽工作,這類危險部位更加需要對其損傷狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控?，F(xiàn)有大多數(shù)針對金屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測技術(shù)都采取將傳感器布置于結(jié)構(gòu)表面的方式,例如:文獻(xiàn)[8]將損傷監(jiān)測智能涂層涂布在飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵危險部位,通過電位法監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)裂紋;文獻(xiàn)[9]利用PVD薄膜傳感器進(jìn)行了腐蝕環(huán)境下的金屬疲勞裂紋監(jiān)測,驗證了PVD薄膜傳感器具有承受腐蝕環(huán)境的能力。但是,結(jié)構(gòu)經(jīng)過強(qiáng)化處理后,其表面粗糙度會發(fā)生顯著變化,可能影響傳感器與結(jié)構(gòu)的集成,且強(qiáng)化工藝引入了殘余應(yīng)力場,表面?zhèn)鞲衅鞯牟贾靡部赡苡绊憵堄鄳?yīng)力場的分布,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā),以PVD薄膜傳感器為研究對象,從損傷一致性和對強(qiáng)化基體疲勞性能的影響2個方面對PVD薄膜傳感器應(yīng)用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測的可行性進(jìn)行了驗證,并進(jìn)行了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的在線監(jiān)測試驗。

1 試驗件強(qiáng)化及傳感器制備

1.1 試驗件

選擇飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的2A12-T4鋁合金作為基體材料,其具體成分見表1。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002[10]設(shè)計了平面結(jié)構(gòu)如圖1所示的中心孔板試驗件,用于模擬飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中的連接孔危險部位。擬進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的試樣及其對比試樣的厚度為2 mm,擬進(jìn)行孔擠壓強(qiáng)化的試樣、擬進(jìn)行噴丸強(qiáng)化的試樣及其對比試樣的厚度為4 mm。具有相同厚度的試樣均取自同一塊板材,沿軋制方向切取。

表1 2A12-T4鋁合金的化學(xué)成分

圖1 試驗件的平面尺寸

1.2 試驗件的強(qiáng)化

現(xiàn)代飛機(jī)在制造、維修和延壽過程中廣泛采用了飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)來進(jìn)行局部強(qiáng)化處理,以提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能,其中應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)成熟度較高的主要有噴丸強(qiáng)化、孔擠壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化3種。強(qiáng)化技術(shù)的基本原理是利用沖擊、擠壓等方式,對局部結(jié)構(gòu)施加較大的壓力,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形,從而在結(jié)構(gòu)表面形成一定厚度的強(qiáng)化層,強(qiáng)化層內(nèi)具有較大的殘余壓應(yīng)力,可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。本研究采用上述3種強(qiáng)化技術(shù),具體工藝如下。

(1)噴丸強(qiáng)化。對按圖1切取、鉸孔完成的4 mm厚試驗件進(jìn)行全表面噴丸處理。選用ASH660噴丸,直徑為3.175 mm,噴丸距離為300 mm,最大凹坑直徑為0.65 mm,噴丸溫度為98 ℃,噴丸時間為3～5 min。

(2)孔擠壓強(qiáng)化。在切取的4 mm厚試驗件的中心處鉆Φ5 mm粗孔,并將該孔擴(kuò)鉆、鉸至Φ5.794 mm,再用工作環(huán)直徑為5.664 mm的擠壓芯棒和厚度為0.152 mm的開縫襯套分別對試樣進(jìn)行擠壓強(qiáng)化,最后鉸孔至Φ(6±0.02) mm。

(3)激光沖擊強(qiáng)化。對切取、鉸孔的2 mm厚中心孔板采用雙面沖擊方式進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化,制定了3種試探性強(qiáng)化方案。首先對中間區(qū)域按蛇形路徑進(jìn)行沖擊,為防止中心孔處沖擊時發(fā)生吸收保護(hù)層破裂,用橡皮或橡皮泥填充中心孔;隨后進(jìn)行壓邊處理,光斑走向為試件縱向。3種方案的激光沖擊參數(shù)見表2。

表2 激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)

采用上述3種方案對2A12-T4鋁合金中心孔試樣進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化時,均出現(xiàn)了吸收保護(hù)層破裂致使無法繼續(xù)強(qiáng)化處理的情況。經(jīng)過反復(fù)試驗摸索后,又設(shè)計了改進(jìn)的分區(qū)域強(qiáng)化路徑,具體強(qiáng)化方法如下。

首先,將擬強(qiáng)化區(qū)域劃分為如圖2所示的0、1、2、3、4五個區(qū)域。然后,暫且擱置中心孔邊區(qū)域(即區(qū)域0,該區(qū)域大小為8.4 mm×8.4 mm),對1、2、3、4四個區(qū)域按蛇形路徑進(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理。光斑數(shù)量設(shè)置如下:對于區(qū)域1和2,橫向設(shè)置10個光斑,縱向設(shè)置16個光斑;對于區(qū)域3和4,橫向、縱向均設(shè)置6個光斑。最后,對中心區(qū)域0進(jìn)行3圈環(huán)形強(qiáng)化處理:內(nèi)圈在中心孔邊上(壓邊)設(shè)置16個光斑,每隔22.5°布置一個光斑;中圈設(shè)置24個光斑,每隔15°布置一個光斑;最外圈設(shè)置30個光斑,每隔12°布置一個光斑。3圈光斑的處理區(qū)域為直徑13.2 mm的圓形區(qū)域,激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)選擇表2中的方案III。

α=15°; β=22.5°; γ=12°圖2 激光沖擊分區(qū)域強(qiáng)化路徑

1.3 PVD傳感器制備

PVD薄膜傳感器采用物理氣象沉積(physical vapour deposition, PVD)方法制備,將導(dǎo)電功能材料集成在金屬結(jié)構(gòu)表面,可通過監(jiān)測導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)中電場信息的變化來感知金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋損傷,進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[11]。PVD薄膜傳感器由3層功能梯度材料構(gòu)成:底層為實現(xiàn)導(dǎo)電薄膜與金屬基體隔離的絕緣隔離層,中層為進(jìn)行裂紋損傷監(jiān)測的導(dǎo)電傳感層,頂層為保護(hù)導(dǎo)電薄膜免受惡劣環(huán)境直接作用的封裝保護(hù)層。PVD薄膜傳感器主要基于電位法[12]進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的監(jiān)測:當(dāng)基體金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷時,具有隨附損傷特性的導(dǎo)電傳感層也在相同部位出現(xiàn)裂紋,并隨基體裂紋不斷擴(kuò)展,引起損傷區(qū)域?qū)щ妭鞲袑拥碾娮璋l(fā)生變化,通過監(jiān)測分析導(dǎo)電傳感層的電位(電阻)信息,就能得出基體結(jié)構(gòu)的損傷情況[9]。PVD薄膜傳感器的電阻值(包括連接導(dǎo)線)一般為50～100 Ω,厚度約為5 μm,其原理如圖3所示。

圖3 PVD薄膜傳感器原理示意圖

圖4 陽極氧化工藝流程

PVD薄膜傳感器的絕緣隔離層為采用硫酸陽極氧化工藝制備的Al2O3薄膜,以模擬在飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)中廣泛使用的陽極氧化處理表面,具體工藝步驟及參數(shù)見圖4。隨后,應(yīng)用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù),選擇與基體的相容性、電阻穩(wěn)定性較好的Cu為沉積靶材料,調(diào)節(jié)真空腔氬氣分壓為0.3～1.3 Pa,在50～200 V負(fù)偏壓、293.2 A弧電流下沉積85 min,在陽極氧化處理后的試驗件上制備導(dǎo)電傳感層[13]。最終制備完成的PVD薄膜傳感器形貌如圖5所示,制備完成的PVD薄膜傳感器在服役結(jié)構(gòu)上使用前還需采用AlN薄膜與705硅膠進(jìn)行封裝處理。

圖5 制備有PVD薄膜傳感器的激光沖擊強(qiáng)化試驗件

2 可行性驗證

用PVD薄膜傳感器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測的基礎(chǔ)是與其余基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性,所以PVD薄膜傳感器是否與強(qiáng)化基體同步發(fā)生相應(yīng)損傷是評價其是否適用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn)。此外,由于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)的特殊性和殘余應(yīng)力層的存在,PVD薄膜傳感器還應(yīng)與被監(jiān)測基體具有優(yōu)良的結(jié)合性能,且PVD薄膜傳感器與基體的結(jié)構(gòu)一體化集成(包括陽極氧化過程和離子鍍膜過程)不能對基體自身的力學(xué)性能造成影響。因此,本研究主要從損傷一致性和對基體疲勞性能影響兩方面進(jìn)行了可行性驗證。

2.1 損傷一致性

由于PVD薄膜傳感器主要用于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋監(jiān)測,因此先進(jìn)行靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體的應(yīng)變對比,在隨后的疲勞裂紋監(jiān)測試驗中再一并驗證PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在疲勞載荷下的損傷一致性。具體試驗內(nèi)容如下。

靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體的應(yīng)變對比試驗采用MTS810型液壓伺服試驗機(jī)在室溫、空氣環(huán)境中進(jìn)行,試驗機(jī)的載荷誤差小于1%。應(yīng)變測量采用DH-3816型靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng),測量范圍為±19 999×10-6,工作精度為±1×10-6。首先,在制備有PVD薄膜傳感器的強(qiáng)化試驗件和原始強(qiáng)化試驗件的中心孔兩側(cè)相同位置粘貼應(yīng)變片。然后,進(jìn)行靜拉伸載荷下PVD薄膜與基體的應(yīng)變對比試驗,試驗采用分級加載的方式進(jìn)行,每級載荷為1 kN。加載前應(yīng)變儀調(diào)平衡并清零,在逐級加載過程中,測量PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)基體的應(yīng)變數(shù)據(jù)直至試驗件斷裂。試樣基體與PVD薄膜傳感器的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)如圖6所示,其中1-1與1-2應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)是2A12鋁合金基體的應(yīng)變值,1-3與1-4應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)是PVD薄膜傳感器的應(yīng)變值。由圖6可見,PVD薄膜傳感器的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)與試樣基體的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)吻合度非常高,說明靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與基體具有良好的損傷一致性。此外,施加在PVD薄膜傳感器上的應(yīng)變達(dá)到3 500×10-6以上,而PVD薄膜并未從基體表面脫開,這說明該傳感器具備在高應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)用的潛力。

(a)孔冷擠壓強(qiáng)化試驗件

(b)噴丸強(qiáng)化試驗件

(c)激光沖擊強(qiáng)化試驗件圖6 靜拉伸載荷下不同強(qiáng)化試驗件的應(yīng)變對比

2.2 對強(qiáng)化基體疲勞性能的影響

在PVD薄膜傳感器制備過程中的陽極氧化、離子鍍膜等工藝會在強(qiáng)化基體局部引入較高溫度,復(fù)雜的表面處理工藝也有可能會改變強(qiáng)化基體表面的殘余應(yīng)力分布,進(jìn)而影響強(qiáng)化基體自身的疲勞性能。這些因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜,本研究僅從工程應(yīng)用的角度出發(fā),設(shè)計了一組對比試驗,以考察PVD薄膜傳感器對強(qiáng)化結(jié)構(gòu)基體疲勞性能的影響。

為了研究PVD薄膜傳感器制備對強(qiáng)化結(jié)構(gòu)模擬件的疲勞性能是否有顯著影響,將試驗件表面處理方式作為因素,分為不同水平(水平1為原始狀態(tài),無表面處理;水平2為陽極氧化工藝處理;水平3為陽極氧化處理后進(jìn)行PVD薄膜沉積),按第1節(jié)中的試驗件強(qiáng)化和PVD薄膜傳感器制備工藝,制備了若干不同水平的試驗件,考察不同表面處理方式對強(qiáng)化模擬件疲勞壽命有無顯著影響。

在MTS-810型液壓伺服疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行疲勞性能測試,采用等幅循環(huán)加載,應(yīng)力比R=0.05,加載頻率f=25 Hz,各狀態(tài)試驗件的最大應(yīng)力及平均疲勞壽命見表3。各組試驗件的疲勞壽命如圖7所示,圖例中L代表激光沖擊強(qiáng)化試驗件,P代表噴丸強(qiáng)化試驗件,H代表孔擠壓強(qiáng)化試驗件,PVD代表陽極氧化后沉積PVD薄膜的強(qiáng)化試驗件,Anodize代表陽極氧化處理的強(qiáng)化試驗件,Original代表原始強(qiáng)化后的試驗件。

圖7 不同狀態(tài)試驗件的疲勞壽命對比

強(qiáng)化工藝σmax/MPa孔冷擠壓強(qiáng)化180210噴丸強(qiáng)化150165180激光沖擊強(qiáng)化150No282 485Na76 137280 444131 55378 947351 071NPVD228 16477 893239 519111 91283 552315 777

No:原始試驗件的平均疲勞壽命;Na:陽極氧化試驗件的平均疲勞壽命;NPVD:PVD薄膜傳感器試驗件的平均疲勞壽命。

考慮到結(jié)構(gòu)疲勞壽命服從對數(shù)正態(tài)分布[14],所以每種試驗?zāi)M件的對數(shù)疲勞循環(huán)次數(shù)構(gòu)成了一個正態(tài)母體。在各母體中分別取一子樣,采用離差分解法[15]來檢驗不同水平試驗件的對數(shù)疲勞循環(huán)次數(shù)是否有顯著差異,即檢驗?zāi)阁w平均數(shù)是否相等。計算結(jié)果表明,在給定顯著性水平α=10%下,可認(rèn)為PVD薄膜傳感器的制備過程對強(qiáng)化基體的疲勞性能沒有影響。

PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化鋁合金基體具有良好的損傷一致性,且對強(qiáng)化基體疲勞性能無顯著影響,因此,將其應(yīng)用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋監(jiān)測是可行的。

3 疲勞裂紋監(jiān)測試驗

為了驗證PVD薄膜傳感器制備于強(qiáng)化基體結(jié)構(gòu)后的功能完整性,使用第1節(jié)中制備有PVD薄膜傳感器的激光沖擊強(qiáng)化試驗件進(jìn)行疲勞裂紋在線監(jiān)測試驗。試驗在MTS-810型液壓伺服疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行,試驗參數(shù)設(shè)定如下:加載頻率f為20 Hz,應(yīng)力比R為0.01,峰值載荷為210 MPa。試驗過程中,利用ARTUSB2828數(shù)據(jù)采集卡和VICTOR_86B數(shù)字多用表對PVD薄膜傳感器的輸出信號進(jìn)行跟蹤記錄,采樣頻率為10 Hz,并且通過分辨率為0.1 mm的讀數(shù)顯微鏡對裂紋的萌生和擴(kuò)展過程進(jìn)行觀察。

下面,以一組裂紋監(jiān)測試驗結(jié)果為例進(jìn)行說明。根據(jù)前期疲勞試驗的結(jié)果,結(jié)合試驗件疲勞壽命的分散性,在循環(huán)加載到160 000次時開始對PVD薄膜傳感器的輸出信號進(jìn)行跟蹤記錄,并將加載頻率降低至5 Hz,峰值載荷降低至150 MPa,以便于通過顯微鏡觀察裂紋并與監(jiān)測信號進(jìn)行對比。隨著試驗的進(jìn)行,在總循環(huán)165 103次時首次目測到了裂紋萌生,隨后裂紋逐漸擴(kuò)展過PVD薄膜傳感器覆蓋區(qū)域,在經(jīng)歷了171 108次循環(huán)后試驗件斷裂。觀察發(fā)現(xiàn),PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體結(jié)合良好,隨基體表面裂紋的擴(kuò)展而裂開,未出現(xiàn)脫層現(xiàn)象,如圖8所示。由此可見,在疲勞載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體也具有良好的損傷一致性。

圖8 裂紋擴(kuò)展

試驗過程中PVD薄膜傳感器的輸出電位信號如圖9所示,從中可以看出:在疲勞試驗進(jìn)行的初期,PVD薄膜傳感器的輸出電位保持固定值,在循環(huán)到164 524次時,PVD薄膜傳感器的輸出電位出現(xiàn)了一個階躍式上升,對應(yīng)裂紋已經(jīng)在基體中萌生并引起PVD薄膜傳感器裂開;隨后電位值繼續(xù)上升但波動不大,該部分對應(yīng)裂紋在試驗件上的擴(kuò)展;此后輸出電位值出現(xiàn)了較大波動,分析原因為在峰值載荷處PVD薄膜傳感器被拉開,使其導(dǎo)通面積減小,輸出電位值增加,而在谷值載荷處試驗件因自身彈性恢復(fù)導(dǎo)致裂紋部分閉合,引起PVD薄膜傳感器導(dǎo)通面積增大,輸出電位值降低;最終當(dāng)試驗件斷裂時,輸出電位值急劇增加,疲勞裂紋監(jiān)測試驗終止。PVD薄膜傳感器的電阻值受諸多因素的影響,例如多次循環(huán)加載、溫度等,但是由這些因素引起的電阻值的變化均是微小、緩慢的,即在監(jiān)測電位信號上反映出的變化也是微小、緩慢的,這與因裂紋萌生擴(kuò)展而引起的監(jiān)測信號突變有明顯區(qū)別,因此以監(jiān)測電位急劇增加作為裂紋萌生的判據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。整個試驗過程中PVD薄膜傳感器的監(jiān)測信號結(jié)果與顯微鏡觀察結(jié)果吻合良好,說明PVD薄膜傳感器可以較好地實現(xiàn)對強(qiáng)化結(jié)構(gòu)疲勞裂紋從萌生到擴(kuò)展的全過程監(jiān)測。

圖9 PVD薄膜傳感器輸出電位信號曲線

4 結(jié) 論

通過損傷一致性試驗、不同狀態(tài)試驗件的疲勞壽命對比試驗和疲勞裂紋在線監(jiān)測試驗及其結(jié)果分析,可得出以下結(jié)論:

(1)采用陽極氧化工藝及脈沖偏壓離子鍍技術(shù)制備的PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在靜拉伸載荷下具有良好的損傷一致性,PVD薄膜傳感器對強(qiáng)化結(jié)構(gòu)高載荷下的應(yīng)變較為敏感,與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)結(jié)合良好,具備在高應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)用的潛力;

(2)PVD薄膜傳感器制備過程中的陽極氧化工藝及離子鍍膜沉積過程不會對強(qiáng)化基體的疲勞性能造成影響;

(3)PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在疲勞載荷下同樣具有較好的損傷一致性,其監(jiān)測電位輸出信號與實際觀測的裂紋萌生擴(kuò)展過程吻合良好,監(jiān)測功能不受強(qiáng)化基體特殊表面狀態(tài)的影響。

綜上所述,PVD薄膜傳感器適用于對強(qiáng)化基體的疲勞裂紋監(jiān)測。