滿孝峰

摘 要：采用超音速等離子噴涂技術(shù)制備以AlSi為底層，AT13為面層的涂層，對涂層組織和基本性能進(jìn)行表征和測試;采用表面壓入法誘導(dǎo)涂層損傷失效，聲發(fā)射技術(shù)實時在線監(jiān)測壓入過程;采用SEM對涂層壓痕形貌進(jìn)行分析;運用小波分解法，對所得的聲發(fā)射信號進(jìn)行噪聲分析。結(jié)果表明，表面壓入法在有效誘導(dǎo)涂層體系損傷失效的同時，聲發(fā)射信號可給出明顯突變提示，聲發(fā)射信號主要由涂層體系聲發(fā)射源產(chǎn)生，夾雜非常微弱的噪聲信號。與原始信號相比，噪聲信號很小，分析試驗結(jié)果時可以忽略不計。

關(guān)鍵詞：涂層;結(jié)合強(qiáng)度;壓入法;聲發(fā)射技術(shù);小波分析

中圖分類號：TG174.442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0055-05

Acoustic Emission Signal Analysis of Coating Bonding

Strength by Pressing Method

MAN Xiaofeng

（91951 Troops People's Liberation Army，Yantai Shandong 265100）

Abstract： The coating of Al-Si as the bottom layer and AT13 as the surface layer was prepared by supersonic plasma spraying technology. The microstructure and basic properties of the coating were characterized and tested. The coating failure were induced by surface compaction， and the pressing process was monitored online in real time by acoustic emission technology. SEM was used to analyze the indentation morphology of the coating. Using the wavelet method， the noise analysis of acoustic emission signal. The results show that surface pressure induced damage failure of the coating， and the acoustic emission signal could yield significant mutations. Acoustic emission signals are mainly generated by acoustic emission sources of coating system， with very weak noise signals. Compared with the original signal， the noise signal is very small and can be ignored.

Keywords： coating;bonding strength;pressure into laws;acoustic emission technology;the wavelet analysis

熱噴涂是將熔融狀態(tài)的噴涂材料通過高速氣流使其霧化噴射在零件表面，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法[1]。噴涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下來所需要的力[2]，其是檢測涂層性能非常重要一個的指標(biāo)。若結(jié)合力過小，輕則會使涂層壽命下降，產(chǎn)生早期失效;重則會引起涂層局部起皮、剝落以致無法使用。所以，如何更好地測量涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度，是評價涂層的關(guān)鍵。

評價涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法較多，有定性法和定量法，也有靜態(tài)法和動態(tài)法。根據(jù)涂層的種類和工作環(huán)境，涂層的定性檢驗可選擇彎曲試驗法、銼磨試驗法和沖擊試驗法等多種方法。其中，涂層結(jié)合強(qiáng)度的定量測試方法較為復(fù)雜、煩瑣，一般不能直接在工件上噴涂，但定量測試可以提供一定的測量數(shù)據(jù)，對于檢驗和比較各種涂層的結(jié)合強(qiáng)度，比定性檢驗更準(zhǔn)確。而定量檢測方法主要有拉伸強(qiáng)度試驗法和剪切強(qiáng)度試驗法等破壞性檢測方法[3]。

王海軍等[4]提出對熱噴涂涂層采用“尖端壓入+聲發(fā)射”測量噴涂層/基體界面結(jié)合強(qiáng)度。尖端壓入法通常采用布氏、維氏或洛氏硬度計的圓錐或球形壓頭，在涂層零件表面直接正面壓入，對基體的形狀和尺寸無嚴(yán)格要求，操作方便。表面壓入時，適合的壓入載荷將使涂層在壓痕的周邊發(fā)生界面翹曲、開裂或局部剝離，此時聲發(fā)射裝置可捕捉到相應(yīng)的信號作為特征參量，通過分析處理可表征出涂層的結(jié)合強(qiáng)度[5，6]。

熱噴涂涂層中不可避免地存在孔隙、微裂紋、未熔顆粒和層狀結(jié)構(gòu)等缺陷。在壓入過程中，壓頭撞擊涂層，加上涂層中各種缺陷的影響，以及壓入時的人為因素，都有可能成為聲發(fā)射信號的噪聲。本文采用超音速等離子噴涂系統(tǒng)制備Al-Si底層的AT13陶瓷涂層，研究尖端壓入下涂層失效時的聲發(fā)射信號特征，并運用小波分析，對涂層聲發(fā)射信號進(jìn)行噪聲分析。

1 試驗材料與方法

1.1 涂層制備

采用裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室研發(fā)的高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)?；w材料為45鋼，尺寸為80mm×50mm×6mm長方體試樣，噴涂前用工業(yè)酒精進(jìn)行超聲波除油清洗。對清洗后的基體進(jìn)行噴砂粗化，磨料選用1級白剛玉，粒度16目，氣壓0.7MPa，噴砂角度45°，噴砂距離150mm。涂層材料為AT13粉末。其中，氧化鈦的含量為13%，其余為氧化鋁和添加劑。底層材料為AlSi。

噴涂參數(shù)見表1，噴涂后對涂層進(jìn)行磨削加工，涂層表面粗糙度[Ra]為1.6，涂層厚度為0.3mm，其中底層厚度為0.05mm。

1.2 涂層壓入方法

采用圖1所示的壓入設(shè)備進(jìn)行涂層壓入試驗。壓頭為120°圓錐形金剛石，壓入速率為2.5μm/s，加載時間為240s，壓入的同時采用PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測儀采集聲信號，門檻值設(shè)置為45dB，運用小波分解法進(jìn)行噪聲分析，并基于大樣本數(shù)據(jù)，對聲發(fā)射信號分布特性進(jìn)行分析。

1.3 聲發(fā)射信號的小波分析

運用小波分解法進(jìn)行噪聲分析。小波分解有濾波功能，通過小波分解，可以將信號分為低頻近似信號和高頻細(xì)節(jié)信號，具有的關(guān)系為：

[S=Ai0，f2i+D3f2i，f2i-1+D2f2i-1，f2i-2...D1f2，f]（1）

其中，[i]為分解的尺度。

此外，要選取合適的小波分解尺度，過大，會增大計算量，也不利于噪聲去除;過小，則不能有效地消除噪聲。因此，利用小波對AE信號進(jìn)行分解要選擇合適的分解尺度和小波基函數(shù)[7]，分解尺度則由分析信號頻率段和采樣頻率確定。小波分解尺度[J]可以是[[1，log2N]]范圍內(nèi)的任一整數(shù)。根據(jù)100～500kHz的聲發(fā)射信號頻譜，其細(xì)節(jié)信號頻率在100kHz以內(nèi)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]可知：

[J≤log2N]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ?（2）

本文的試驗中，采樣頻率為2MHz，采樣點數(shù)[N=]15 360，因此，其分解尺度為[J∈[3，10]]，本文選取[J=4]。

滿足離散小波變換與時域具有緊支性要求的常用小波有四種：Haar小波、Daubechies小波、Symlets小波和Coiflets小波。AE信號的實際處理中一般選取Symlets8或者db6[9]。本文采用db6的小波基來分解重構(gòu)信號。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層壓痕截面形貌

圖2為涂層的壓痕截面形貌。從圖2可以看出，在尖端壓入的作用下，涂層出現(xiàn)了界面開裂和在壓入處涂層的貫穿性裂紋。這是涂層在尖端壓入時的典型損傷形式。一般認(rèn)為這是涂層受載后先出現(xiàn)彈塑性組織損傷，隨著加載的繼續(xù)，涂層內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋，并不斷向縱深擴(kuò)展，直至到達(dá)結(jié)合比較薄弱的涂層/基體界面處，進(jìn)而導(dǎo)致界面處出現(xiàn)明顯開裂。

2.2 聲發(fā)射反饋信號

圖3為涂層在表面壓入過程中的聲發(fā)射反饋信號。從圖3可以看出，AE能量值和幅度值出現(xiàn)了明顯的數(shù)值突變，說明此時涂層發(fā)生了斷裂失效，與壓痕截面損傷形貌結(jié)果吻合，涂層的結(jié)合強(qiáng)度值就在此閾值附近。因此，聲發(fā)射技術(shù)可以準(zhǔn)確地捕捉到涂層體系的組織損傷和失效，并能給出明確的突變提示，有效界定涂層體系的開裂失效。其中，聲發(fā)射幅度值因其對涂層組織微損傷的高度敏感性，可以準(zhǔn)確地表征涂層體系損傷行為過程;而能量值對涂層的損傷與碎裂較為敏感，可以更為準(zhǔn)確、更為明顯地界面涂層損傷失效。

2.3 聲發(fā)射信號的小波分析

壓入過程中，聲發(fā)射探頭實時監(jiān)測涂層變化的各個信號。為了確保所得聲發(fā)射信號的純潔性，對所得到的聲發(fā)射信號進(jìn)行除噪處理，如圖3中a點為涂層未發(fā)生開裂的信號，b點為聲發(fā)射突變信號。對b點進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖4為涂層發(fā)生開裂聲發(fā)射信號（圖3中b點）的原始波形，為明顯的突發(fā)性聲發(fā)射信號，電壓變化范圍為-5.5～4.5mV，呈現(xiàn)明顯的快速上升指數(shù)下降的斷裂波特性，可以判斷為涂層開裂產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波。按照上述方法對此聲發(fā)射信號進(jìn)行小波分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)看出，經(jīng)過信號重構(gòu)之后，除噪后的信號和原始信號之間差別不是很大，這說明我們所得到的聲發(fā)射信號基本上能反映涂層開裂的基本信息，與原始信號相比，噪聲的影響相對比較小，后期可忽略不計。

3 結(jié)論

①表面壓入法有效誘導(dǎo)涂層體系損傷失效，同時，聲發(fā)射信號給出明顯突變提示，有效界定涂層損傷失效行為;聲發(fā)射幅度可以準(zhǔn)確地表征涂層體系損傷行為過程;能量可以更為準(zhǔn)確、更為明顯地界定涂層損傷失效。

②在壓入過程中，聲發(fā)射信號基本上由涂層體系聲發(fā)射源產(chǎn)生，夾雜非常微弱的噪聲信號，此信號可能由壓頭與涂層之間的摩擦和涂層內(nèi)部微小裂紋產(chǎn)生;與原始信號相比，噪聲信號很小，分析試驗結(jié)果時可以忽略不計。

參考文獻(xiàn)：

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