CN105803381B - 一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法，包括：将粘结底层原料粉导入喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将粘结底层原料粉在基体上形成粘结底层；将绝缘底层原料粉导入喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将绝缘底层原料在粘结底层上形成绝缘底层；将绝缘涂层原料粉导入喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将绝缘涂层原料在绝缘底层上形成绝缘涂层；其中，应变片预固定在绝缘底层上，再通过绝缘涂层将应变片固定。本发明具有焰流速度高、射流快、可以喷涂任何粉末材料，并且能够制备出高质量绝缘涂层，并且在涂层厚度上精确控制的特点。

Description

一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法

技术领域

本发明涉及制备绝缘涂层，具体涉及一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法。

背景技术

航空航天领域经常需要研究不同服役条件下的零件、结构的力学完整性，通过确定应力、应变、位移、力、载荷等力学参数，为最终实际工程结构的强度刚度理论计算和机械设计提供理论依据。当前，针对高温工况条件下的零部件的热应力研究方法，主要有理论分析、数值模拟和实验研究三个研究方向。目前的趋势是工程测试和有限元理论计算相结合，理论计算和实测相结合，相互验证，互为补充。而高温应力的实验测量和装置的设计往往因为其环境的特殊性而成为测试的难点。

高温应力的实验研究，主要是通过不同的实验手段，比如通过传感器或者变换器把高温服役条件下零部件所承受的载荷、应变和位移转换为可测量的电信号或者光学信号等，对应的具体方法有载荷、位移、力的传感器测量和光学测量方法，采用传感器测量主要有电阻应变片及传感器、压电陶瓷(PZT)载荷传感器、电容式载荷传感器，光学方法主要有云纹干涉，全息法和散斑法等。近年来还出现了数字图像相关法(DIC)以计算测量高温应变的研究报道，但是其理论及相关算法仍处于发展过程。

应变电测法高温条件下应变片安装固定方法研究

采用应变电测方法测量高温下的应变还存在很多问题，主要有：

(1)材料随着温度变化产生的零点漂移以及仪器灵敏度的变化；

(2)加热循环过程引起应变片测量特性的变化，需要进行修正；

(3)应变片安装方法的选择。常用的应变片安装有粘合剂、喷涂和焊接三种。

①对于粘合剂安装来说，300度以下多采用硅系粘结剂，而高温测量条件下需要采用高温陶瓷粘合剂，这类粘合剂常需要高温处理等繁琐过程，需要专门的设备，而且结合强度也不能保证，容易剥落和开裂，而且由于高温状态下其多项物理性能会发生变化，包括比较重要的粘结性能、绝缘性能等。

②焊接对基体材料和焊接材料要求较高，应用于高温工况下的很多材料的熔化焊接性不佳，甚至很多采用复合材料，往往需要扩散焊等特种压力焊接方法，而采用扩散焊等成本过高，效率偏低，钎焊由于钎焊材料熔点普遍较低不适用于高温条件下。

③采用喷涂方法(传统多喷涂Al₂O₃)安装应变片(片)，不需要高温处理，并且近年来随着喷涂技术的飞速发展，长期困扰其在应变片安装上推广使用的瓶颈材料体系、喷涂工艺都得到了长足进步，可以应用于各种相关场合。左渝钰分别利用火焰喷涂方法和高温陶瓷粘合剂安装了高温应变片，测试了航空发动机的高温应力/应变场，并比较了两种条件下高温应变片的表面应变随温度变化的曲线，在排除应变片自身特性的差异之外，火焰喷涂安装的高温应变片对温度的敏感性远大于采用高温陶瓷粘合剂的应变片。从其他的研究报道也可以得出类似的结论，但专门针对这种差异的实验和理论研究仍然鲜见报道。在比较三种应变片安装方法的优劣后，可以确定在高温领域，采用喷涂的方法安装高温应变片可行，但是喷涂方法也有缺点，相对于其他两种方法，喷涂设备相对庞大，一次性固定投资成本较高，采用喷涂方法安装应变片，多数都与喷涂企业和研究机构协同制备。

采用不同的喷涂方法，其安装质量也不尽相同。常用的喷涂方法有火焰喷涂和等离子喷涂。火焰喷涂的焰流温度低，而耐高温的绝缘材料通常为陶瓷，熔点较高，难以被火焰焰流加热熔化，且粒子飞行速度低，涂层结合强度低，可靠性差，另外由于采用乙炔为燃料，对安全使用构成一定的威胁。普通等离子喷涂的焰流温度高，但速度低，涂层结合也较差，且只能以H₂为次级气，对安全使用也构成威胁。

发明内容

本发明设计开发了一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法，本发明的目的之一是基于上述问题解决现有技术中对于应变片安装固定方式，使应变片固定的具有更好的结合强度的同时不影响其使用。

本发明的目的之二是解决现有技术中基于采用喷涂安装应变片时，喷涂设备庞大、一次性固定成本高，而且采用常规手段喷涂时焰流温度低而绝缘材料熔点较高，难以被火焰焰流加热融化，进而导致喷涂过程中绝缘涂层不均匀、孔隙率高等问题

本发明的目的之三是解决现有技术中基于采用喷涂安装应变片时，涂层结合强度低、涂层绝缘性、抗热冲击性差以及在安装过程中对应变片有损坏等问题。

本发明通过使用高能超音速等离子喷涂系统的焰流速度高、射流快、可以喷涂任何粉末材料，能够制备出高质量绝缘涂层，并且在涂层厚度上能够精确控制，获得的绝缘涂层具有绝缘性和抗热冲击力好，并且通过这种喷涂覆盖固定应变片的方式，涂层表面致密、孔隙率低及结合强度好，覆盖固定后，应变片仍为通路，对应变片无损坏的特点。

本发明提供的技术方案为：

一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法，包括：

将粘结底层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述粘结底层原料粉向基体喷涂，在所述基体上形成粘结底层；

将绝缘底层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述绝缘底层原料粉向基体喷涂，在所述粘结底层上形成绝缘底层；以及

在所述绝缘底层上预固定所述应变片；

将绝缘涂层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述绝缘涂层原料粉向所述应变片喷涂，在所述绝缘底层及应变片上形成绝缘涂层，并且通过所述绝缘涂层能够将所述应变片覆盖固定安装；

其中，喷涂所述绝缘底层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为70mm～500mm，喷涂所述绝缘涂层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为300mm～500mm，所述绝缘底层及所述绝缘涂层的原料粉为Al₂O₃或者ZrO₂；

当所述绝缘底层及绝缘涂层原料粉为Al₂O₃时，设置送粉量的速度为20g/min～100g/min；当所述绝缘底层及绝缘涂层粉为ZrO₂时，设置送粉量的速度为50g/min～150g/min。

优选的是，所述粘结底层原料粉为NiCoCrAlY，所述绝缘底层原料粉为Al₂O₃或者ZrO₂。

优选的是，所述主气流为氮气流与氩气流的混合气流。

优选的是，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为350A～450A，所述主气流流速为80L/min～160L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为5％～20％。

优选的是，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为400A，所述主气流流速为110L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为10％。

优选的是，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为450A，所述主气流流速为120L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为12.5％。

优选的是，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为Al₂O₃，所述喷涂电流为400A，所述主气流流速为80L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为31.5％。

优选的是，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为ZrO₂，所述喷涂电流为420A，所述主气流流速为80L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为37.5％。

优选的是，所述喷涂系统为高效能超音速等离子喷涂系统，喷涂所述绝缘底层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为90mm，喷涂所述绝缘涂层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为400mm。

优选的是，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为Al₂O₃，设置送粉量的速度为60g/min；所述绝缘底层及绝缘涂层原料为ZrO₂，设置送粉量的速度为100g/min。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明采优选了两种绝缘陶瓷Al₂O₃涂层和ZrO₂涂层，以及一种耐高温粘着底层NiCoCrAlY，采用氮气和氩气的混合气流配气方案对HEPJet的喷枪进行了改造，并利用响应曲面法优化NiCoCrAlY、Al₂O₃、ZrO₂涂层的喷涂工艺参数；

2、本发明获得的两种绝缘涂层致密、孔隙率低、结合强度均超过了30MPa，并且两种陶瓷涂层的绝缘性和抗热冲击性均比较好；

3、本发明利用HEPJet在高温合金上得到了一种安装高温应变片的方法，，通过粘结底层、绝缘底层及绝缘涂层使对应变片的覆盖安装固定，使应变片与涂层结合强度大，不易脱落，并且安装后应变片仍为通路，连接应变仪后能敏感反馈电阻变化信号，说明高温、高速射流没有烧损应变片栅丝，因此采用HEPJet喷涂绝缘涂层在高温合金上固定高温应变片的方案能够得到广泛的推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的方法示意图。

图2为粘结底层增厚模型残差正态概率分布。

图3为粘结底层截面硬度模型残差正态概率分布。

图4为次级气比例和电流对涂层增厚的交互影响的等高线图。

图5为氩气流量和次级气比例对涂层增厚的交互影响的等高线图。

图6为氩气流量和电流对涂层增厚的交互影响的等高线图。

图7为次级气比例和电流对涂层显微硬度的交互影响的等高线图。

图8为氩气流量和次级气比例对涂层显微硬度的交互影响的等高线图。

图9为氩气流量和电流对涂层显微硬度的交互影响的等高线图。

图10为最终优化后参数喷涂NiCoCrAlY涂层表面形貌。

图11为最终优化后参数喷涂NiCoCrAlY涂层截面形貌。

图12为HEPJet射流温度速度随喷涂距离的变化图。

图13为ZrO₂和Al₂O₃不同喷涂距离的沉积速率变化。

图14为最终优化后参数喷涂ZrO₂涂层表面形貌。

图15为最终优化后参数喷涂ZrO₂涂层截面形貌。

图16为最终优化后参数喷涂Al₂O₃涂层表面形貌。

图17为最终优化后参数喷涂Al₂O₃涂层截面形貌。

图18为涂层厚度1mm的Von mises应力。

图19为涂层厚度0.5mm的Von mises应力。

图20为涂层拉伸结合强度试验的示意图。

图21为涂层拉伸结合强度试验的程序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法，本发明采用高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJet)，通过超音速等离子喷涂枪进行喷涂，包括：

步骤一、将粘结底层绝缘原料粉导入喷涂装置的主气流喷射路径，在一定范围的喷涂电流的作用下，通过主气流将底层绝缘原料向基体喷涂喷出，使所述底层绝缘原料在所述基体上形成粘结底层110；

步骤二、将绝缘底层原料粉导入喷涂装置的主气流喷射路径，在一定范围的喷涂电流的作用下，通过主气流将绝缘底层原料向基体喷涂喷出，在粘结底层上形成绝缘底层120；

步骤三、将应变片200预固定在绝缘底层上；

步骤四、将绝缘涂层原料粉导入喷涂装置的主气流喷射路径，在一定范围的喷涂电流的作用下，通过主气流将绝缘涂层原料向基体喷涂喷出，在绝缘底层上形成绝缘涂层120；

步骤五、对安装好应变片200的涂层进行性能测试，包括结合强度测试、绝缘性测试及抗热冲击测试；

其中，由于超音速等离子喷涂的射流速度高，在制备涂层的过程中易将应变片吹走，因此在喷涂时应预固定应变片，另外应变片栅丝的引线上不能覆盖涂层，喷涂时需保护，利用支架或卡具预固定应变片，利用热喷涂胶带保护不需要覆盖涂层的部位。

在另一种实施例中，粘结底层原料为NiCoCrAlY，绝缘底层及绝缘涂层原料为Al₂O₃或者ZrO₂。

实施例

针对NiCoCrAlY材料，选定电流、主气流量和次级气比例这三个参数作为输入因子，其中X₁为喷涂电流(A)，X₂为主气流量(L/min)，X₃为次级气比例C(C＝Q_N2/Q_Ar)，将距喷嘴出口400mm处基体上涂层增厚和截面硬度作为输出响应，采用Design-Expert进行试验设计，产生17组试验，具体因素及水平和响应变量选取见表1，响应实际测量值见表2：

表1实验因素选取水平及实测响应值

表2响应值结果

采用Design-Expert对实验数据进行分析，分别得到了涂层增厚(D)和硬度(HV_0.3)与输入因子之间的关系方程式：

D＝542.82+6.13*I+21.00*Q_Ar+7.3*C+3.50*I*Q_Ar+12.25*I*C-11.50*Q_Ar*C (1)

HV_0.3＝379.40+56.25*I-45.00*Q_Ar+23.50*C-36.25*I*Q_Ar+9.25*I*C+59.00*Q_Ar*C(2)

从方程的系数可以看出在对于涂层增厚的影响因素排序中Q_Ar>C>I，对于涂层显微硬度的影响因素排序中I>Q_Ar>C，但是三者的影响程度相近且都比较大。涂层增厚的2FI预测模型的方差分析如表3，可以看到，模型的F值为8.28，P值为0.0021≤0.05，说明因子和自变量之间所建立的回归方程的关系是显著的；同时失拟度F值为5.09，P值为0.0686>0.05，影响关系不显著。从表中分析还可知，在三个因子中Q_Ar的P值为<0.0001，说明主气流量的大小与涂层增厚高度显著，I和C两个因子的P值分别为0.0047和0.0011，与涂层增厚影响相关，在交互影响项中，I*C和Q_Ar*C这两项的P值<0.05，交互影响关系显著。这也和涂层增厚回归方程中的系数分析结果相同。涂层显微硬度的Cubic预测模型的方差分析如表4(采用三次多项式进行拟合的原因是模型的非线性比较强，线性拟合及2FI拟合均不能获得较好的拟合效果)，可以看到模型的F值为16.27，P值为<0.0001，说明因子和自变量之间所建立的回归方程的关系是高度显著的；在三个因子中I的P值为<0.0001，说明涂层显微硬度的大小与电流I高度显著，Q_Ar和C两个因子的P值分别为0.0023和0.0251，与输出影响显著，在交互影响项中I*Q_Ar和Q_Ar*C这两项的P值<0.05，交互影响关系显著。这也和回归方程的系数分析结果相同。响应的内部学生化残差分别如下图2和3所示，可以看到，无论是涂层增厚还是硬度，其模型残差的正态分布都在一条直线上，说明对于涂层增厚和硬度的模型的预测值和实际值非常接近，综合以上分析，说明所建立模型能很好地对涂层增厚及涂层显微硬度进行分析预测。

表3单位喷涂次数后涂层增厚的2FI模型方差分析

表4涂层截面硬度的Cubic模型方差分析

响应曲面法中的3D曲面图和等高线图能很好地表达出因素对于响应值的交互影响效应。

涂层增厚的响应面分析

对于涂层增厚而言，这三个变量都有一定的作用，且变量之间都有一定的交互性影响：从图4可以看到，当主气流量一定的时候，曲面图呈现三角低一边高的特点，最大的增厚在较大电流和大次级气比例下获得。从图5可以看到：当电流大小为450A时，小主气和小次级气比例难以获得较高涂层增厚，且主气对于涂层的增厚影响更大。从图6可以看到，当次级气比例固定，得到最大涂层增厚的方式是大电流和较大主气。在前面的分析中已经知道对于涂层增厚而言，三个因素的排序是Q_Ar>C>I，所以重点考察主气和次级气比例对于涂层增厚的交互影响，从图6可以看到当次级气比例一定时，涂层增厚随主气增大而增大，但是当主气流量增大到约110L/min的时候，涂层增厚增加速度放缓，主要的原因是在不考虑对射流热焓的前提下，主气流量的增大增加了气体流速，相应对弧柱的压缩作用也增强了，因此射流的刚性增强，但是如果持续不断增大主气流量，则次级气的浓度不断减小，其电离度也会越来越小，从而降低射流的热焓，热压缩效应降低从而影响了射流速度，粒子速度下降从而影响了涂层的沉积。在相同的喷嘴条件和电参数条件下，一定范围内主气增大涂层增厚越大，但同时也应该看到电流对主气和次级气比例的交互影响关系，即当电流较大时，要想获得较大的涂层增厚，主气可以在110L/min到160L/min范围内大范围变化，次级气比例也可以较大范围内进行匹配，而当电流较小时，如图6的a区域，要想获得较大的涂层增厚，图中最靠近左上角的部分区域，必须在系统最大主气流量下获得，通过大气体流量氩气的气动力效应来给粒子加速。而当电流增大时，弧柱的温度升高，离子气的热电离就更加充分，因此在电流较大，功率较高时候能将较少的离子气充分的电离，使得等离子弧能充分的压缩，如图6的b区域，从而提高射流的温度速度。因此，要想获得比较高的沉积效率，可以通过合适的主气流量匹配较大的电流和相对较小的次级气比例获得，也可以通过不断增大主气和次级气获得，但是从喷涂的成本考虑，显然前者的匹配方式更加经济合理。

涂层截面硬度的响应面分析

从图中可以看到对于涂层显微硬度而言，这三个变量也都有一定的作用，且变量之间都有一定的交互性影响作用：等高线图7可以看到在一定主气下，涂层显微硬度随着I增加而上升，在一定范围内，随着C上升，即次级气比例提升，涂层显微硬度也增加，但是当次级气比例超过一定阈值时，涂层显微硬度上升减缓甚至出现下降，如图7中a点即为该电流和主气下的阈值。因为在一定的主气流量下，加大次级气的比例会提升电压，使得功率上升，但是随着次级气比例的不断提升，其对于电压的贡献即对于功率的贡献不但减小，而过量的N₂对射流却会起到冷却作用，从而降低射流热焓。结合图8可以看出在电流一定时，在Q_Ar取值在80L/min到140L/min之间，涂层显微硬度均可以和C搭配使得涂层显微硬度达到最大。随着Q_Ar继续增加，涂层显微硬度下降，因为主气的不断加入一方面使射流速度不断加快从而导致粒子的加热时间减少，另一方面降低了射流的热焓，粒子加热不充分从而影响了熔融粒子撞击基体后的铺展，所以涂层致密性下降，涂层显微硬度降低。在对于涂层显微硬度的影响中I>Q_Ar>C，所以重点考察I和Q_Ar的影响关系，从图9可以看到当次级气比例一定的时候，在I较小，而Q_Ar较大的时候以及I较大，Q_Ar较小的时候，涂层显微硬度均能达到最大，可能的原因是在电流小而主气较大的时候，次级气比例一定，此时次级气的总量非常大，这就为电流小、电流密度不足对于射流温度的影响提供了补偿；当I较大时，电流密度增加，等离子弧弧柱的热压缩效应很剧烈，射流热焓值很高；而当Q_Ar较小，小比例的次级气都被充分电离，因此射流的温度也比较高，从而也能给予粒子足够的加热，涂层显微硬度也能达到最大值。

借助响应曲面法的参数优化和预测功能，分别将响应值涂层增厚和涂层显微硬度的优化标准设置为最大，借助拟合出的方程进行求解获得实现最优值的实验参数，得到最佳喷涂效率参数即单位喷涂次数后涂层增厚最大的参数是：主气流量110L/min，次级气比例10％，电流400A，功率45kw，最佳涂层增厚能达到413μm；最佳涂层综合质量即涂层硬度达到最大的相应参数是：主气流量120L/min、电流450A，次级气比例为12.5％，电功率53kw，最大涂层硬度为595HV_0.3。可以看到两个参数下比较接近，即说明在合适的工艺参数下，涂层的沉积效率高，单位喷涂次数后涂层增厚大，以涂层显微硬度作为评价指标，如10及图11所示相应的涂层质量也达到了最佳状态。

类似于NiCoCrAlY涂层的参数优化过程，采用响应曲面法在远距离(喷涂距离D＝100mm处)对Al₂O₃和ZrO₂进行参数优化，对于ZrO₂涂层，试验采用主气流量70L/min～100L/min，电流400A～480A，次气比例为15％～40％，功率为60kw～80kw进行优化，最终得到其最佳沉积效率和涂层最大硬度的参数为：主气流量80L/min，电流420A，次气比例为37.5％，功率为75kw；对于Al₂O₃涂层，试验采用主气流量70L/min～100L/min，电流350A～480A，次气比例为15％～40％，功率为60kw～80kw进行优化，最终得到其最佳沉积效率和涂层最大硬度的参数为：主气流量80L/min，电流400A，次气比例为31.5％，功率为70kw。

对绝缘涂层的喷涂距离的二次优化

在安装应变片时，应变片的栅丝很细，仅有0.025毫米，高温、高速的等离子射流在近距离极易烧损或吹断栅丝，从而使栅丝失效。通过计算等离子射流的温度和速度在喷嘴出口30mm外会急剧下降，如图12所示。为避免损坏栅丝，基于前一节优化的Al₂O₃和ZrO₂喷涂参数对喷涂距离进行二次优化，以通过增加喷涂距离减小射流对栅丝的损伤，将Al₂O₃送粉量设为20g/min～100g/min，ZrO₂送粉量设为50g/min～150g/min，喷涂线速度设为60m/min，其它参数不变得到图13所示的沉积速率随喷涂距离的变化曲线。可以看到随喷涂距离的增加两种陶瓷粉末的沉积速率都呈迅速减小的趋势，喷涂距离大于450mm后涂层沉积的已非常缓慢。为了尽量减少射流对应变片的损伤；在本实施例中，作为一种优选，本实验采用的喷涂距离为400mm，Al₂O₃送粉量设为60g/min，ZrO₂送粉量设为100g/min。

三种涂层的表面和截面形貌如图10、图11、图14、图15、图16及图17所示。从涂层表面形貌中可以看出，粉末粒子都得到了充分的变形、铺展。从涂层截面形貌中可以看出，涂层非常致密，孔隙很少。

作为一种优选，利用ANSYS软件采用间接法对涂层进行热－结构耦合分析，不考虑时间的影响，假设涂层一次整体喷涂到基体以进行简化计算，因此采用稳态分析模型。有限元分析采用热弹性理论，假定涂层为纯弹性变形状态，材料属性均为各向同性，并基于以下4项假设：

(1)残余应力是从427℃的参考温度(Ni基材料的自由应力状态温度)冷却到室温的过程中产生，并进行模拟分析。

(2)在残余应力的计算中假设涂层系统是均匀冷却，而且只考虑发生在与空气接触的表面的对流，没有考虑辐射以及相变的影响。

(3)采用稳态分析方法分析试样的残余应力；

(4)对流冷却速率为1000W/m²K固定值。

先设计涂层完全覆盖应变栅，并建立模型并划分网格。为简化计算，模型采取对称化处理，以简化一半计算量，通过计算其模拟结果。

涂层厚度1mm和0.5mm时残余应力分布如图18、图19所示(两图放大倍数不同，应变栅厚度相同都是0.076mm)，可以看出，应变栅和涂层交界处存在严重的应力集中，比较两种涂层，1mm厚度时涂层应力的最值略大于0.5mm，但是差距不大，为了更好的保护应变栅，达到对应变片较好的覆盖和固定效果可将绝缘涂层制备至1mm。

涂层性能测试

涂层结合强度测试

喷涂层的结合强度即为喷涂层与基体之间的结合能力，实际上是指从一块基体上去除涂层时的力，是喷涂层的重要力学性能。测定涂层结合强度的方法很多，大致可分为三类：核方法、机械方法和其它方法，机械方法又有法向分离法(拉伸法)、侧向分离法(剪切法)、压痕法、擦伤法等。本课题采用拉伸试验法(国标GB/T 8642-2002)测量涂层结合强度即法向分离法。法向分离法试样尺寸和试验原理如图20。

涂层拉伸结合强度试验程序如图21所示。涂层100通过使用胶粘剂300与试件粘结固定，胶粘剂300是上海合成树脂研究所生产的E-7胶，其中两组分重量比为G_A:G_B＝10:1.2，胶结过程中严格控制对偶试件轴线同轴度，胶结后保持温度为100℃在烤箱内停留约3小时后随炉冷却，放置24小时后即可测试。拉伸试验在WE—100型液压万能试验机上进行。本课题测试了三组试样，取其平均值。

经测量以高温合金为基体，NiCoCrAlY为底层的Al₂O₃涂层结合强度平均为32MPa，NiCoCrAlY为底层的ZrO₂涂层结合强度平均为36MPa，满足结合强度3Mpa的要求。

涂层绝缘性测试

利用欧姆表对制备的0.2mm的Al₂O₃涂层和ZrO₂涂层分别进行电阻测量，在1000V电压下，欧姆表屏幕显示数字仍然为1，说明涂层具有优异的电绝缘性。满足课题指标电阻大于20MΩ的要求。

涂层抗热冲击测试

根据实际工况测量高温工件热应变的需要，涂层应具有一定的耐热冲击性能。本课题测试了Al₂O₃涂层和ZrO₂涂层在500℃和1000℃的热冲击性能，通过马沸炉加热，水冷却，对两种涂层进行热冲击试验，500℃热冲击20次，两种涂层均无裂纹；对该试验件继续1000℃热冲击，3次后，仅Al₂O₃出现剥落；15次后，ZrO₂仍然无裂纹，说明在高温合金上制备的ZrO₂涂层具有较好的耐高温热冲击性能。

其中，HEPJet焰流以大于25℃/s的温升速率对安装了应变片的试件反复加热15次后，涂层基本无脱落，满足温升为20℃/s时涂层不脱落的要求。

根据本发明所提供的方法在实际应用中的一种实现过程如下：

采用的涂层安装固定应变片的方法如图1所示，先在基体上制备结合强度较高的粘结底层及绝缘底层作为基底，然后再通过制备绝缘涂层安装固定高温应变片，具体步骤如下：

(1)清洗

使用纱布蘸取酒精清洗试件，去除试件表面的油污和杂质，并用砂纸打磨试件的棱角边缘；

(2)粗化

利用吸入式喷砂机对试件待安装应变片的部位进行喷砂粗化，使安装部位表面具有一定的粗糙度，同时通过喷砂使该部位表面活化，喷砂后将试件装夹在卡具上，同时注意试件二次污染，避免手直接接触已喷砂的部位。

(3)制备粘结底层

采用HEPJet喷涂系统在已喷砂的表面制备Ni-Co高温粘结涂层；喷涂参数采用优化出的参数，涂层厚度为0.1mm。

(4)制备绝缘底层

采用HEPJet喷涂系统在已制备了粘结底层的试件表面制备ZrO₂涂层；喷涂参数优化后参数，涂层厚度为0.2mm。

(5)检测涂层绝缘性

利用欧姆表，选择1000V直流档位测量涂层的电阻，在试件表面多个部位测量结果均显示“1”，即表明涂层绝缘。

(6)预固定应变片

利用专用夹具将应变片预固定在已制备绝缘涂层的试件上，应变片的引线利用高温胶带固定和保护。

(7)制备绝缘涂层

采用HEPJet喷涂系统在已预固定应变片的试件表面喷涂ZrO₂涂层，喷涂参数采用二次优化出的喷涂距离为400mm的参数，在制备绝缘涂层的过程中适时的去除高温胶带和专用卡具，避免去除过早射流吹掉应变片；去除过晚卡具被涂层盖住。

在性能检测过后，对已经被绝缘涂层安装固定后的高温应变片，利用万用表测量，显示应变片为通路，说明安装过程高温应变片并没有被高温、高速等离子射流烧损或吹断；其中，此时涂层总厚度为2mm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，包括：

将粘结底层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述粘结底层原料粉向基体喷涂，在所述基体上形成粘结底层；

将绝缘底层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述绝缘底层原料粉向基体喷涂，在所述粘结底层上形成绝缘底层；以及

在所述绝缘底层上预固定所述应变片；

将绝缘涂层原料粉导入超音速等离子喷涂系统的主气流喷射路径，在喷涂电流的作用下，通过主气流将所述绝缘涂层原料粉向所述应变片喷涂，在所述绝缘底层及应变片上形成绝缘涂层，并且通过所述绝缘涂层能够将所述应变片覆盖固定安装；

其中，喷涂所述绝缘底层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为70mm～500mm，喷涂所述绝缘涂层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为300mm～500mm，所述绝缘底层及所述绝缘涂层的原料粉为Al₂O₃或者ZrO₂；

当所述绝缘底层及绝缘涂层原料粉为Al₂O₃时，设置送粉量的速度为20g/min～100g/min；当所述绝缘底层及绝缘涂层粉为ZrO₂时，设置送粉量的速度为50g/min～150g/min。

2.如权利要求1所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述粘结底层原料粉为NiCoCrAlY，所述绝缘底层原料粉为Al₂O₃或者ZrO₂。

3.如权利要求1或2所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述主气流为氮气流与氩气流的混合气流。

4.如权利要求3所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为350A～450A，所述主气流流速为80L/min～160L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为5％～20％。

5.如权利要求4所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为400A，所述主气流流速为110L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为10％。

6.如权利要求4所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，喷涂所述粘结底层时，所述喷涂电流为450A，所述主气流流速为120L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为12.5％。

7.如权利要求3所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为Al₂O₃，所述喷涂电流为400A，所述主气流流速为80L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为31.5％。

8.如权利要求3所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为ZrO₂，所述喷涂电流为420A，所述主气流流速为80L/min，所述主气流中的氮气与氩气的比例为37.5％。

9.如权利要求1、2、4-8中任一项所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述喷涂系统为高效能超音速等离子喷涂系统，喷涂所述绝缘底层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为90mm，喷涂所述绝缘涂层时，所述喷涂系统的喷射口与所述基体之间的距离为400mm。

10.如权利要求9所述的基于应变片安装的高温应变喷涂方法，其特征在于，所述绝缘底层及绝缘涂层原料为Al₂O₃，设置送粉量的速度为60g/min；所述绝缘底层及绝缘涂层原料为ZrO₂，设置送粉量的速度为100g/min。