CN112629725B - 一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷涂层残余应力测试方法，包括以下步骤：获取曲率试样和标定试样；对曲率试样和标定试样进行相同的喷砂工艺，喷砂完成后获取曲率试样的应力变形量P_A0和标定试样的弧高值R_B0；对所述曲率试样和标定试样进行喷涂形成涂层；获得标定试样涂层残余应力；根据曲率试样涂层残余应力和标定试样涂层残余应力获得目标基体涂层残余应力。该测试方法测试效率高，准确性高，且成本低。

Description

一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，尤其涉及一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法。

背景技术

液压缸是工程机械、海工装备、航空航天等领域的重要液压元件。针对高湿、高盐、酸碱、重载、冲击等严苛施工作业工况，通常采用热喷涂、等离子喷涂等工艺对液压缸活塞杆进行表面强化，制备高耐磨、高耐蚀、抗疲劳涂层，以满足严苛环境下液压缸活塞杆涂层长寿命服役需求。

在活塞杆表面涂层的制备过程与涂层的服役过程中，活塞杆表面涂层常常出现锈蚀、开裂、剥落等现象。造成以上现象的主要原因是活塞杆涂层制备过程涂层与基体热膨胀系数不同，导致涂层/基体界面处及涂层内部存在较高的残余应力。涂层中残余应力会导致微小裂纹出现、并进一步促进裂纹扩展，一方面将会增加海水等腐蚀介质渗透进涂层的风险，加速基材腐蚀速度，另一方面降低涂层抗冲击、抗疲劳等性能，影响涂层服役寿命。因此，快速、准确评价活塞杆喷涂层残余应力对涂层工艺开发、质量评价等具有十分重要的意义。

目前，常用的喷涂层残余应力的测试方法有试样曲率法和X射线衍射法。试样曲率法是由Stoney在1909年首创，通过在较薄的试样上制备涂层，由于涂层应力存在，喷涂后试样将会发生弯曲变形，其次根据弯曲变形量计算试样曲率，然后通过Stoney方程确定涂层残余应力。该方法没有考虑涂层弹性模量对测试结果影响，当喷涂较厚涂层时计算结果误差大，且该方法无法快速检验批量生产时喷涂工艺的稳定性，难以保障涂层成形质量一致性。

对于X射线衍射法，其原理是利用X光衍射法，由于应力的作用使晶面间距发生变化，引起晶格畸变，使得晶格常数发生变化，相应的衍射峰也将产生位移，即获得涂层残余应变，进而确定涂层残余应力。但该方法适用于晶格材料、测试流程复杂、成本高、测量深度有限，且由于涂层孔隙率等特征存在，其测量结果离散度高、误差大。

因此，面向不同施工作业环境，针对不同材料、不同结构的活塞杆功能涂层工艺开发，以上两种方法难以快速、准确的测试与评价活塞杆喷涂层残余应力，无法高效指导涂层工艺开发，也难以快速检验批量化生产时喷涂工艺的稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法，该测试方法测试效率高，准确性高，且成本低。

本发明所采取的技术方案为：一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法，包括以下步骤

S01获取曲率试样和标定试样，所述曲率试样的基体材料与待测目标基体材料相同，所述标定试样材料为弹簧钢；

S02对曲率试样和标定试样进行相同的喷砂工艺，喷砂完成后获取曲率试样的应力变形量P_A0和标定试样的弧高值R_B0；

S03对喷砂后的所述曲率试样和标定试样进行喷涂，喷涂后获取曲率试样的应力变形量P_A1和标定试样的弧高值R_B1

S04获得由喷涂引起的曲率试样的应力变形量ΔP_A和标定试样的弧高变化量ΔR_B，其中Δp_A＝p_A1-P_A0，ΔR_B＝R_B1-R_B0；

S05根据曲率试样的应力变形量ΔP_A获得曲率试样涂层残余应力，根据标定试样的弧高变化量ΔR_B获得标定试样涂层残余应力；

S06根据曲率试样涂层残余应力和标定试样涂层残余应力获得目标基体涂层残余应力。

进一步的，所述曲率试样为条状，条状曲率试样一端固定后进行喷砂或喷涂，所述应力变形量为位移变形量，所述位移变形量为曲率试样最大变形位置的位移变形量。

进一步的，所述曲率试样的位移变形量通过位移传感器测得，所述曲率试样固定端为末端，远离固定端的一端的前端，所述位移传感器检测曲率试样前端的位移变形量。

进一步的，所述标定试样为弹簧钢片，一侧贴合固定在刚性件上后对另一侧进行喷砂，喷砂完成后，取下弹簧钢片，弹性钢片释放应力弯曲，获得弹簧钢片的弧高值R_B0；

喷涂时，将弹性钢片的凹曲一侧贴合在刚性件上对其另一侧进行喷涂。

进一步的，曲率试样涂层残余应力σ_0A获取的具体步骤为：

由喷涂造成的曲率试样的曲率半径ΔR_A为：

式中L为曲率试样A的长度；

当h_c/H_s≤0.02时，曲率试样涂层残余应力σ_0A采用Stoney方程计算：

式中E_s、v_s、H_s分别为曲率试样基体材料的弹性模量、泊松比、厚度，h_c为涂层的厚度；

当0.02＜h_c/H_s＜0.1时，引入涂层弹性模量与泊松比，计算曲率试样涂层残余应力σ_0A，其公式为：

式中E_c为曲率试样涂层的弹性模量、v_c为曲率试样涂层的泊松比。

进一步的，标定试样涂层残余应力σ_0B计算方法为：

式中E_c为标定试样涂层的弹性模量、Y为喷涂后标定试样的中性轴、ΔR_B为喷涂引起的标定试样B的弧高值。

进一步的，目标基体涂层残余应力获取步骤：

1)测试多个曲率试样，获得多个曲率试样的和多个标定试样的涂层平均残余应力

以及标定试样B的平均弧高值

2)对曲率试样的涂层平均残余应力

与标定试样的涂层平均残余应力

进行算术平均，得到目标基体涂层残余应力σ₀，

进一步的，还包括步骤S07利用标定试样B的平均弧高值

评价喷涂层残余应力：建立标定试样的平均弧高值

与目标基体涂层残余应力σ₀对应关系，根据标定试样的弧高值得到目标基体的涂层残余应力。

进一步的，曲率试样和标定试样均设置在柱体装置上进行喷涂，所述柱体装置包括圆柱体，在圆柱体的侧面上周向设置有多个铣平面，所述标定试样贴合固定在所述铣平面上，所述曲率试样通过连杆固定在圆柱体上，所述连杆一端固定圆柱体，另一端固定曲率试样，所述连杆垂直圆柱体侧面设置，所述曲率试样为条状，曲率试样与所述圆柱体的轴平行。

进一步的，所述圆柱体水平设置，喷涂或喷砂时，所述圆柱体绕圆柱体的轴旋转，喷枪设置在圆柱体上方，且在水平方向上沿与圆柱体轴相同的方向往返运动喷涂。

本发明所产生的有益效果包括：(1)基于曲率法和胡克定律，本发明提出了集“测试试样制作-试样喷砂及变形量测试-试样喷涂及变形量测试-试样净变形量计算-试样残余应力计算及评价”等于一体的活塞杆喷涂层残余应力测试评价方法，具有测试效率高、测试结果准确等特点，无需进行复杂测试，可指导不同工况下涂层工艺快速开发。

(2)本发明建立标定试样弧高值与目标基体涂层残余应力对应关系，为活塞杆喷涂层批量生产时工艺稳定性及残余应力水平快速测试评价提供了新手段，可指导涂层技术产业化应用。

(3)本发明设计的活塞杆喷涂层残余应力专用圆柱体测试装置，能够模拟实际环境下活塞杆旋转喷涂过程，适用于不同材料、不同结构涂层残余应力测试，具有结构简单、试样装夹效率高、测试成本低等特点。

附图说明

图1本发明中测试方法的流程图；

图2本发明中柱体装置的结构图；

图中1—圆柱装置、2—喷枪、3—红外测温仪、4—铣平面、5—标定试样B、6—连杆、7—曲率试样A、8—激光位移传感器、9—显示装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

本发明为一种活塞杆喷涂层残余应力测试方法及专用装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测试试样设计及制作：1)采用目标基体材料制作曲率试样A7，热处理工艺与目标基体实际热处理工艺相同，其尺寸形状以窄条形/长条形为宜，目标基体为要评估的活塞杆的基体材料；2)采用SAE1070弹簧钢制作若干标定试样B5，并进行淬火和回火热处理，若干标定试样B5的尺寸统一、平均表面硬度为72-76HRA。

(2)试样喷砂：将曲率试样A7和标定试样B5进行喷砂，本实施例中是置于柱体装置1上进行喷砂，柱体装置1包括一圆柱体，在圆柱体的侧面上设置四个铣平面4，四个铣平面4与圆柱体的轴平行，四个铣平面4周向均匀设置在圆柱体侧面上，标定试样B5通过螺栓或其余固定架固定在铣平面4上，一侧贴合铣平面4固定，对另一侧进行喷砂，标定试样B5为弹簧钢片；曲率试样A7通过连杆6或其余件悬挂在圆柱体上，一端固定在连杆6上，另一端延伸出去，曲率试样A7平行圆柱体的轴，且正对铣平面4，长度方向与轴同向，该设置确保曲率试样A7在喷涂过程中，无对抗应力的外界阻力，曲率试样A7喷砂产生的应力会导致曲率试样A7产生变形，通过位移传感器即可检测出变形量。柱体装置1旋转，喷枪2对曲率试样A7和标定试样B5进行喷砂。

(3)试样喷砂后变形量测量：喷砂后通过激光位移传感器8原位测量曲率试样A7的最大位移量，记为P_A0，通常远离连接连杆6一端的端部，位移变化量最大；取下标定试样B5，由于标定试样B5为弹簧钢制作，且贴合圆柱体，当取下标定试样B5后，会因为释放应力，弯曲变形，通过千分表等仪器测量标定试样B5的最大弧高值，记为R_B0，弧高值是弯曲试样凸起的高度，弯曲的试样测其不同位置，弧高不一样，本实施例中取最高的那一个作为标定试样弧高表征值。

(4)试样喷涂：经喷砂处理后的标定试样B5再次通过螺栓安装在所设计的圆柱体测试装置上，且标定试样B5的凸面设置为喷涂面，与凸面相对的一侧(即凹曲一侧)贴合柱体装置进行固定，然后以相同的喷涂工艺参数对曲率试样A7和标定试样B5进行喷涂形成涂层，两者的涂层厚度相同。

(5)试样喷涂后变形量测量：喷涂后，重复步骤(3)，测得曲率试样A7喷涂后最大位移量为P_A1和标定试样B5喷涂后最大弧高值R_B1。

(6)试样净变形量(由喷涂导致的变形量)计算：试样喷涂后的变形量分别与其喷砂后的变形量进行作差，即得到试样由喷涂造成的净变形量：ΔP_A＝P_A1-P_A0，ΔR_B＝R_B1-R_B0。为了提高测试结果的准确性，可同时对多个曲率试样A7和多个标定试样B5进行测试，取其平均值得到净变形量。

(7)曲率试样A7涂层残余应力计算：1)由喷涂造成的曲率试样A7的曲率半径ΔR_A可近似计算为：

式中L为曲率试样A7的长度；2)当h_c/H_s≤0.02时，曲率试样A7涂层残余应力σ_0A采用Stoney方程计算：

式中E_s、v_s、H_s分别为基体材料的弹性模量、泊松比、厚度，h_c为涂层的厚度；

3)当0.02＜h_c/H_s＜0.1时，引入涂层弹性模量与泊松比，计算曲率试样A7涂层残余应力σ_0A，其公式为：

式中E_c、v_c分别为涂层的弹性模量、泊松比。

(8)标定试样B5涂层残余应力胡克定律计算：

式中E_c、Y、ΔR_B分别为涂层的弹性模量、喷涂后标定试样B5的中性轴、标定试样B5的弧高值(即试样曲率半径)。

(9)目标基体涂层残余应力确定：1)以一个柱体装置所喷涂的试样为一批，进行多个试样多次测量，分别计算曲率试样A7与标定试样B5涂层平均残余应力

以及标定试样B5的平均弧高值

2)为了降低活塞杆喷涂层残余应力测试评价误差，对曲率试样A7与标定试样B5两个涂层平均残余应力

进行算术平均，以此作为目标基体涂层残余应力σ₀，即

(10)喷涂层残余应力快速测试评价：建立标定试样B5的平均弧高值

与目标基体涂层残余应力σ₀对应关系

后续可通过现场简单测试标定试样B5净弧高值，即可实现涂层成形工艺稳定性与残余应力水平快速测试评价。柱体装置上设置有激光位移传感器8、红外测温仪3和显示装置9，激光位移传感器8用于测量曲率试样A7变形量；红外测温仪3用于测量喷涂过程试样涂层温度变化；显示装置9用于记录显示曲率试样A7变形量。

上述实施例针对活塞杆喷涂层残余应力进行测试评价，也可以适用于其他零件喷涂、激光熔覆等涂层残余应力测试评价。可以改变上述实施例中圆柱体测试装置平面数量、标定试样及曲率试样以及其安装方式等；也可以采用其他方式测量标定试样及曲率试样变形量。

(1)本发明基于曲率法和胡克定律，提出了集“测试试样制作-试样喷砂及变形量测试-试样喷涂及变形量测试-试样净变形量计算-试样残余应力计算及评价”等于一体的活塞杆喷涂层残余应力测试评价方法，指导严苛环境下活塞杆喷涂层工艺开发。

(2)本发明针对涂层厚度较厚时(0.02＜h_c/H_s＜0.1)，引入涂层弹性模量与泊松比，计算曲率试样涂层平均残余应力，提高了涂层曲率法计算结果的准确性。

(3)本发明设计专用标定试样，通过曲率试样与标定试样取平均，计算目标基体涂层残余应力，降低了目标基体涂层残余应力测试评价结果的误差度。

(4)本发明提出了建立标定试样弧高值与目标基体涂层残余应力对应关系法，为活塞杆涂层批量生产时工艺稳定性及残余应力水平快速测试评价提供了新手段，支撑涂层技术产业化应用。

(5)本发明设计的活塞杆喷涂层残余应力专用圆柱体测试装置，包括红外测温仪3、圆柱体测试装置平面、标定试样B5、螺栓、基体曲率试样A7、激光位移传感器8、显示装置9等，可模拟实际环境下活塞杆喷涂过程，适用于不同材料、不同结构涂层残余应力测试，有效提升了活塞杆喷涂层残余应力测试效率、降低了测试成本。

Claims (7)

1.一种喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：包括以下步骤

S01获取曲率试样和标定试样，所述曲率试样的基体材料与待测目标基体材料相同，所述标定试样材料为弹簧钢；

S02对曲率试样和标定试样进行相同的喷砂工艺，喷砂完成后获取曲率试样的应力变形量P_A0和标定试样的弧高值R_B0；

S03对所述曲率试样和标定试样进行喷涂形成涂层，喷涂后获取曲率试样的应力变形量P_A1和标定试样的弧高值R_B1

S04获得由喷涂引起的曲率试样的应力变形量ΔP_A和标定试样的弧高变化量ΔR_B，其中ΔP_A＝P_A1-P_A0，ΔR_B＝R_B1-R_B0；

S05根据曲率试样的应力变形量ΔP_A获得曲率试样涂层残余应力，根据标定试样的弧高变化量ΔR_B获得标定试样涂层残余应力；

S06根据曲率试样涂层残余应力和标定试样涂层残余应力获得目标基体涂层残余应力；

曲率试样涂层残余应力σ_0A获取的具体步骤为：

由喷涂造成的曲率试样的曲率半径ΔR_A为：

式中L为曲率试样A的长度；

当h_c/H_s≤0.02时，曲率试样涂层残余应力σ_0A采用Stoney方程计算：

式中E_s、v_s、H_s分别为曲率试样基体材料的弹性模量、泊松比、厚度，h_c为涂层的厚度；

当0.02<h_c/H_s<0.1时，引入涂层弹性模量与泊松比，计算曲率试样涂层平均残余应力σ_0A，其公式为：

式中E_c为曲率试样涂层的弹性模量、v_c为曲率试样涂层的泊松比；

标定试样涂层残余应力σ_0B计算方法为：

式中E_c为标定试样涂层的弹性模量、Y为喷涂后标定试样的中性轴、ΔR_B为喷涂引起的标定试样B的弧高值；

目标基体涂层残余应力获取步骤：

1)测试多个曲率试样，获得多个曲率试样的和多个标定试样的涂层平均残余应力

以及标定试样B的平均弧高值

2)对曲率试样的涂层平均残余应力

与标定试样的涂层平均残余应力

进行算术平均，得到目标基体涂层残余应力σ₀，

2.根据权利要求1所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：所述曲率试样为条状，条状曲率试样一端固定后进行喷砂或喷涂，所述应力变形量为位移变形量，所述位移变形量为曲率试样最大变形位置的位移变形量。

3.根据权利要求2所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：所述曲率试样的位移变形量通过位移传感器测得，所述曲率试样固定端为末端，远离固定端的一端的前端，所述位移传感器检测曲率试样前端的位移变形量。

4.根据权利要求1所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：所述标定试样为弹簧钢片，一侧贴合固定在刚性件上后对另一侧进行喷砂，喷砂完成后，取下弹簧钢片，弹性钢片释放应力弯曲，获得弹簧钢片的弧高值R_B0；喷涂时，将弹性钢片的凹曲一侧贴合在刚性件上对另一侧进行喷涂。

5.根据权利要求1所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：还包括步骤S07利用标定试样B的平均弧高值

评价喷涂层残余应力：建立标定试样的平均弧高值

与目标基体涂层平均残余应力σ₀对应关系，根据标定试样的弧高值得到目标基体的涂层残余应力。

6.根据权利要求1所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：曲率试样和标定试样均设置在柱体装置上进行喷涂，所述柱体装置包括圆柱体，在圆柱体的侧面上周向设置有多个铣平面，所述标定试样贴合固定在所述铣平面上，所述曲率试样通过连杆固定在圆柱体上，所述连杆一端固定圆柱体，另一端固定曲率试样，所述连杆垂直圆柱体侧面设置，所述曲率试样为条状，曲率试样与所述圆柱体的轴平行。

7.根据权利要求6所述的喷涂层残余应力测试方法，其特征在于：所述圆柱体水平设置，喷涂或喷砂时，所述圆柱体绕圆柱体的轴旋转，喷枪设置在圆柱体上方，且在水平方向上沿与圆柱体轴相同的方向往返运动喷涂。

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