摘 要: 用超音速等离子喷涂设备在 45 钢基体上制备了铁基合金涂层。以球盘式疲劳试验机为平台，研究了涂层的接触疲劳损伤行为，探测并分析了涂层在不同应力水平下疲劳损伤的声发射反馈信号。结果表明，涂层的接触疲劳损伤过程主要包括弹塑性变形、裂纹萌生和缓慢扩展、裂纹亚临界扩展、裂纹失稳扩展 4 个阶段。裂纹萌生和缓慢扩展阶段是决定疲劳寿命长短的主要阶段。接触应力越大，裂纹亚临界扩展时间和失稳扩展时间越短。涂层的最终失效模式可以根据裂纹失稳扩展阶段声发射幅值的最大值来判断，发生点蚀失效时幅值最大值约为 82. 4 dB，剥落失效时幅值最大值约为 90. 2 dB，分层失效时幅值最大值约为91. 3 dB。
关键词: 接触疲劳; 等离子喷涂; 反馈信号; 声发射
接触疲劳是指材料表面接触区域在循环应力作用下产生的永久性累积损伤过程，点蚀、剥落、分层是其主要失效形式。表面失效而引起整体失效，这极大地浪费了资源，增加了成本［1］。等离子喷涂技术是以等离子弧为热源的热喷涂技术，具有焰流温度高，粒子射速快，涂层致密、孔隙和微观裂纹少等特点，已被成功应用于表面改性、表面修复等领域［2-3］。声发射( Acoustic Emission，简称 AE) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象［4-5］。接触疲劳的本质是裂纹的萌生和扩展，声发射信号可以实时的反馈裂纹的存在状态，而且具有很高的灵敏度［6-7］。
国内外学者开展了大量块体材料的接触疲劳裂纹萌生和扩展的声发射信号反馈的研究［8-10］。但目前对表面涂层这类不均质材料体系的接触疲劳损伤声发射信号的研究还处于起步阶段［11-12］。接触应力是诱发裂纹萌生和加速裂纹扩展的主因，本文研究了等离子喷涂层在不同应力水平下的疲劳损伤声发射信号反馈规律，旨在利用声发射特征信号来实时判断涂层损伤程度及失效类型。
1 实验材料及方法
采用 HEPJet 型高效能超音速等离子喷涂装置制备涂层，该设备可以在低能耗的前提下获得高热晗值的超音速等离子速流，制备的涂层质量高。实验用基体材料为淬火45 钢，外 径、内径及高度分别为60 mm、30 mm、25 mm 的圆环试样，端面磨光处理。
喷涂前先对基体进行丙酮清洗，端面进行棕刚玉喷砂粗化，并用喷枪预热至 100 ～ 200 ℃ 。工作层为 Fe 基自熔性合金，成分 ( 质量分数，% ) 为: Cr 13. 6% 、B1. 6% 、Si 1. 1% 、C 0. 15% 、Fe 83. 55% ，粒度为 200 ～325 目。该合金具有去氧、除气并且具有良好的自润湿性，放热效应形成的微熔池可有效的提高喷涂粒子之间的冶金结合性能，常温下具有良好的耐磨、耐疲劳性。打底层为 AlSiNi 合金，成分 ( 质量分数，% )为: Al 85% 、Si 10% ，Ni 5% ，粒度为 300 ～ 400 目。
AlSiNi 合金具有超强的放热效应，可以减少基体与工作层热失配造成的残余应力，显著的提高涂层的结合强度。喷涂过程中，喷涂电压为 150 V，喷涂电流为380 A，主气为氩气( 3. 4 m3/ h) ，次气为氢气( 0. 3 m3/h) ，送粉气为氮气 ( 0. 6 m3/ h) 。 等离子喷涂工作层和打底 层 厚 度 分 别 控 制 在 450 ～ 500 μm 和 50 ～70 μm之内，经过磨床加工后工作层和打底层厚度分别控制在 200 ～ 250 μm和 50 ～ 70 μm 之内，涂层表面粗糙度为 0. 5 ～ 0. 6 μm。Fe 基合金涂层的微观结构形貌如图 1 所示，可以看出涂层结构比较致密，但在涂层中存在少量的孔隙，并且在涂层沉积粒子边界之间存在少量的微观裂纹。由于涂层孔隙和微裂纹处涂层结构不稳定，疲劳裂纹易于在这些缺陷处萌生和扩展，因此优化喷涂工艺、提高涂层质量是提高涂层抗接触疲劳性能的有效措施。
采用 YS-1 型滚动接触疲劳试验机对涂层进行接触疲劳实验，该试验机主要模拟推力轴承的接触副形式来考察材料的接触疲劳性能，示意图如图 2 所示。试验机采用杠杆加载，采用 11 球轴承( GCr15) 作为配对摩擦副，转速受驱动电机控制，本次实验转速为2000 r / min。 试验机装有载荷传感器、振动传感器、扭矩传感器、油温检测传感器以及声发射传感器。使用美国物理声学公司( PAC) 生产的 PCI-2 声发射检测系统对涂层接触疲劳损伤过程进行在线实时监测，传感器频响范围 125-750 kHz，谐振频率为 140 kHz，信号采样率为 2 MPs，前置放大器放大额度为 40 dB，经放 大 器 放 大 的 信 号 经 带 通 滤 波 ( 50 kHz ～500 kHz) ，门槛值设定为 45 dB，接触疲劳试验机数据分析系统示意图如 3 所示。
接触应力是诱发疲劳裂纹萌生、加速裂纹扩展的主因，本文采用经典赫兹应力方程计算涂层所承受的最大接触应力。
2 结果及分析
幅值和能量是声发射信号的重要特征参数，常用于声发射源类型的鉴别和活动性评价，其与接触疲劳裂纹的萌生和扩展有直接的关系。本实验采用幅值和能量这两种典型的声发射特征参数对涂层在承受不同接触应力时接触疲劳过程进行实时监测。每种应力水平下进行 10 组平行水平的接触疲劳试验，选取较为典型的疲劳损伤声发射信号，分别如图 4、图 6和图 8 所示，根据接触疲劳损伤程度和裂纹存在状态研究声发射信号幅值和能量的变化规律。
接触应力为 1. 58 GPa 的疲劳损伤声发射信号如图 4 所示，开始时幅值和能量维持在比较高的水平，这主要是由表面磨削加工造成粗糙的微凸体在剪切应力的作用下发生弹塑性变形而引起的，如第Ⅰ阶段所示，该阶段持续时间为 700 s 左右。700 ～ 2800 s 是裂纹的萌生和缓慢扩展阶段即第Ⅱ阶段，该阶段持续时间较长，大约占全部寿命的 65% ，能量和幅值整体变化较平稳，但能量有不连续的突变发生，这主要是在循环交变应力的作用下微裂纹的萌生和缓慢地进行微量的扩展释放能量而产出声发射。由等离子喷涂层的成形特点决定，在涂层中不可避免的存在孔隙、裂纹等微缺陷，由于微缺陷处材料结构不稳定，大量的裂纹易于在这些缺陷处萌生和增值，萌生的裂纹会沿着孔隙、涂层粒子界面等涂层缺陷处完成缓慢地扩展，裂纹遇到扩展障碍后将处于稳定，因此能量突变的次数可以反映涂层表面或次表面不稳定缺陷的数量和裂纹萌生量。2800 ～ 3150 s 是裂纹亚临界扩展阶段即第Ⅲ阶段，持续时间为 350 s，幅值和能量呈脉冲式突变，该阶段裂纹呈稳定且不连续的扩展导致材料产生微断裂，微断裂材料边缘同时又伴随有新的裂纹萌生，总之，裂纹的稳定扩展引起更多的裂纹萌生促使产生强度较大的声发射信号。3000 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图 5( a) 所示，可以看出涂层表面接触区域存在数量较多蠕虫状等不规则裂纹，萌生的裂纹主要分布于沉积粒子界面处，并且部分微短裂纹已经扩展连接成环形或半环形。3150 s 之后是裂纹失稳扩展阶段即第Ⅳ阶段，持续时间为 100 s 左右，幅值和能量快速急剧上升，幅值高达 80 dB，这主要是由于裂纹快速扩展、连接、闭合、剥落释放出较强的声发射信号。3250 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图 5( b) 所示，涂层的最终失效形式为点蚀，在涂层接触区域产生大量的点蚀坑，深度较浅。该应力水平下，10 组平行实验中有 8 组发生点蚀失效，各有 1 组发生剥落和分层失效。8 组点蚀失效试样在裂纹失稳扩展阶段的声发射幅值最大值的平均值为 82. 4dB。由此可知，点蚀是该应力水平下涂层接触疲劳的主要失效形式，主要是由涂层表面或次表面裂纹的萌生和扩展促使涂层表面材料微断裂引起的。
接触应力为 1. 84 GPa 的疲劳损伤声发射信号如图 6 所示，开始时能量和幅值逐渐增加，直到维持在较高的水平，如第 Ⅰ阶段所示，该阶段持续时间为500 s 左右。主要还是因为磨削加工造成涂层接触面比较粗糙，微凸体发生弹塑性变形引起能量释放而产生声发射，同时也说明在循环应力作用下微凸体材料的弹塑性变形是个累积的过程，能量和幅值上升的速率可以反映弹塑性变形的快慢。500 ～ 1070 s 是裂纹萌生和缓慢扩展阶段即第Ⅱ阶段，该阶段持续时间为570 s 左右，大约占全部寿命的 41% 。500 ～ 800 s 时幅值和能量较高，这主要是大量裂纹萌生和缓慢地完成一定程度的扩展而释放声发射信号。 与1. 58 GPa疲劳损伤规律不同的是，随后能量和幅值都有所降低，说明涂层裂纹萌生数量减少并且萌生的裂纹处于比较稳定的状态。1070 ～ 1350 s 是裂纹亚临界扩展阶段即第Ⅲ阶段，幅值和能量呈脉冲式突变，该阶段持续时间为 280 s 左右。1200 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图 7( a) 所示，萌生的裂纹主要分布在涂层孔隙周围，并且有扩展连接成椭圆形的趋势。由此可知裂纹扩展也是在涂层孔隙等微缺陷处开展的，并且孔隙成为空间裂纹连接的枢纽。1350 s 以后是裂纹失稳扩展阶段即第Ⅳ阶段，幅值和能量急剧上升，幅值高 达 90 dB 左右，持续时间为 50 s 左右。1350 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图 7 ( b) 所示，裂纹已经扩展连接成半圆形，剥落即将发生，并且剥落的涂层粒子挤入裂纹间隙，增加裂纹向外扩展的张力，加速裂纹的扩展。涂层在该应力水平下的最终失效形貌如图 7( c) 所示，剥落是涂层的最终失效形式，剥落坑底部比较平整，边缘成阶梯分布，深度较深。
该应力水平下，10 组平行实验中有 9 组发生了剥落失效，只有 1 组发生点蚀失效。9 组剥落失效试样在裂纹失稳扩展阶段的声发射幅值最大值的平均值为90. 2 dB。
接触应力为 2. 04 GPa 的疲劳损伤声发射信号如图 8 所示，在该应力水平下，疲劳损伤过程同样可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个阶段，第Ⅰ阶段持续时间为20 s左右，幅值维持在较高的水平，能量逐渐上升。
20 ～ 175 s 即第 Ⅱ 阶段是裂纹萌生和缓慢扩展阶段，能量和幅值发生不间断的突变，这表明裂纹的萌生并完成一定程度的缓慢扩展是一个瞬时突变的不连续过程，该阶段占全部寿命的 54% 左右。175 ～ 275 s即第Ⅲ阶段是裂纹亚临界扩展阶段，幅值呈脉冲式突变，能量跳跃到一个比较高的台阶，该阶段持续时间为 100 s 左右。200 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图9( a) 所示，可以看出涂层表面裂纹较深且宽，裂纹沿与滚动方向成 45°方向扩展。275 s 以后是裂纹失稳扩展阶段即第Ⅳ阶段，幅值和能量急剧上升，幅值高达 92 dB，持续时间大约为 15 s。290 s 时涂层接触疲劳损伤形貌如图 9( b) 所示，分层是涂层在该应力水平下的最终失效形式，材料大面积去除，剥落深度较深，边缘呈阶梯状分布。对图中方框区域进行 EDS对比分析，结果表明涂层表面区域 Cr 的质量百分比为 13. 6% ，而剥落坑底部区域 Cr 的质量百分比只为0. 62% ，可以确定剥落坑底部已露出基体。该应力水平下，10 组平行实验中有 7 组发生了分层失效，2 组发生剥落失效，1 组发生点蚀失效。7 组分层失效试样在裂纹失稳扩展阶段的声发射幅值最大值的平均值为 91. 3 dB。
3 结论
1) 3 种应力水平下涂层的疲劳损伤过程主要包括弹塑性变形、裂纹萌生和缓慢扩展、裂纹亚临界扩展、裂纹失稳扩展 4 个阶段。其中裂纹萌生和缓慢扩展阶段是决定疲劳寿命长短的主要阶段，1. 58 GPa、1. 84 GPa、2. 04 GPa 应力水平下裂纹萌生和稳定存在时间占全部寿命的百分比分别为 65% 、41% 、54% ;
2) 接触应力越大裂纹扩展时间越短，1. 58 GPa应力水平下裂纹亚临界扩展时间和失稳扩展时间分别为 350 s、100 s; 1. 84 GPa 应力水平下裂纹亚临界扩 展 时 间 和 失 稳 扩 展 时 间 分 别 为 280 s、50 s;2. 04 GPa应力水平下裂纹亚临界扩展时间和失稳扩展时间分别为 100 s、15 s;
3) 涂层的最终失效模式可以根据裂纹失稳扩展阶段声发射幅值的最大值来判断，发生点蚀失效时幅值最大值约为 82. 4 dB，剥落失效时幅值最大值约为90. 2 dB，分层失效时幅值最大值约为 91. 3 dB。
参考文献略
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