基于微裂纹动态捕捉的喷涂层疲劳磨损失效行为与机理

当前对等离子喷涂层的疲劳磨损失效行为的判断只能做到"未失效/失效"的两选判断，而不能做到"未失效/临界失效/失效"的关键临界判断；对疲劳磨损失效机理的分析也只能做到"事后分析"（即断口分析）而不是"全程动态监测分析"。因而喷涂层微裂纹从萌生、扩展、连片直至形成局部断裂面的全过程都是不可把握的"盲区"。本研究拟探索引入声发射技术，通过确定最敏感且能准确表征涂层材料微断裂信息的声发射信号特征参量，分析声发射信号波形，掌握特征波形对涂层内部微裂纹源及微断裂源的指代作用，实现对微裂纹从萌生到扩展再到断裂的全过程动态捕捉，进而实现对失效行为从源头以及贯穿失效全过程的"实时动态监测"，并成功把握微裂纹萌生扩展对喷涂层疲劳磨损失效的影响机理；最终建立和完善基于声发射信号反馈的喷涂层磨损失效预警模型。本课题研究成功将对确保机械装备及其关键零部件表面涂层的安全服役发挥重要作用。

通过等离子喷涂制备表面Fe基涂层，通过正交设计的方法对喷涂参数进行优化，选择喷涂距离、喷涂电压和喷涂电流为正交因子，以涂层的显微硬度和孔隙率作为评价的指标，最终得到了较优的喷涂参数，制备了结构致密、结合良好的等离子喷涂层。采用点接触式滚动接触疲劳实验机开展涂层接触疲劳实验，通过两参数Weibull分布评估涂层寿命。研究了表面完整性对涂层接触疲劳行为的影响。分别对结合强度、表面硬度、涂层厚度和表面粗糙度对涂层寿命衰退机制的影响进行了探讨。研究表明，通过制备粘结底层的方法在提高涂层结合强度的同时明显增大了涂层的整体接触疲劳寿命，其主要原因是增强了涂层/基体界面的抗疲劳能力；通过表面渗N的方法提高涂层硬度的同时在一定程度上降低了涂层的整体寿命，其主要原因是表面硬化后脆性增强使得裂纹敏感度增大，导致渗N层快速分层失效；通过控制磨削过程增大涂层厚度的同时提高涂层的整体寿命，其主要原因是改善了涂层内部剪切应力的相对分布，使界面处于低应力状态；通过表面精加工的方式降低涂层粗糙度的同时提高了涂层整体寿命，其主要原因是有效避免粗糙接触，减轻了表面磨损。研究了负载条件对涂层接触疲劳行为的影响。分别对接触应力、转速对涂层寿命衰退机制的影响进行了探讨。研究表明，增大接触应力和转速均显著降低了涂层的整体寿命，增大接触应力后涂层内部和界面上强烈的剪切应力是涂层短期分层失效的主因，增大转速后单位时间内涂层承受的交变应力的频次增多，累积损伤进程加快，局部甚至可能出现应力叠加，因此寿命较短。研究了声发射技术在涂层接触疲劳在线监测中的应用。对比了声发射信号与传统振动、扭矩信号对于涂层疲劳开裂的敏感性，分析了涂层内部疲劳开裂的声发射信号源类型，研究了声发射信号对累积损伤过程的反馈，并进行了基于声发射信号提示的涂层失效预警研究。研究结果表明，声发射信号对于疲劳开裂的敏感性明显优于振动和扭矩信号，同时声发射信号可以准确反馈涂层内部或界面上的疲劳开裂并对累积损伤过程有着明确的反馈。