设计、制造、测试、销售和维护飞机、飞机零件、导弹、火箭或航天器等都属于航空航天行业,包括用于民用航空和军用航空的飞机和部件。制造飞机所用的材料种类繁多,包括金属、玻璃、陶瓷、塑料和各种复合材料。为了保证飞机的功能、安全和美观,需要对这些材料的力学性质进行精确表征。
众所周知,飞机材料发展的主要目的是重量的减轻和功效的提高,无论是喷气发动机、机身、机翼和起落架,还是飞机内部。为了实现这个目标,我们需要一些特殊的材料。
喷气发动机结构示意图 (图源www.prescouter.com)
喷气发动机中的许多部件需要防止燃烧产生热量,要用到耐高温材料或涂层。高温零件必须通过使用热喷涂沉积的热障涂层(TBC)进行高温保护。热喷涂涂层必须控制其附着力和内聚力,因为不良的附着力或内聚力会导致过早失效。喷气发动机中的旋转部件必须具有低摩擦系数,以降低燃油消耗。对于用于运动部件低摩擦或耐磨的PVD涂层,必须测试其附着力,以确保保护涂层在飞机的整个生命周期内保持其功能性。涂层的硬度是表征涂层质量的一个良好指标:低硬度通常意味着涂层孔隙率高,喷涂参数不是最佳的,而过高的硬度则表明快速冷却产生高残余应力,必须监测涂层硬度。飞机机身或机翼上的小部件,例如,螺钉、铆钉、枢轴,甚至叶片上的PVD涂层都非常小或薄,不适合进行宏观测试,需要使用纳米或微米力学表征手段来测试。
喷气发动机的叶尖裂纹
喷嘴导流叶片处的腐蚀和裂纹
低压汽轮机涂层剥落
摩擦系数和磨损测量
当人们对磨损和摩擦系数感兴趣时,摩擦学测量是必不可少的。用于此类应用的仪器有销盘式摩擦磨损试验机TRB3,如果涉及变温测试,还有高温摩擦试验机THT。TRB3可根据产品的实际应用,提供线性、旋转和角度往复等运动方式。此外,软件还可统计摩擦系数随时间、位移或循环次数的变化。在摩擦学试验结束时,可使用集成的轮廓仪表征表面轮廓,直接计算磨损率。
安东帕销盘式摩擦磨损试验机 (TRB3)
安东帕高温摩擦磨损试验机 (THT)
襟翼滚珠丝杠
滚珠丝杠在航空航天工业中用于移动机翼襟翼,它们的优点是摩擦小,效率高。沉积在钢制机翼平滚珠丝杠上的厚度为几微米的PVD涂层应减少滚珠与丝杠套筒接触时的摩擦。使用TRB3摩擦磨损试验机,测量了涂两种不同PVD涂层的滚珠丝杠的摩擦系数和磨损,研究其中任何一种涂层是否会导致钢套筒的过早磨损。
襟翼滚珠丝杠
使用销盘式摩擦磨损试验机TRB³,在线性往复模式下进行试验。记录摩擦系数,并使用显微镜测量静摩擦副的磨损。比较摩擦试验结果(图1),发现两种涂层的摩擦系数与不锈钢台面的摩擦系数没有显著差异。当测量样品2上的PVD涂层时,不锈钢静摩擦副表现出更高的磨损。说明样品1上的涂层比样品2上的涂层更耐磨,尽管它们的摩擦系数几乎相同。
图1 : 静摩擦副的摩擦系数和磨损率
叶片热喷涂涂层
超音速火焰喷涂(HVOF)是一种热喷涂技术,通常用于沉积金属或陶瓷-金属涂层。叶片热喷涂涂层WC-17Co、Cr3C2-NiCr和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂层具有耐磨性,并且能承受高达约800°C的温度。我们使用高温摩擦磨损试验机THT,在室温、500°C和700°C下进行摩擦试验,测量摩擦系数和磨损率。
静摩擦副选择氧化铝,因为它能承受高达1000°C的温度,在所有测试中都使用10 N载荷。如图2,我们得到了摩擦系数随距离和温度的变化,摩擦系数随着温度的升高而降低,意味着所有涂层都适用于高温应用。还可以看到,(Ti,Mo)(C,N)-NiCo和WC-Co涂层即使在700°C下也具有非常稳定的摩擦系数。这表明磨损是均匀的,磨损轨迹相当平滑。
图2:三种涂层的摩擦系数(Houdkova et al., Proceedings of Coatings & Layers 2007)
虽然摩擦学测量,得到了摩擦系数,但需要SEM图像帮助确定磨损机制。HVOF喷涂金属陶瓷的磨损机制通常是较软的金属基体逐渐去除,露出碳化物颗粒,通过静摩擦副的横向滑动被去除。释放的颗粒作为磨损介质,并促进磨损。图3显示了在700°C下测试的样品上的磨损轨迹,它们证实了WC-Co和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂层尤其具有相对平滑的磨损轨迹,证实了这两种涂层比Cr3C2-NiCr涂层具有更稳定的摩擦系数和耐磨性,尤其是在较高的温度下。
图3 :700°C下磨损痕迹的扫描电子显微镜(SEM)图像
涂层附着力表征
在比较附着力方面,划痕技术是最好的解决方案。根据涂层类型和厚度,可选择从RST³到NST³不同载荷范围的划痕测试仪。划痕仪软件进行单条和自动多条划痕测试,划痕过程中采集声发射、摩擦系数等多种信号,更容易定义临界载荷。测试完成后对整条划痕进行全景照片拍摄,抓取整个划痕的整体图像,并将其与其他所需数据同步(图4)。
图4:安东帕大载荷划痕仪 RST³
安东帕纳米划痕仪NST3
图4 : 安东帕划痕仪测试结果示例
航天用涂料
开发用于航空航天应用的涂料时,通常需要寻找能使涂层具有最佳附着力的基材。这是涂层附着力问题的典型示例。如图5,使用纳米划痕测试仪NST³ 对两种基底上的氧化铝涂层进行的渐进划痕测试。划痕全景图(图6)显示涂层剥落,由此确定其临界载荷。结果显示样品B (玻璃基底) 的临界载荷较高。
图5:铝基底(A)和玻璃基底(B)上氧化铝涂层的临界载荷对比
图6:划痕全景图显示Al2O3涂层完全剥落
热喷涂涂层
在厚度通常在几百微米尺度的热喷涂涂层上,很难仔细观察整个划痕深度来确定临界载荷,通常不会直接划伤涂层的上表面。而采用另一种方法,即用恒定载荷在横截面上划痕。使用大载荷划痕仪RST³,用不同的恒定载荷进行划痕,观察压头划出的圆锥体(图7)。
图7: 样品横截面上恒载荷划痕示意图
除了评估圆锥的尺寸,还观察了是否存在界面裂纹。如图7,压头在基底上划伤的痕迹较宽,表示涂层比基底具有更好的抗划伤性。如果圆锥在基材-涂层界面上起始,则表明涂层的附着力失效,如果圆锥在涂层中起始,如图7所示,则表明涂层的内聚力失效。图8中,在16 N划痕下的氧化铝涂层(Al2O3)中有一个圆锥形失效,这个圆锥非常小,涂层-基体界面没有裂纹,涂层上也只有很少的细微损伤。当施加38 N的荷载时,我们能看到更大的圆锥,包含多个裂纹。还观察到涂层-基体界面出现大裂纹,这表明在这种载荷下,开始看到界面损伤,或者说附着力失效。
图8:划痕圆锥的SEM图——Al2O3和Cr2O3
绘制了两种类型涂层的圆锥投影面积变化曲线(如图9),一个是通过等离子喷涂或HVOF喷涂氧化铝和氧化铬陶瓷涂层,另一个是金属陶瓷/金属涂层。发现金属陶瓷/金属涂层的圆锥投影面积较小,这表明金属陶瓷/金属涂层比陶瓷涂层具有更好的内聚力。通过比较第一个界面裂纹出现的载荷和相同载荷下界面裂纹的长度,也可以定性评估附着力。
a
b
图9:恒定载荷划痕的圆锥投影面积随载荷的变化曲线:(a)陶瓷涂层;(b)金属陶瓷/金属涂层
硬度和弹性模量测量
对于涂层或体积较小的样品,纳米压痕仪(NHT3)是测量其硬度和弹性模量的最佳方法。高温是航空航天行业的热门话题,更具体地说,是喷气发动机开发中的热门话题,因此了解高温下的力学性能非常重要。使用高温纳米压痕系统UNHT HTV,其温度可高达800°C。
安东帕纳米压痕仪NHT3
安东帕高温超纳米压痕测试仪UNHT3 HTV
力学性能分布图
铝和钛合金因其重量轻、足够的力学强度和良好的耐高温性而常用于喷气发动机和机身。而新型钛合金经过不同热处理过程,可能产生力学性能的变化,而宏观力学性能取决于微观结构性能。压痕法是检查较大区域的硬度或弹性模量是否均匀,并解释疲劳裂纹萌生机制最佳解决方案。使用纳米压痕测试仪,在约480 μm2的较大范围内,压了25×25个点、间距为20 μm的625个压痕(图10)。接着通过压痕软件进一步处理数据,生成硬度和弹性模量的2D图和高斯拟合统计分析(图11)。结果可以与EBSD(电子背散射衍射)的晶粒取向分析结果结合起来,研究晶粒取向对力学性能的影响。这有助于理解为什么某些晶体取向对裂纹形成更敏感。
图10 :表面分布图:压痕印记
a
b
图11:(a)硬度的2D分布图(b)高斯分布拟合图
高温压痕
耐高温钢通常需要保持高强度到600°C以上,了解高温下的力学性能,对于性能、安全操作和焊接策略至关重要。改温测试通常在室温下开始,并上升至最高温度,比如600°C。在每个温度下,都可以进行测量,得到弹性模量、硬度、压痕功,在某些情况下还可以得到应力-应变曲线和屈服强度等结果。高于400°C的温度下,需要使用碳化钨制成的球形压头进行压痕,以避免压头在钢中扩散。如图12,可以看到材料的硬度随着温度的升高而降低,在400至600°C之间观察到最显著的下降。图13为不同温度下,以不同应变速率测量得到的应力-应变曲线和屈服强度。在室温和550°C下通过经典拉伸试验测得的屈服强度分别为520 MPa和388 MPa。压痕法测屈服应力的结果通常与传统方法(如单轴拉伸或压缩试验)获得的结果不一致,但变化趋势一致。
图12:不同温度下材料硬度随压入深度的变化曲线
a
b
图13:不同温度下的(a)应力-应变曲线(b)屈服强度
航空航天工业关注材料的摩擦或耐磨性能、涂层的内聚力或附着力以及材料的硬度、弹性模量等力学性能,并且关注这些性能随温度变化的情况。表面力学的测试手段:摩擦磨损试验机、划痕测试仪、纳米压痕仪等,都是表征这些材料性能的重要方法。摩擦学测试可以评估各类材料在室温或高温下的摩擦系数和耐磨性的差异,还可以结合SEM等显微表征手段,阐释材料磨损机理。划痕测试可以比较不同涂层-基材体系的内聚力和附着力的差异,以优化涂层技术。纳米压痕仪可以测量轻合金、复合材料或各种涂层的微观力学性能,可以检测材料表面较大区域的硬度或弹性模量的均匀性,并且可以结合EBSD等分析结果,研究晶粒取向等微观结构对力学性能的影响。利用高温附件或高温纳米压痕仪还可以测量不同温度下的力学性能。
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