干货推荐 | 航空航天中的表面力学测量

喷气发动机结构示意图 (图源www.prescouter.com)

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。