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摘 要：分析了热喷涂涂层中残余应力产生的起因，总结了涂层残余应力的测量方法，并提出了进一步展望，对涂层残余应力的研究具有重要的意义。
关键词：热喷涂；残余应力；测量方法
随着新工艺和新材料的不断开发和应用，热喷涂涂层正在越来越多的领域发挥着耐腐蚀、耐磨损、耐高温等作用，极大地提高了零件的使用寿命。但是，热喷涂过程中由于涂层与基体之间存在较大的温度梯度和物理特性差异而造成的残余应力，严重地影响涂层的使用寿命。因此，热喷涂涂层中残余应力的研究有着十分重要的意义。
1.残余应力的产生原因
由于热喷涂材料制备工艺涉及高温、大温变或高升温率等环节，材料成晶中必然存在大于通常的机加工的残余应力。其残余应力与等离子体状态、基体和粉末的性能、样品的几何尺寸和形状、约束方式、材料微结构、温度、瞬态效应和耦合效应以及工作环境等诸多因素有关。主要原因可以归纳为以下三个方面：
1.1本征应力
在等离子喷涂过程中当熔融的喷涂颗粒高速运动撞向基体时，颗粒从熔融温度降到基体温度或前一涂层温度时快速冷却、急剧收缩，造成材料的变形，材料的相变和状态变化的不均匀引起残余应力，这种残余应力是等离子喷涂涂层沉积过程中所固有的，为涂层的本征应力。如图1所示：
式中，αd是沉积物的热膨胀系数，E0是室温下涂层材料的弹性模量，ΔT′是喷涂材料熔点同基体温度的差值。
1.2热失配应力
喷涂材料和基体材料热物理系数的差异是造成涂层残余应力的另外一种因素。在沉积过程中喷涂材料与基体材料的热膨胀系数和弹性模量不同，在喷涂过程完成后涂层和基体冷却到室温时产生的一种热不匹配应力。同时在等离子喷涂涂层沉积过程中，温度的改变、应力弛放过程化学成分的变化以及相结构的变化均可引起残余应力的变化。如图2所示：
式中，EC是涂层的弹性模量，αc和αs分别是涂层和基体的热膨胀系数，ΔT是温度差值。
1.3 热梯度效应
热喷涂材料制备工艺的主要特点之一是瞬态喷射。即被等离子体射流加热熔化的高温粉末熔滴瞬间内高速喷射到基体表面上，在沉积层中产生热梯度，与非弹性效应一样，热梯度现象也产生残余应力。
在稳态热流条件下，试样应变产生的曲率为：
式中，为输入热流密度(W/m2)，K是热导系数(W/m.K)。
2.残余应力的测量方法
尽管测试材料残余应力的方法很多，但由于制备涂层所具有的特性，加上各种测试方法本身的特点和有限的测试条件，采用各种测试方法欲获得涂层残余应力的准确值仍存在一定的难度，目前常用的有以下几种测试方法：
2.1硬度法和压痕法
工件表面硬度与其表面残余应力间存在反比关系，即当工件表面存在拉应力时，其硬度值将降低；而存在压应力时，硬度值升高，由此产生了用工件表面压痕直径测量其残余应力的硬度法。
硬度法的测量精度依赖于压痕直径的测定，误差很大，且缺乏严密的科学性，难以建立直接的力学模型，因此，在硬度法的基础上又发展了压痕法。如图3所示，在工件待测点中心位置放置直径为D的轴承钢球，通过冲击或静压的方法施加一定的冲击功W或静压力P，使其在工件表面产生直径为d的球冠行压痕，在压痕周围产生一定的叠加应力并形成一定的应变，该应变值由压痕周围的应变花测得。对某一给定材料，可以在一定的试验条件下做压痕标定试验，得到材料的应力-应变增量曲线，然后，再在同一试验条件下对实际工件做压痕试验，测定其应变增量，根据标定试验得到应力-应变增量曲线，就可求出工件中的残余应力值。
2.2 物质去除法
钻孔法与除层法是两种常用的机械物质去除法，其基本原理是：通过钻孔或研磨涂层，释放涂层的残余应变能，同时检测样品曲率变化，计算残余应力值。在磨去涂层的表面薄层后，样品中形成新的应力状态，由基底上粘贴的应变片测得样品的曲率变化量通过理论分析确定残余应力状态。
另一种常用的物质去除法是化学去除法，其原理是针对不同的基底（或涂层）材料选用化学试剂，通过化学反应逐层腐蚀掉基底（或涂层）材料。通过监测保留材料单元的曲率确定样品残余应力。这种方法虽然克服掉了机械除层法的多数不足，但在许多情况下同样存在难以处理的为问题。例如，腐蚀液与金属或合金材料发生化学反应时，腐蚀液往往沿晶界快速渗透，界面处腐蚀程度较重，首先发生基底和涂层的分离，难以实现逐层腐蚀材料的目的，因此，在许多场合无法应用。
2.3超声波法
当没有应力作用时，超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力时的传播速度不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力，从理论上讲，只要发射超声波功率足够大，可穿透任意厚度的工件，因此它适合测量大型构件的三维残余应力，但测量精度低，只能测试高值残余应力。
2.4X射线法
金属材料是由按一定点阵排列的晶体组成的，其在无应力状态下的晶格常数是已知的，或能够单独加以确定。当构件内部存在残余应力时，其晶格发生变化，晶面间距会随之增大或减小。晶面间距的增、减将使θ角发生变化，从而使衍射移位。X射线法测定残余应力的基本原理就是根据射线位移，测出晶面间距d的相对变化，即应变，再应用弹性力学中的应力和应变的关系求出应力。
2.5中子衍射法
中子衍射法是一种测量结构内部应力的新兴方法，该方法的测量原理与射线衍射法基本相似。典型的是由单色光晶体从反应堆芯(约50mm×50)发射中子束，镉吸收屏狭缝处于被测构件和入射及衍射中子束之间，以降低残余应力的取样体积，平行衍射束发自对衍射有正确取向的晶面。通过研究衍射束的峰值位置和强度，可获得应力或应变及结构的数据。由于射线是由电子壳层散射的，故其穿透深度极浅，多用于测量试样表面的应力；而中子是由原子核散射的，因此中子的穿透深度比射线大得多，对于钢的穿透深度可达50μm。
3.热喷涂残余应力研究的进一步展望
就当前热喷涂残余应力的究状态看需要深入开展以下几方面的工作：
(1)实验测试技术，关于残余应力测试技术的研究应侧重于两个连续性和一个规范性。时间连续性：在热喷涂材料的制备过程中随时对样品进行监测，便测试涂层沉积和样品冷却过程中残余应力的形成过程，确定残余应力的时间历史。空间连续性：样品的残余应力是空间点的函数，建立多点测试方法确定残余应力在样品空间内的连续分布规律。测试实验应该符合实验力学的规范，力求标准化和简单化。
(2)尺度效应，热喷涂材料的界面粘结层具有一定厚度，存在多种微尺度效应。因此，应该对经典连续介质力学加以改造，建立相关的非局部本构理论以及相应的分析方法。
(3)瞬态效应，热喷涂材料制备工艺过程实际上是热冲击过程，涉及到多种瞬态效应，如瞬态温变和相变、高速撞击和温度波的波动现象等，最终材料中形成的残余应力状态与这些瞬态现象密切相关。因此，在热力学范围内建立理论模型时应该充分考虑时闻的瞬时性、材料惯性和热载率等因素，考虑同体与流体相互冲击作用现象产生的瞬态效应，如热力耦合效应。
(4)热物理参数，涂层材料的热物理参数一般是时间、空间和温度的函数、热喷涂材料的制备工艺涉及高温、瞬态等特殊现象，分析残余应力时延用常温的材料参数必然产生误差。因此，通过实验确定材料物性参数随温度的变化规律对精确确定残余应力是必不可少的。
(5)材料各向异性，热喷涂陶瓷涂层和烧结陶瓷间存在明显的性能差异，主要表现为材料的机械性能和热物理性能的各向异性，如同样外载下可以引起不同的破坏现象，这方面的研究对改善隔热涂层的性能具有重要意义。
关键词：热喷涂；残余应力；测量方法
随着新工艺和新材料的不断开发和应用，热喷涂涂层正在越来越多的领域发挥着耐腐蚀、耐磨损、耐高温等作用，极大地提高了零件的使用寿命。但是，热喷涂过程中由于涂层与基体之间存在较大的温度梯度和物理特性差异而造成的残余应力，严重地影响涂层的使用寿命。因此，热喷涂涂层中残余应力的研究有着十分重要的意义。
1.残余应力的产生原因
由于热喷涂材料制备工艺涉及高温、大温变或高升温率等环节，材料成晶中必然存在大于通常的机加工的残余应力。其残余应力与等离子体状态、基体和粉末的性能、样品的几何尺寸和形状、约束方式、材料微结构、温度、瞬态效应和耦合效应以及工作环境等诸多因素有关。主要原因可以归纳为以下三个方面：
1.1本征应力
在等离子喷涂过程中当熔融的喷涂颗粒高速运动撞向基体时，颗粒从熔融温度降到基体温度或前一涂层温度时快速冷却、急剧收缩，造成材料的变形，材料的相变和状态变化的不均匀引起残余应力，这种残余应力是等离子喷涂涂层沉积过程中所固有的，为涂层的本征应力。如图1所示：
式中，αd是沉积物的热膨胀系数，E0是室温下涂层材料的弹性模量，ΔT′是喷涂材料熔点同基体温度的差值。
1.2热失配应力
喷涂材料和基体材料热物理系数的差异是造成涂层残余应力的另外一种因素。在沉积过程中喷涂材料与基体材料的热膨胀系数和弹性模量不同，在喷涂过程完成后涂层和基体冷却到室温时产生的一种热不匹配应力。同时在等离子喷涂涂层沉积过程中，温度的改变、应力弛放过程化学成分的变化以及相结构的变化均可引起残余应力的变化。如图2所示：
式中，EC是涂层的弹性模量，αc和αs分别是涂层和基体的热膨胀系数，ΔT是温度差值。
1.3 热梯度效应
热喷涂材料制备工艺的主要特点之一是瞬态喷射。即被等离子体射流加热熔化的高温粉末熔滴瞬间内高速喷射到基体表面上，在沉积层中产生热梯度，与非弹性效应一样，热梯度现象也产生残余应力。
在稳态热流条件下，试样应变产生的曲率为：
式中，为输入热流密度(W/m2)，K是热导系数(W/m.K)。
2.残余应力的测量方法
尽管测试材料残余应力的方法很多，但由于制备涂层所具有的特性，加上各种测试方法本身的特点和有限的测试条件，采用各种测试方法欲获得涂层残余应力的准确值仍存在一定的难度，目前常用的有以下几种测试方法：
2.1硬度法和压痕法
工件表面硬度与其表面残余应力间存在反比关系，即当工件表面存在拉应力时，其硬度值将降低；而存在压应力时，硬度值升高，由此产生了用工件表面压痕直径测量其残余应力的硬度法。
硬度法的测量精度依赖于压痕直径的测定，误差很大，且缺乏严密的科学性，难以建立直接的力学模型，因此，在硬度法的基础上又发展了压痕法。如图3所示，在工件待测点中心位置放置直径为D的轴承钢球，通过冲击或静压的方法施加一定的冲击功W或静压力P，使其在工件表面产生直径为d的球冠行压痕，在压痕周围产生一定的叠加应力并形成一定的应变，该应变值由压痕周围的应变花测得。对某一给定材料，可以在一定的试验条件下做压痕标定试验，得到材料的应力-应变增量曲线，然后，再在同一试验条件下对实际工件做压痕试验，测定其应变增量，根据标定试验得到应力-应变增量曲线，就可求出工件中的残余应力值。
2.2 物质去除法
钻孔法与除层法是两种常用的机械物质去除法，其基本原理是：通过钻孔或研磨涂层，释放涂层的残余应变能，同时检测样品曲率变化，计算残余应力值。在磨去涂层的表面薄层后，样品中形成新的应力状态，由基底上粘贴的应变片测得样品的曲率变化量通过理论分析确定残余应力状态。
另一种常用的物质去除法是化学去除法，其原理是针对不同的基底（或涂层）材料选用化学试剂，通过化学反应逐层腐蚀掉基底（或涂层）材料。通过监测保留材料单元的曲率确定样品残余应力。这种方法虽然克服掉了机械除层法的多数不足，但在许多情况下同样存在难以处理的为问题。例如，腐蚀液与金属或合金材料发生化学反应时，腐蚀液往往沿晶界快速渗透，界面处腐蚀程度较重，首先发生基底和涂层的分离，难以实现逐层腐蚀材料的目的，因此，在许多场合无法应用。
2.3超声波法
当没有应力作用时，超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力时的传播速度不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力，从理论上讲，只要发射超声波功率足够大，可穿透任意厚度的工件，因此它适合测量大型构件的三维残余应力，但测量精度低，只能测试高值残余应力。
2.4X射线法
金属材料是由按一定点阵排列的晶体组成的，其在无应力状态下的晶格常数是已知的，或能够单独加以确定。当构件内部存在残余应力时，其晶格发生变化，晶面间距会随之增大或减小。晶面间距的增、减将使θ角发生变化，从而使衍射移位。X射线法测定残余应力的基本原理就是根据射线位移，测出晶面间距d的相对变化，即应变，再应用弹性力学中的应力和应变的关系求出应力。
2.5中子衍射法
中子衍射法是一种测量结构内部应力的新兴方法，该方法的测量原理与射线衍射法基本相似。典型的是由单色光晶体从反应堆芯(约50mm×50)发射中子束，镉吸收屏狭缝处于被测构件和入射及衍射中子束之间，以降低残余应力的取样体积，平行衍射束发自对衍射有正确取向的晶面。通过研究衍射束的峰值位置和强度，可获得应力或应变及结构的数据。由于射线是由电子壳层散射的，故其穿透深度极浅，多用于测量试样表面的应力；而中子是由原子核散射的，因此中子的穿透深度比射线大得多，对于钢的穿透深度可达50μm。
3.热喷涂残余应力研究的进一步展望
就当前热喷涂残余应力的究状态看需要深入开展以下几方面的工作：
(1)实验测试技术，关于残余应力测试技术的研究应侧重于两个连续性和一个规范性。时间连续性：在热喷涂材料的制备过程中随时对样品进行监测，便测试涂层沉积和样品冷却过程中残余应力的形成过程，确定残余应力的时间历史。空间连续性：样品的残余应力是空间点的函数，建立多点测试方法确定残余应力在样品空间内的连续分布规律。测试实验应该符合实验力学的规范，力求标准化和简单化。
(2)尺度效应，热喷涂材料的界面粘结层具有一定厚度，存在多种微尺度效应。因此，应该对经典连续介质力学加以改造，建立相关的非局部本构理论以及相应的分析方法。
(3)瞬态效应，热喷涂材料制备工艺过程实际上是热冲击过程，涉及到多种瞬态效应，如瞬态温变和相变、高速撞击和温度波的波动现象等，最终材料中形成的残余应力状态与这些瞬态现象密切相关。因此，在热力学范围内建立理论模型时应该充分考虑时闻的瞬时性、材料惯性和热载率等因素，考虑同体与流体相互冲击作用现象产生的瞬态效应，如热力耦合效应。
(4)热物理参数，涂层材料的热物理参数一般是时间、空间和温度的函数、热喷涂材料的制备工艺涉及高温、瞬态等特殊现象，分析残余应力时延用常温的材料参数必然产生误差。因此，通过实验确定材料物性参数随温度的变化规律对精确确定残余应力是必不可少的。
(5)材料各向异性，热喷涂陶瓷涂层和烧结陶瓷间存在明显的性能差异，主要表现为材料的机械性能和热物理性能的各向异性，如同样外载下可以引起不同的破坏现象，这方面的研究对改善隔热涂层的性能具有重要意义。