劉凱, 崔榮洪, 侯波, 何宇廷, 張?zhí)煊?/p>

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院, 710038, 西安; 2.陸軍航空兵研究所, 101121, 北京)

現(xiàn)代飛機(jī)尤其是軍用戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性能日益提高,使飛機(jī)基體結(jié)構(gòu)承受著更高的載荷和更惡劣的工作環(huán)境,飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展會(huì)不斷降低結(jié)構(gòu)的承載能力,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效甚至突然斷裂。現(xiàn)階段,在工程上主要通過(guò)3類方法來(lái)應(yīng)對(duì)疲勞失效問(wèn)題。第一類是疲勞壽命預(yù)測(cè),例如名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、能量法[1]。第二類是對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位進(jìn)行強(qiáng)化,主要有噴丸強(qiáng)化、孔冷擠壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化等,例如:文獻(xiàn)[2]針對(duì)典型鈦合金TC4進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)比了強(qiáng)化前后鈦合金葉片的疲勞壽命,并通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析了提高葉片抗疲勞性能的機(jī)理;文獻(xiàn)[3]比較分析了3種強(qiáng)度噴丸工藝下中心孔板的高溫低周疲勞性能及裂紋萌生情況;文獻(xiàn)[4]研究了孔擠壓強(qiáng)化對(duì)Inconel 718高溫合金中心孔試樣疲勞壽命的影響,并通過(guò)微觀分析探討了孔擠壓強(qiáng)化機(jī)制。第三類是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù),主要通過(guò)與結(jié)構(gòu)集成的傳感元件獲取與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)有關(guān)的信息,在損傷達(dá)到一定程度時(shí)及時(shí)預(yù)警,進(jìn)而采取預(yù)防與維修措施[5],這些傳感元件包括相對(duì)真空傳感器[6]、壓電傳感器[7]等。

強(qiáng)化結(jié)構(gòu)往往處于危險(xiǎn)部位,部分強(qiáng)化技術(shù)還被應(yīng)用于已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的結(jié)構(gòu)的維修與延壽工作,這類危險(xiǎn)部位更加需要對(duì)其損傷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?，F(xiàn)有大多數(shù)針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)技術(shù)都采取將傳感器布置于結(jié)構(gòu)表面的方式,例如:文獻(xiàn)[8]將損傷監(jiān)測(cè)智能涂層涂布在飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵危險(xiǎn)部位,通過(guò)電位法監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)裂紋;文獻(xiàn)[9]利用PVD薄膜傳感器進(jìn)行了腐蝕環(huán)境下的金屬疲勞裂紋監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了PVD薄膜傳感器具有承受腐蝕環(huán)境的能力。但是,結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理后,其表面粗糙度會(huì)發(fā)生顯著變化,可能影響傳感器與結(jié)構(gòu)的集成,且強(qiáng)化工藝引入了殘余應(yīng)力場(chǎng),表面?zhèn)鞲衅鞯牟贾靡部赡苡绊憵堄鄳?yīng)力場(chǎng)的分布,進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā),以PVD薄膜傳感器為研究對(duì)象,從損傷一致性和對(duì)強(qiáng)化基體疲勞性能的影響2個(gè)方面對(duì)PVD薄膜傳感器應(yīng)用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證,并進(jìn)行了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)件強(qiáng)化及傳感器制備

1.1 試驗(yàn)件

選擇飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的2A12-T4鋁合金作為基體材料,其具體成分見(jiàn)表1。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002[10]設(shè)計(jì)了平面結(jié)構(gòu)如圖1所示的中心孔板試驗(yàn)件,用于模擬飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中的連接孔危險(xiǎn)部位。擬進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的試樣及其對(duì)比試樣的厚度為2 mm,擬進(jìn)行孔擠壓強(qiáng)化的試樣、擬進(jìn)行噴丸強(qiáng)化的試樣及其對(duì)比試樣的厚度為4 mm。具有相同厚度的試樣均取自同一塊板材,沿軋制方向切取。

表1 2A12-T4鋁合金的化學(xué)成分

圖1 試驗(yàn)件的平面尺寸

1.2 試驗(yàn)件的強(qiáng)化

現(xiàn)代飛機(jī)在制造、維修和延壽過(guò)程中廣泛采用了飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)來(lái)進(jìn)行局部強(qiáng)化處理,以提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能,其中應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)成熟度較高的主要有噴丸強(qiáng)化、孔擠壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化3種。強(qiáng)化技術(shù)的基本原理是利用沖擊、擠壓等方式,對(duì)局部結(jié)構(gòu)施加較大的壓力,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形,從而在結(jié)構(gòu)表面形成一定厚度的強(qiáng)化層,強(qiáng)化層內(nèi)具有較大的殘余壓應(yīng)力,可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。本研究采用上述3種強(qiáng)化技術(shù),具體工藝如下。

(1)噴丸強(qiáng)化。對(duì)按圖1切取、鉸孔完成的4 mm厚試驗(yàn)件進(jìn)行全表面噴丸處理。選用ASH660噴丸,直徑為3.175 mm,噴丸距離為300 mm,最大凹坑直徑為0.65 mm,噴丸溫度為98 ℃,噴丸時(shí)間為3～5 min。

(2)孔擠壓強(qiáng)化。在切取的4 mm厚試驗(yàn)件的中心處鉆Φ5 mm粗孔,并將該孔擴(kuò)鉆、鉸至Φ5.794 mm,再用工作環(huán)直徑為5.664 mm的擠壓芯棒和厚度為0.152 mm的開縫襯套分別對(duì)試樣進(jìn)行擠壓強(qiáng)化,最后鉸孔至Φ(6±0.02) mm。

(3)激光沖擊強(qiáng)化。對(duì)切取、鉸孔的2 mm厚中心孔板采用雙面沖擊方式進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化,制定了3種試探性強(qiáng)化方案。首先對(duì)中間區(qū)域按蛇形路徑進(jìn)行沖擊,為防止中心孔處沖擊時(shí)發(fā)生吸收保護(hù)層破裂,用橡皮或橡皮泥填充中心孔;隨后進(jìn)行壓邊處理,光斑走向?yàn)樵嚰v向。3種方案的激光沖擊參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)

采用上述3種方案對(duì)2A12-T4鋁合金中心孔試樣進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化時(shí),均出現(xiàn)了吸收保護(hù)層破裂致使無(wú)法繼續(xù)強(qiáng)化處理的情況。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)摸索后,又設(shè)計(jì)了改進(jìn)的分區(qū)域強(qiáng)化路徑,具體強(qiáng)化方法如下。

首先,將擬強(qiáng)化區(qū)域劃分為如圖2所示的0、1、2、3、4五個(gè)區(qū)域。然后,暫且擱置中心孔邊區(qū)域(即區(qū)域0,該區(qū)域大小為8.4 mm×8.4 mm),對(duì)1、2、3、4四個(gè)區(qū)域按蛇形路徑進(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理。光斑數(shù)量設(shè)置如下:對(duì)于區(qū)域1和2,橫向設(shè)置10個(gè)光斑,縱向設(shè)置16個(gè)光斑;對(duì)于區(qū)域3和4,橫向、縱向均設(shè)置6個(gè)光斑。最后,對(duì)中心區(qū)域0進(jìn)行3圈環(huán)形強(qiáng)化處理:內(nèi)圈在中心孔邊上(壓邊)設(shè)置16個(gè)光斑,每隔22.5°布置一個(gè)光斑;中圈設(shè)置24個(gè)光斑,每隔15°布置一個(gè)光斑;最外圈設(shè)置30個(gè)光斑,每隔12°布置一個(gè)光斑。3圈光斑的處理區(qū)域?yàn)橹睆?3.2 mm的圓形區(qū)域,激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)選擇表2中的方案III。

α=15°; β=22.5°; γ=12°圖2 激光沖擊分區(qū)域強(qiáng)化路徑

1.3 PVD傳感器制備

PVD薄膜傳感器采用物理氣象沉積(physical vapour deposition, PVD)方法制備,將導(dǎo)電功能材料集成在金屬結(jié)構(gòu)表面,可通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)信息的變化來(lái)感知金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋損傷,進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[11]。PVD薄膜傳感器由3層功能梯度材料構(gòu)成:底層為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電薄膜與金屬基體隔離的絕緣隔離層,中層為進(jìn)行裂紋損傷監(jiān)測(cè)的導(dǎo)電傳感層,頂層為保護(hù)導(dǎo)電薄膜免受惡劣環(huán)境直接作用的封裝保護(hù)層。PVD薄膜傳感器主要基于電位法[12]進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的監(jiān)測(cè):當(dāng)基體金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷時(shí),具有隨附損傷特性的導(dǎo)電傳感層也在相同部位出現(xiàn)裂紋,并隨基體裂紋不斷擴(kuò)展,引起損傷區(qū)域?qū)щ妭鞲袑拥碾娮璋l(fā)生變化,通過(guò)監(jiān)測(cè)分析導(dǎo)電傳感層的電位(電阻)信息,就能得出基體結(jié)構(gòu)的損傷情況[9]。PVD薄膜傳感器的電阻值(包括連接導(dǎo)線)一般為50～100 Ω,厚度約為5 μm,其原理如圖3所示。

圖3 PVD薄膜傳感器原理示意圖

圖4 陽(yáng)極氧化工藝流程

PVD薄膜傳感器的絕緣隔離層為采用硫酸陽(yáng)極氧化工藝制備的Al2O3薄膜,以模擬在飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)中廣泛使用的陽(yáng)極氧化處理表面,具體工藝步驟及參數(shù)見(jiàn)圖4。隨后,應(yīng)用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù),選擇與基體的相容性、電阻穩(wěn)定性較好的Cu為沉積靶材料,調(diào)節(jié)真空腔氬氣分壓為0.3～1.3 Pa,在50～200 V負(fù)偏壓、293.2 A弧電流下沉積85 min,在陽(yáng)極氧化處理后的試驗(yàn)件上制備導(dǎo)電傳感層[13]。最終制備完成的PVD薄膜傳感器形貌如圖5所示,制備完成的PVD薄膜傳感器在服役結(jié)構(gòu)上使用前還需采用AlN薄膜與705硅膠進(jìn)行封裝處理。

圖5 制備有PVD薄膜傳感器的激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件

2 可行性驗(yàn)證

用PVD薄膜傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)是與其余基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性,所以PVD薄膜傳感器是否與強(qiáng)化基體同步發(fā)生相應(yīng)損傷是評(píng)價(jià)其是否適用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn)。此外,由于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)的特殊性和殘余應(yīng)力層的存在,PVD薄膜傳感器還應(yīng)與被監(jiān)測(cè)基體具有優(yōu)良的結(jié)合性能,且PVD薄膜傳感器與基體的結(jié)構(gòu)一體化集成(包括陽(yáng)極氧化過(guò)程和離子鍍膜過(guò)程)不能對(duì)基體自身的力學(xué)性能造成影響。因此,本研究主要從損傷一致性和對(duì)基體疲勞性能影響兩方面進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。

2.1 損傷一致性

由于PVD薄膜傳感器主要用于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋監(jiān)測(cè),因此先進(jìn)行靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體的應(yīng)變對(duì)比,在隨后的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中再一并驗(yàn)證PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在疲勞載荷下的損傷一致性。具體試驗(yàn)內(nèi)容如下。

靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體的應(yīng)變對(duì)比試驗(yàn)采用MTS810型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)在室溫、空氣環(huán)境中進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)的載荷誤差小于1%。應(yīng)變測(cè)量采用DH-3816型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),測(cè)量范圍為±19 999×10-6,工作精度為±1×10-6。首先,在制備有PVD薄膜傳感器的強(qiáng)化試驗(yàn)件和原始強(qiáng)化試驗(yàn)件的中心孔兩側(cè)相同位置粘貼應(yīng)變片。然后,進(jìn)行靜拉伸載荷下PVD薄膜與基體的應(yīng)變對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行,每級(jí)載荷為1 kN。加載前應(yīng)變儀調(diào)平衡并清零,在逐級(jí)加載過(guò)程中,測(cè)量PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)基體的應(yīng)變數(shù)據(jù)直至試驗(yàn)件斷裂。試樣基體與PVD薄膜傳感器的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示,其中1-1與1-2應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)是2A12鋁合金基體的應(yīng)變值,1-3與1-4應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)是PVD薄膜傳感器的應(yīng)變值。由圖6可見(jiàn),PVD薄膜傳感器的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)與試樣基體的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)吻合度非常高,說(shuō)明靜拉伸載荷下PVD薄膜傳感器與基體具有良好的損傷一致性。此外,施加在PVD薄膜傳感器上的應(yīng)變達(dá)到3 500×10-6以上,而PVD薄膜并未從基體表面脫開,這說(shuō)明該傳感器具備在高應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)用的潛力。

(a)孔冷擠壓強(qiáng)化試驗(yàn)件

(b)噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)件

(c)激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件圖6 靜拉伸載荷下不同強(qiáng)化試驗(yàn)件的應(yīng)變對(duì)比

2.2 對(duì)強(qiáng)化基體疲勞性能的影響

在PVD薄膜傳感器制備過(guò)程中的陽(yáng)極氧化、離子鍍膜等工藝會(huì)在強(qiáng)化基體局部引入較高溫度,復(fù)雜的表面處理工藝也有可能會(huì)改變強(qiáng)化基體表面的殘余應(yīng)力分布,進(jìn)而影響強(qiáng)化基體自身的疲勞性能。這些因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜,本研究?jī)H從工程應(yīng)用的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn),以考察PVD薄膜傳感器對(duì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)基體疲勞性能的影響。

為了研究PVD薄膜傳感器制備對(duì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)模擬件的疲勞性能是否有顯著影響,將試驗(yàn)件表面處理方式作為因素,分為不同水平(水平1為原始狀態(tài),無(wú)表面處理;水平2為陽(yáng)極氧化工藝處理;水平3為陽(yáng)極氧化處理后進(jìn)行PVD薄膜沉積),按第1節(jié)中的試驗(yàn)件強(qiáng)化和PVD薄膜傳感器制備工藝,制備了若干不同水平的試驗(yàn)件,考察不同表面處理方式對(duì)強(qiáng)化模擬件疲勞壽命有無(wú)顯著影響。

在MTS-810型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞性能測(cè)試,采用等幅循環(huán)加載,應(yīng)力比R=0.05,加載頻率f=25 Hz,各狀態(tài)試驗(yàn)件的最大應(yīng)力及平均疲勞壽命見(jiàn)表3。各組試驗(yàn)件的疲勞壽命如圖7所示,圖例中L代表激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件,P代表噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)件,H代表孔擠壓強(qiáng)化試驗(yàn)件,PVD代表陽(yáng)極氧化后沉積PVD薄膜的強(qiáng)化試驗(yàn)件,Anodize代表陽(yáng)極氧化處理的強(qiáng)化試驗(yàn)件,Original代表原始強(qiáng)化后的試驗(yàn)件。

圖7 不同狀態(tài)試驗(yàn)件的疲勞壽命對(duì)比

強(qiáng)化工藝σmax/MPa孔冷擠壓強(qiáng)化180210噴丸強(qiáng)化150165180激光沖擊強(qiáng)化150No282 485Na76 137280 444131 55378 947351 071NPVD228 16477 893239 519111 91283 552315 777

No:原始試驗(yàn)件的平均疲勞壽命;Na:陽(yáng)極氧化試驗(yàn)件的平均疲勞壽命;NPVD:PVD薄膜傳感器試驗(yàn)件的平均疲勞壽命。

考慮到結(jié)構(gòu)疲勞壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[14],所以每種試驗(yàn)?zāi)M件的對(duì)數(shù)疲勞循環(huán)次數(shù)構(gòu)成了一個(gè)正態(tài)母體。在各母體中分別取一子樣,采用離差分解法[15]來(lái)檢驗(yàn)不同水平試驗(yàn)件的對(duì)數(shù)疲勞循環(huán)次數(shù)是否有顯著差異,即檢驗(yàn)?zāi)阁w平均數(shù)是否相等。計(jì)算結(jié)果表明,在給定顯著性水平α=10%下,可認(rèn)為PVD薄膜傳感器的制備過(guò)程對(duì)強(qiáng)化基體的疲勞性能沒(méi)有影響。

PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化鋁合金基體具有良好的損傷一致性,且對(duì)強(qiáng)化基體疲勞性能無(wú)顯著影響,因此,將其應(yīng)用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)是可行的。

3 疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證PVD薄膜傳感器制備于強(qiáng)化基體結(jié)構(gòu)后的功能完整性,使用第1節(jié)中制備有PVD薄膜傳感器的激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件進(jìn)行疲勞裂紋在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)在MTS-810型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下:加載頻率f為20 Hz,應(yīng)力比R為0.01,峰值載荷為210 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中,利用ARTUSB2828數(shù)據(jù)采集卡和VICTOR_86B數(shù)字多用表對(duì)PVD薄膜傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行跟蹤記錄,采樣頻率為10 Hz,并且通過(guò)分辨率為0.1 mm的讀數(shù)顯微鏡對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行觀察。

下面,以一組裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)前期疲勞試驗(yàn)的結(jié)果,結(jié)合試驗(yàn)件疲勞壽命的分散性,在循環(huán)加載到160 000次時(shí)開始對(duì)PVD薄膜傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行跟蹤記錄,并將加載頻率降低至5 Hz,峰值載荷降低至150 MPa,以便于通過(guò)顯微鏡觀察裂紋并與監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,在總循環(huán)165 103次時(shí)首次目測(cè)到了裂紋萌生,隨后裂紋逐漸擴(kuò)展過(guò)PVD薄膜傳感器覆蓋區(qū)域,在經(jīng)歷了171 108次循環(huán)后試驗(yàn)件斷裂。觀察發(fā)現(xiàn),PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體結(jié)合良好,隨基體表面裂紋的擴(kuò)展而裂開,未出現(xiàn)脫層現(xiàn)象,如圖8所示。由此可見(jiàn),在疲勞載荷下PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體也具有良好的損傷一致性。

圖8 裂紋擴(kuò)展

試驗(yàn)過(guò)程中PVD薄膜傳感器的輸出電位信號(hào)如圖9所示,從中可以看出:在疲勞試驗(yàn)進(jìn)行的初期,PVD薄膜傳感器的輸出電位保持固定值,在循環(huán)到164 524次時(shí),PVD薄膜傳感器的輸出電位出現(xiàn)了一個(gè)階躍式上升,對(duì)應(yīng)裂紋已經(jīng)在基體中萌生并引起PVD薄膜傳感器裂開;隨后電位值繼續(xù)上升但波動(dòng)不大,該部分對(duì)應(yīng)裂紋在試驗(yàn)件上的擴(kuò)展;此后輸出電位值出現(xiàn)了較大波動(dòng),分析原因?yàn)樵诜逯递d荷處PVD薄膜傳感器被拉開,使其導(dǎo)通面積減小,輸出電位值增加,而在谷值載荷處試驗(yàn)件因自身彈性恢復(fù)導(dǎo)致裂紋部分閉合,引起PVD薄膜傳感器導(dǎo)通面積增大,輸出電位值降低;最終當(dāng)試驗(yàn)件斷裂時(shí),輸出電位值急劇增加,疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)終止。PVD薄膜傳感器的電阻值受諸多因素的影響,例如多次循環(huán)加載、溫度等,但是由這些因素引起的電阻值的變化均是微小、緩慢的,即在監(jiān)測(cè)電位信號(hào)上反映出的變化也是微小、緩慢的,這與因裂紋萌生擴(kuò)展而引起的監(jiān)測(cè)信號(hào)突變有明顯區(qū)別,因此以監(jiān)測(cè)電位急劇增加作為裂紋萌生的判據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中PVD薄膜傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)結(jié)果與顯微鏡觀察結(jié)果吻合良好,說(shuō)明PVD薄膜傳感器可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)疲勞裂紋從萌生到擴(kuò)展的全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

圖9 PVD薄膜傳感器輸出電位信號(hào)曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)損傷一致性試驗(yàn)、不同狀態(tài)試驗(yàn)件的疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)和疲勞裂紋在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及其結(jié)果分析,可得出以下結(jié)論:

(1)采用陽(yáng)極氧化工藝及脈沖偏壓離子鍍技術(shù)制備的PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在靜拉伸載荷下具有良好的損傷一致性,PVD薄膜傳感器對(duì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)高載荷下的應(yīng)變較為敏感,與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)結(jié)合良好,具備在高應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)用的潛力;

(2)PVD薄膜傳感器制備過(guò)程中的陽(yáng)極氧化工藝及離子鍍膜沉積過(guò)程不會(huì)對(duì)強(qiáng)化基體的疲勞性能造成影響;

(3)PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體在疲勞載荷下同樣具有較好的損傷一致性,其監(jiān)測(cè)電位輸出信號(hào)與實(shí)際觀測(cè)的裂紋萌生擴(kuò)展過(guò)程吻合良好,監(jiān)測(cè)功能不受強(qiáng)化基體特殊表面狀態(tài)的影響。

綜上所述,PVD薄膜傳感器適用于對(duì)強(qiáng)化基體的疲勞裂紋監(jiān)測(cè)。