宋雨鍵,崔榮洪,劉凱,馬斌麟,高志剛

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,710038,西安; 2.中國人民解放軍95606部隊,646000,四川瀘州)

在飛機(jī)服役過程中,由于各種荷載和環(huán)境條件的作用,金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度會逐漸降低,進(jìn)而出現(xiàn)疲勞、腐蝕、磨損等多種形式的損傷,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1-3]。其中,疲勞失效是金屬結(jié)構(gòu)在服役過程中最常見的失效方式,約占全部失效構(gòu)件的50%～90%[4]。疲勞失效時材料宏觀上無塑性變形,失效形式往往為低應(yīng)力下的破斷,且疲勞失效受載荷歷程的影響嚴(yán)重,這使得疲勞失效相比于靜載荷下的失效更加危險和難以察覺[5]。

在結(jié)構(gòu)疲勞破壞中,有一類特殊情形,那就是振動疲勞破壞。振動疲勞失效相比于一般靜態(tài)疲勞,往往具有載荷組成復(fù)雜(結(jié)構(gòu)受多種沖擊、瞬態(tài)或隨機(jī)載荷影響)、響應(yīng)不可控(結(jié)構(gòu)受外載荷與結(jié)構(gòu)自身模態(tài)慣性力與阻尼力影響)等特點(diǎn),對結(jié)構(gòu)安全的威脅更加致命[6]。國內(nèi)由于振動疲勞發(fā)生過多起飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效案例,例如:2002年中國臺灣的中華航空611號班機(jī)發(fā)生空中解體墜毀,機(jī)上人員全部罹難,原因是飛機(jī)在發(fā)生事故后維修不當(dāng),缺陷部位在振動載荷下發(fā)生高周疲勞失效[7];中國某軍機(jī)蓄壓油箱曾發(fā)生過空中爆破事故,其原因是蓄壓油箱所處位置的外部振動環(huán)境復(fù)雜,油箱殼體出現(xiàn)疲勞裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致燃油泄漏,從而造成了嚴(yán)重事故[8]。由此可知,對機(jī)體主要承載結(jié)構(gòu)和重要部位進(jìn)行裂紋監(jiān)測,是防止、減少安全隱患和災(zāi)難性事故發(fā)生的一種重要手段,對確保飛機(jī)的適航性、安全性有著重大意義。

目前,國內(nèi)外應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測的主要手段有壓電薄膜傳感器[9]、光纖傳感器[10]、相對真空傳感器[11]、渦流傳感器[12]、聲發(fā)射技術(shù)[13]等。物理氣象沉積(PVD)薄膜傳感器以電位法原理[14]和與基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性為基礎(chǔ),是一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新型手段。文獻(xiàn)[15]設(shè)計了一種基于電位法的裂紋監(jiān)測傳感器,并通過對傳感器有限元模型的輸出特性進(jìn)行分析,驗(yàn)證了該方案的可行性。文獻(xiàn)[16]使用編制的加速試驗(yàn)譜對采用最佳沉積材料和工藝參數(shù)制備的薄膜傳感器開展了模擬服役環(huán)境下PVD薄膜傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的應(yīng)用驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]嘗試在孔擠壓強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)件上制備了PVD薄膜傳感器,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了PVD薄膜傳感器與強(qiáng)化基體具有良好的損傷一致性,適用于強(qiáng)化基體的疲勞裂紋監(jiān)測。以上研究表明,基于結(jié)構(gòu)一體化的PVD薄膜傳感器具有廣闊的發(fā)展前景。但是,現(xiàn)階段關(guān)于PVD薄膜傳感器的研究還多集中于常規(guī)疲勞損傷監(jiān)測領(lǐng)域,針對振動疲勞問題的研究還未開展,一些重要問題急需解決,例如:傳感器與基體具有良好的損傷一致性是PVD薄膜傳感器使用的重要前提[17],因此PVD薄膜傳感器能否在振動環(huán)境中、復(fù)雜多變的載荷的作用下具有與基體良好的損傷一致性需要進(jìn)行深入研究;由于陽極氧化會對構(gòu)件的疲勞性能造成影響[18],所以陽極氧化以及傳感器的制備過程是否會對基體的振動疲勞性能產(chǎn)生不利影響也需開展相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本研究以基于離子鍍膜技術(shù)制備的PVD薄膜傳感器為研究對象,從工程應(yīng)用角度出發(fā),利用對比試驗(yàn),從損傷一致性和對普通基體振動疲勞性能的影響兩個方面對PVD薄膜傳感器應(yīng)用于普通基體振動疲勞裂紋監(jiān)測的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證,并進(jìn)行了普通基體試驗(yàn)件振動疲勞裂紋的在線監(jiān)測試驗(yàn)。

1 研究方法

1.1 PVD薄膜傳感器監(jiān)測原理

PVD薄膜傳感器是采用現(xiàn)代表面工程技術(shù)中的PVD方法,將導(dǎo)電功能材料一體化集成在金屬結(jié)構(gòu)表面,通過監(jiān)測導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)中電場信息的變化來感知金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋損傷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段[19]。由里及表,PVD薄膜傳感器依次由絕緣隔離層、導(dǎo)電傳感層、封裝保護(hù)層共3層功能梯度材料構(gòu)成。PVD薄膜傳感器監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)疲勞損傷原理如圖1所示。與傳統(tǒng)直流電位法的差別在于,PVD薄膜傳感器對金屬結(jié)構(gòu)裂紋的監(jiān)測主要依賴于其自身與基體結(jié)構(gòu)的損傷一致性,即當(dāng)基體金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷時,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)域損傷傳感層的電阻變化,通過監(jiān)測分析損傷傳感層的電位(電阻)信息就能得出基體結(jié)構(gòu)的損傷情況。由于PVD薄膜傳感器的損傷傳感層厚度僅為微米級,且一般采用導(dǎo)電性能較強(qiáng)的Cu、TiN等材料制備,裂紋的萌生與擴(kuò)展對其電阻將產(chǎn)生更大的影響。

圖1 PVD薄膜傳感器原理示意圖

1.2 可行性分析的必要性

飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)與機(jī)載設(shè)備、零部件的設(shè)計往往都考慮了其振動模態(tài),這些結(jié)構(gòu)的固有共振頻率會遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)工作及飛行中突風(fēng)載荷的振動頻率,從而避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生共振和疲勞失效加速。因此,PVD薄膜傳感器的制備若大幅度改變了結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特性,將打破原有的規(guī)避設(shè)計,增加結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。

如果結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)基體的振動疲勞性能降低,那么對結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測也將失去意義。在PVD薄膜傳感器制備過程中,陽極氧化、離子鍍膜等工藝會在強(qiáng)化基體時局部引入較高溫度,復(fù)雜的表面處理工藝也有可能改變基體表面的應(yīng)力分布,進(jìn)而影響基體的振動疲勞性能。由于這些因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜,本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā),利用對比試驗(yàn),研究PVD薄膜傳感器的制備對試驗(yàn)件振動疲勞性能的影響。

2 試驗(yàn)件及傳感器制備

2.1 試驗(yàn)件及傳感器位置的確定

本研究選擇飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中使用廣泛的2A12-T4鋁合金作為基體材料,其具體成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。參照航空工業(yè)部的發(fā)動機(jī)葉片及材料振動疲勞試驗(yàn)方法[20]設(shè)計了平面結(jié)構(gòu),振動疲勞試驗(yàn)件平面尺寸如圖2所示。

表1 2A12-T4鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖2 試驗(yàn)件平面尺寸

該型試驗(yàn)件的模型為對稱模型,為保證分析結(jié)果的真實(shí)有效,同時提高計算效率,參照文獻(xiàn)[21]中對于網(wǎng)格的劃分方式,將試驗(yàn)件在厚度方向劃分為8層網(wǎng)格,網(wǎng)格厚度約為0.25 mm,網(wǎng)格邊長約為1.5 mm。采用Abaqus有限元仿真軟件對試驗(yàn)件進(jìn)行模態(tài)分析求解,得到第1階振型(共振頻率為173.05 Hz)危險部位的應(yīng)力分布,如圖3所示。

圖3 第1階振型危險部位的應(yīng)力分布

由圖3可知,在狗骨型試驗(yàn)件弧邊處,應(yīng)力急劇增大。在弧邊應(yīng)力集中區(qū)域的中心,沿試驗(yàn)件寬度方向建立路徑1,沿厚度方向建立路徑2,做出第1階振型Mises應(yīng)力沿路徑1、2的分布曲線,如圖4所示。由圖4可知:沿寬度方向,應(yīng)力變化幅度較小,但兩側(cè)弧邊應(yīng)力較中部更為集中;沿厚度方向,試驗(yàn)件應(yīng)力變化幅度巨大,試驗(yàn)件上下表面應(yīng)力集中而截面中部應(yīng)力較低,出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。以上分析表明,試驗(yàn)件在該振型下的疲勞損傷部位可能位于上下表面靠近弧邊的兩側(cè)。

2.2 PVD傳感器制備

(a)路徑1

(b)路徑2圖4 應(yīng)力沿不同路徑的分布曲線

根據(jù)試驗(yàn)件設(shè)計與有限元分析結(jié)果,參考適用于傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)件的PVD薄膜傳感器工藝參數(shù)[17],在試驗(yàn)件危險部位制備PVD薄膜傳感器。PVD薄膜傳感器的絕緣隔離層采用硫酸陽極氧化工藝制備Al2O3薄膜,以模擬在飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)中廣泛使用的陽極氧化表面處理,具體工藝步驟如圖5所示。隨后,應(yīng)用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù),在陽極氧化處理后的試驗(yàn)件上制備Cu導(dǎo)電傳感層,沉積工藝參數(shù)如表2所示。最終制備完成的PVD薄膜傳感器形貌如圖6所示,其在服役結(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 陽極氧化工藝流程

表2 沉積工藝參數(shù)

圖6 制備的覆有PVD薄膜傳感器形貌

3 可行性驗(yàn)證

3.1 PVD薄膜傳感器對基體振動響應(yīng)特性的影響

選擇3個試驗(yàn)件(x-1、x-2、x-3),在陽極氧化及PVD薄膜制備前后,分別采用定加速度方式進(jìn)行掃頻,定加速度為50 Hz/min,激振量級為0.1 g,掃頻范圍為100～300 Hz,掃頻量級為0.5%。通過分析試驗(yàn)件在陽極氧化和PVD薄膜制備前后第1階共振頻率與振動幅值的變化,來判定PVD薄膜傳感器制備過程對試驗(yàn)件振動特性是否存在影響。統(tǒng)計的掃頻結(jié)果如表3所示,其中A狀態(tài)表示試驗(yàn)件原始狀態(tài),B狀態(tài)表示試驗(yàn)件陽極氧化后的狀態(tài),C狀態(tài)表示試驗(yàn)件陽極氧化后制備有PVD薄膜的狀態(tài)。

由表3可知,經(jīng)過陽極氧化處理后,試驗(yàn)件的固有頻率出現(xiàn)較為明顯的改變,下降幅度在20%左右。除考慮試驗(yàn)過程中環(huán)境因素、試驗(yàn)因素和人為因素等造成的誤差外,原因分析為陽極氧化的前處理和陽極氧化過程會造成雜質(zhì)或第二相粒的溶解,產(chǎn)生點(diǎn)蝕等試樣表面的缺陷[22],從而使試驗(yàn)件厚度減小,造成試驗(yàn)件固有頻率降低。陽極氧化處理后的試驗(yàn)件固有頻率與有限元仿真的第1階振型共振頻率相差更大,更利于防止試驗(yàn)件共振破壞。陽極氧化處理后的試驗(yàn)件上再制備PVD薄膜,固有頻率基本沒有發(fā)生變化,所以制備PVD薄膜對試驗(yàn)件的固有頻率幾乎不存在影響。同時,陽極氧化處理能夠減小試驗(yàn)件在相同量級下的位移振幅,變化率普遍達(dá)到65%左右,有助于抑制金屬結(jié)構(gòu)的劇烈共振。同樣地,制備PVD薄膜幾乎對試驗(yàn)件的位移振幅不存在不利影響。因此,PVD薄膜傳感器制備不會對金屬結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)產(chǎn)生不良影響。

表3 試驗(yàn)件掃頻結(jié)果

3.2 PVD薄膜傳感器對基體振動疲勞強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)采用東菱ES-50-445電動振動試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過Vibstar振動控制儀產(chǎn)生激勵信號,經(jīng)功率放大器放大后由振動臺經(jīng)夾具傳遞給試驗(yàn)件,為了控制試驗(yàn)系統(tǒng)在指定頻率下穩(wěn)定振動,使用激光位移傳感器監(jiān)測試驗(yàn)件的位移,通過電荷式傳感器測量該系統(tǒng)的加速度,并據(jù)此調(diào)整激勵信號,形成閉環(huán)控制。對試驗(yàn)件邊緣使用280號砂紙進(jìn)行打磨處理,消除因切割加工產(chǎn)生的毛刺。使用有限力矩扳手,對4個螺栓施加120 N·m的扭矩,然后對試驗(yàn)件進(jìn)行夾持。根據(jù)有限元仿真結(jié)果及幾何對稱原則,將應(yīng)變片布置在狗骨型試驗(yàn)件弧形段上表面。這是因?yàn)樵囼?yàn)件第1階振型在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,在此處布置應(yīng)變片便于后續(xù)的應(yīng)力標(biāo)定?？紤]到升降法[23]需要的試驗(yàn)件數(shù)量和耗費(fèi)的時間較多,且對試驗(yàn)件的同一性要求特別高,因此在此次可行性探究試驗(yàn)中考慮使用逐步加載法進(jìn)行振動疲勞試驗(yàn),具體步驟為:在105 MPa應(yīng)力下進(jìn)行106次循環(huán)加載,若試驗(yàn)件未發(fā)生破壞,則增加5%應(yīng)力后再進(jìn)行106次循環(huán)加載,重復(fù)以上步驟直至試驗(yàn)件失效。

由于在振動疲勞試驗(yàn)中不便于直接觀測裂紋損傷,依據(jù)前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),假設(shè)當(dāng)試驗(yàn)件第1階固有頻率相對于初始值下降10%為試驗(yàn)件失效[24],并停止試驗(yàn)。試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度計算公式為

(1)

式中:σA為高周疲勞強(qiáng)度;σf為失效應(yīng)力;σpr為失效前一應(yīng)力;Nf為失效應(yīng)力下加載的循環(huán)數(shù);Nt為固定加載循環(huán)數(shù),本文為106。

根據(jù)上述步驟,分別對10個狗骨型標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件(d-1～d-10)進(jìn)行振動疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對10個陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件(p-1～p-10)進(jìn)行振動疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表4可得:除去3個試驗(yàn)件(d-3、d-9、d-10)在第1次加載時便出現(xiàn)裂紋不符合初步加載法要求致使數(shù)據(jù)無效外,剩余試驗(yàn)件的平均疲勞強(qiáng)度為113.05 MPa。在對陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn),p-1與p-2試驗(yàn)件均在逐級加載4次后,在120 MPa應(yīng)力水平才失效破壞,因此從p-3試驗(yàn)件開始,將初始應(yīng)力水平提高至115 MPa以節(jié)省試驗(yàn)時間。從表5可得,陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件的平均疲勞強(qiáng)度為121.36 MPa,且各試驗(yàn)件疲勞強(qiáng)度的分散性較小。相較于原始試驗(yàn)件,本組試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度有小幅度的升高,普遍集中于119～123 MPa。分析可能是陽極氧化工藝中的高溫提高了鋁合金基體的表面內(nèi)應(yīng)力,陽極氧化膜具有高于鋁合金基材的硬度,致使試驗(yàn)件的振動疲勞性能略有提高。

表4 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的振動疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表5 陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜試驗(yàn)件的振動疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 振動疲勞裂紋監(jiān)測初步驗(yàn)證

PVD薄膜傳感器已被驗(yàn)證能夠在試驗(yàn)室條件下對常規(guī)疲勞裂紋進(jìn)行有效監(jiān)測[25],但疲勞裂紋的萌生過程是復(fù)雜的,振動疲勞的損傷機(jī)理與常規(guī)疲勞存在一定差異,因此有必要通過可行性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

原試驗(yàn)件和陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件的最終破壞形貌如圖7所示。陽極氧化后危險弧段制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件最終破壞形貌與原試驗(yàn)件類似,裂紋在試驗(yàn)件弧段表面萌生并擴(kuò)展,與有限元分析結(jié)果吻合。此外,由于整個試驗(yàn)周期較長,且未對PVD薄膜施加封裝保護(hù),試驗(yàn)結(jié)束時大多數(shù)PVD薄膜已經(jīng)發(fā)生明顯的氧化、變暗。同時,個別試驗(yàn)件疲勞裂紋周邊的PVD薄膜出現(xiàn)脫落分層等失效現(xiàn)象,分析原因?yàn)楣饭切驮囼?yàn)件的1階模態(tài)在弧段表面應(yīng)力最為集中。在振動疲勞載荷作用下,PVD薄膜傳感器與基體的損傷一致性有待提高,而PVD薄膜傳感器損傷傳感層與基體的結(jié)合力主要與薄膜制備工藝參數(shù)相關(guān)[25],因此后期需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步確定最佳的薄膜制備工藝參數(shù)。

(a)原試驗(yàn)件

(b)制備有PVD薄膜的試驗(yàn)件圖7 試驗(yàn)件破壞形貌

指定測量點(diǎn)位示意圖如圖8所示。在振動疲勞試驗(yàn)前后分別使用大華DH1718E直流穩(wěn)壓電源,從圖8中B點(diǎn)輸入、C點(diǎn)輸出3 A的恒定直流電流,并分別測量試驗(yàn)件破壞前后的電壓UAC、UAD、UBC、UBD,結(jié)果如圖9所示。PVD薄膜傳感器的電阻值受諸多因素(如多次循環(huán)加載、溫度等)的影響,但是由這些因素引起的電阻值變化均是微小、緩慢的,對最終的試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

圖8 指定測量點(diǎn)位示意圖

(a)UAC

(b)UAD

(c)UBC

(d)UBD圖9 指定點(diǎn)位間的電位差對比

試驗(yàn)前后PVD薄膜傳感器指定點(diǎn)位間的電位差對比如圖9所示,可以看出:在疲勞試驗(yàn)前,PVD薄膜傳感器的指定點(diǎn)位間電位差基本保持恒定,而在振動疲勞失效后,幾乎所有的試驗(yàn)件,不同監(jiān)測位點(diǎn)之間的電位差均是顯著增大的;同一試驗(yàn)件不同測量位點(diǎn)之間電位差在疲勞失效前后增大的幅度也存在較大差異。在此次試驗(yàn)中,UAC、UAD、UBC、UBD的均值分別從失效前的0.26、0.34、0.33、0.29 V增至失效后的0.75、0.83、0.75、0.95 V,試驗(yàn)件疲勞失效后指定點(diǎn)的電位差均值約為失效前的2～3倍,增加幅度顯著。因此,后期通過對傳感器進(jìn)行合理布置,可以實(shí)現(xiàn)PVD薄膜傳感器的裂紋精確監(jiān)測。

綜上可知,PVD薄膜與金屬基體結(jié)構(gòu)在振動載荷下具備損傷一致性,試驗(yàn)件疲勞失效后,PVD薄膜部分指定點(diǎn)位間的電位差會發(fā)生顯著變化,可以實(shí)現(xiàn)對基體振動疲勞裂紋的監(jiān)測。

5 結(jié) 論

(1)不同狀態(tài)下試驗(yàn)件的振動疲勞對比試驗(yàn)及顯著性分析結(jié)果表明,PVD薄膜傳感器制備過程中的陽極氧化工藝及離子鍍膜沉積過程不會對基體的振動疲勞性能造成不利影響。

(2)疲勞裂紋監(jiān)測試驗(yàn)及結(jié)果分析表明,PVD薄膜傳感器與基體在振動疲勞載荷下具有較好的損傷一致性,但現(xiàn)有的鍍膜工藝參數(shù)亟需改進(jìn)優(yōu)化。這為后續(xù)PVD薄膜傳感器形狀的確定以實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的精準(zhǔn)監(jiān)測提供了參考。

(3)封裝保護(hù)是確保PVD薄膜傳感器耐久性的重要保證,而現(xiàn)有的鍍膜工藝參數(shù)存在結(jié)合力差、易氧化等致命問題,因此后續(xù)有必要針對封裝保護(hù)層的最優(yōu)制備材料和工藝進(jìn)行相關(guān)研究。

綜上,PVD薄膜傳感器適用于對普通基體振動疲勞裂紋的監(jiān)測。