, 陈志同1, 李建伟3, 赵越21. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院, 北京 100191;
2. 江西昌河航空工业有限公司, 景德镇 333000;
3. 陆军航空兵军事代表局驻景德镇地区军事代表室, 景德镇 333000
收稿日期：2022-02-22
作者简介：应少军(1988—)，男，高级工程师。E-mail：nnsbar@163.com
摘要：针对某型号直升机旋翼系统的关键连接螺栓存在疲劳寿命明显不足的现象，采用显微硬度分布以及扫描电子显微镜(SEM)/电子背散射衍射(EBSD)分析，发现螺栓基体在车削、磨削和喷砂的机加工处理后，表面残留的变质层叠加区对WC-10Co4Cr涂层与基体结合强度产生不利影响，进而造成的基体-涂层界面早期开裂失效是螺栓疲劳寿命明显不足的主要原因。通过采用加大磨削量来消除变质层叠加区的加工工艺后，螺栓涂层与基体的显微硬度分布更加均匀，平均疲劳寿命比原螺栓提高了3倍。这主要是因为加工变质层叠加区的去除使螺栓表面的硬度有所提高，且硬度分布更加均匀，进而减缓了基体与涂层的硬度梯度，使涂层与基体的结合强度显著提高。
关键词：涂层螺栓疲劳寿命基体-涂层界面显微硬度电子背散射衍射
Coated bolt weakening mechanism and processing improvements
YING Shaojun1,2
, CHEN Zhitong1, LI Jianwei3, ZHAO Yue21. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China;
2. AVIC Changhe Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Jingdezhen 333000, China;
3. Army Aviation Agent's Room in Jingdezhen Area, Jingdezhen 333000, China
Abstract: Some key coated joint bolts on helicopter rotor systems had poor fatigue lives. This study investigated the microhardness distribution in these bolts using the scanning electron microscope (SEM) and electron back-scattered diffraction (EBSD) tests. The tests showed that the deteriorated layers induced by turning, machining and shot blasting overlapped at the bolt substrate surface, which negatively impacted the bonding strength between the WC-10Co4Cr coating and the substrate. The poor fatigue life was found to be mainly due to premature cracking of the substrate-coating interface. The grinding depth was then increased to eliminate the overlapping deteriorated layers to more uniformly distribute the microhardness between the coating and the bolt substrate which lengthened the fatigue life 3 folds relative to the original bolt. This result is mainly due to the removal of the overlapping deteriorated layers which improves the hardness as well as the bolt surface homogeneity and relieves the hardness gradient between the substrate and the coating, which significantly improves the adhesion between the coating and the substrate.
Key words: coated boltfatigue lifesubstrate-coating interfacemicrohardnesselectron back-scattered diffraction
连接螺栓是直升机旋翼系统中的关键零件，在服役过程中会受到循环的弯矩和拉压载荷作用，并且螺栓表层易受磨损和侵蚀[1-2]，苛刻的服役工况及环境对螺栓性能提出了很高的要求。在螺栓制造过程中，单一材料难以满足上述性能要求，因此通常在软、韧的基体材料上通过热喷涂技术喷涂硬质合金涂层，由基体材料提供支撑、缓冲受力，由表面涂层提供足够的耐磨性和耐腐蚀性[3-5]。
热喷涂技术使用高速飞行的熔融态涂层粒子与基体材料发生撞击，涂层粒子迅速沉积、层层铺展形成涂层，涂层与基体之间通过机械结合连接在一起。但由于基体材料和涂层材料的性能通常差别较大，在基体-涂层界面处便会产生一层成分、性能突变的异质区域，这就使得裂纹极易沿着基体-涂层界面处扩展，影响零件服役性能[6-8]。研究表明，基体的表面状态显著影响基体-涂层的结合情况[9-10]。因此，通过辅助手段调控基体表面状态是提高界面结合强度的有效手段，例如在喷涂前对基体材料表面进行喷砂粗化处理、干冰喷射辅助沉积或激光织构处理等，但由于成本高、操作难度大等原因，这些工艺的应用受到限制[6, 9]。
机加工工艺对材料的表面状态有显著影响，研究不同机加工工艺过程对材料表面变质层的影响具有重要意义。常见的机加工工艺，如磨削、车削等，会在被加工零件的表层产生一层组织结构、物化性质、力学性能与芯部材料不同的变质层，通过调整工艺参数可以显著影响变质层的深度[11-12]。通过研究具体的加工工艺对材料表层的影响，获得在整个零件制造工艺流程中变质层的演化规律，有利于改进工艺流程、优化工艺参数，以低成本、易操作的方法改善材料表层状态[13-14]，进而改善后续喷涂的涂层与基体材料的结合状态。
本文对某型号直升机旋翼系统中的关键连接螺栓进行了失效分析，基于显微硬度和电子背散射衍射(electron back-scattered diffraction, EBSD)的结果探究了螺栓基体表面变质层演化规律，并建立了相应的演化模型，据此提出螺栓加工工艺的改进措施，并对改进前后的螺栓服役性能进行了对比。
1 疲劳试验本文试验所用螺栓基体材料为退火状态的18Cr2Ni4WA(各成分质量分数为：C~0.16%，Si~0.27%，Mn~0.45%，Cr~1.5%，Ni~4.25%，W~1%)。?8 mm的基体圆柱坯料经热处理后，将螺杆车削至?7.9+0.05+0.10 mm，然后磨削到?7.90+0.05 mm，Ra为0.8。螺杆表面用粒径约62 μm的刚玉颗粒喷砂3 min后，超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层，粉末粒度为20~50 μm。喷涂后涂层厚度约为300 μm，磨削加工至厚度为150 μm。每根螺栓加工完成后都进行磁粉探伤，确保不存在近表面缺陷。
为了模拟螺栓在实际工况下的使用寿命，在自制的等比例台架上进行疲劳试验。通过对旋翼系统模型运转情况进行三维建模仿真，确定了螺栓表面关键位置的应力状态，而后在等比例台架上对螺栓对应位置粘贴应变片进行标定。多次试验后确定该应力状态对应的疲劳载荷为(3±12) kN。加载频率根据实际工况设置为0.5 Hz。试验前按照螺栓的真实工况进行安装，然后以规定载荷加载至螺栓完全断裂，加载方向与载荷如图 1所示。共对3根同批次的同种螺栓进行了相同的疲劳试验，结果表明3根螺栓的疲劳寿命分别为2.9万次、8.8万次和4.1万次。
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| 图 1 疲劳试验的基本信息 |
| 图选项 |
根据疲劳试验的结果，对寿命最短的螺栓进行显微组织分析。利用FEI Quanta 200聚焦离子束扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和EDAX能谱仪对螺栓疲劳断口进行形貌与成分分析。用线切割从该螺栓上截取10 mm长的样品，将横截面磨抛至镜面后，在Leica EM TIC 3离子研磨抛光仪上进行抛光以去除应力层，利用PHI 710 Auger电子能谱仪的EBSD探头对样品抛光后的截面进行显微组织观察。利用FM-810维氏显微硬度计分别测量磨抛截面上基体与涂层的显微硬度，测试载荷为0.98 N，保压时间为10 s。
2 结果分析2.1 疲劳断口利用扫描电子显微镜对螺栓的疲劳断口进行观察，断口形貌如图 2所示。图 2b展示的是断口裂纹源附近的形貌。从放射状的花样收敛于涂层内可以判断，裂纹萌生于涂层内部，并且可见涂层与基体平齐，这表明裂纹萌生后沿着所在平面直接扩展。基体内主要表现出解理断裂的形貌，并存在部分二次裂纹。除了疲劳裂纹扩展的形貌外，涂层与基体还出现了大量分离的现象，如图 2c和2d所示。这种现象表明涂层与基体的结合强度较弱，并且涂层与基体结合处产生的黏结失效很有可能成为裂纹来源之一。
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| 图 2 螺栓疲劳断口形貌 |
| 图选项 |
2.2 机械加工对组织性能的影响涂层与基体的结合强度不仅与超音速火焰喷涂的工艺参数选择有关，更与喷涂时基体表面的状态密不可分。本试验中螺栓超音速火焰喷涂采用的是自动化喷涂设备，设定的工艺参数已经得到广泛的商业化应用。据此可以推测，螺栓疲劳寿命不足可能是由基体表面状态不佳导致的。
车削、磨削与喷砂等加工工艺均会对材料表面的组织产生影响，进而影响材料表面的力学性能。螺栓基体加工时，加工工序依次为车削、磨削与喷砂。为了探究这3种主要加工工艺对基体表面组织性能的影响，分别在车削、磨削与喷砂加工完成后随机抽取螺栓，并通过显微硬度与EBSD两种方法进行组织与力学性能分析。
2.2.1 变质层显微硬度演化分析为了研究不同加工工艺对基体表面显微硬度的影响，从距离表面10 μm处开始，每隔30 μm测量一次硬度，每种工艺抽取3根螺栓测量，测量结果如图 3所示。此外，还对机械加工前基体材料的显微硬度进行了测量。从图 3中可见，不同加工工艺处理后，样品表面的硬度呈现出不同的变化趋势。机械加工前，基体材料的显微硬度约为417 HV。车削对螺栓表面硬度几乎无影响，样品的硬度基本稳定在410~420 HV之间; 磨削后，螺栓表面出现了明显的软化层，即距离表面一定范围以内的区域硬度明显降低; 喷砂后，螺栓表面出现一定程度的硬化，但是硬度的离散程度较大。
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| 图 3 不同加工工艺后螺栓基体表面不同深度显微硬度分布及其标准误差带 |
| 图选项 |
磨削后产生软化层的主要原因是磨削时产生的磨削热使样品表面温度升高，但还没未达到奥氏体转变温度，相当于对样品表面进行了回火，导致样品表面发生软化。喷砂后样品表面硬化的主要原因是加工硬化，即喷砂后表面产生大量塑性变形，随着变形程度的增加，样品表面的硬度增加。但是，由于磨削后表面产生的部分软化层与加工硬化相抵消，样品表面一些位置的硬度与基体硬度并没有很大区别。喷砂不仅能够增大基体表面的粗糙度，提高涂层与基体的结合强度，同时还能使基体表面硬化，减缓涂层与基体间的显微硬度梯度。因此，如果喷砂力度不够或者不均匀，则会导致涂层与基体结合强度变差。
从显微硬度的测试结果来看，螺栓基体表面性能的变化是一个与时间(不同工序)和空间(不同深度)有关的演化过程。虽然车削后螺栓表面硬度没有发生明显变化，但并不意味着组织也没有发生变化，组织分析仍必不可少。
2.2.2 变质层组织演化分析EBSD技术能够获得有关晶体取向的空间分布的大量信息，常被用于加工变质层的分析中[15-16]。根据晶体取向计算得出的核平均取向差(kernel average misorientation, KAM)与图像质量(image quality, IQ)是其中两种重要指标。KAM是晶粒内相邻局部区域的位相差，通常认为它与位错密度呈正相关[17]。IQ主要反映了晶格的完整性。在应变、固溶原子等的作用下，晶格发生畸变，导致图像质量下降[18]。通过对KAM图和IQ图中的每个点进行统计，可以进一步得到KAM和IQ的统计图，如图 4所示。统计图能够反映出样品KAM和IQ的整体分布情况，便于进行同一样品不同深度的纵向对比以及不同样品之间的横向对比。
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| 图 4 核平均取向差(KAM)与图像质量(IQ)及其统计图 |
| 图选项 |
分别对车削、磨削与喷砂后的螺栓基体表面沿深度方向逐次进行EBSD扫描，并对KAM与IQ进行统计，结果如图 5所示。从图 5中可见，无论何种加工方式，在距离表面一定范围内KAM与IQ的分布结果与深度较深处有着明显的差异。这种受到不同工艺影响而发生组织变化的区域称为变质层。由图 5可以大致估算出不同加工工艺下变质层的深度。通过统计，车削、磨削和喷砂所造成的变质层深度分别约为0.12、0.15和0.17 mm。喷砂后螺栓距离表面0.02 mm处的IQ出现了显著下降，这与车削、磨削的情况有所不同。
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| 图 5 不同加工工艺后螺栓基体表面不同深度KAM与IQ统计图 |
| 图选项 |
根据螺栓的加工工艺，将每次加工的单侧材料去除量与变质层深度绘制在图 6中。可以看到，车削去除了表面0.05 mm深的材料，产生了0.12 mm深的变质层; 随后磨削去除了表面0.1 mm深的材料，产生了0.15 mm深的变质层。因此，磨削后表面仍有0.02 mm深的材料是车削加工后残留下来的，这部分材料在喷砂时组织进一步产生变化，造成了喷砂后表面出现了0.02 mm深的车削、磨削与喷砂共同作用的三重变质层，这也是喷砂后的螺栓距离表面0.02 mm处，IQ统计图中出现显著下降的原因。
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| 图 6 车削、磨削与喷砂后变质层演化示意图 |
| 图选项 |
3 加工工艺改进措施及改进结果3.1 改进措施相互叠加的加工变质层使得喷砂工艺的硬化效果被削弱，导致硬度分布极不均匀。基于显微硬度和EBSD的分析结果，对加工工艺进行了改进：在车削工艺保持不变的基础上，增加螺栓圆柱坯料的直径为8.1 mm，增大单侧磨削加工量0.05 mm，即磨削后螺杆直径仍为7.700+0.05 mm，后续工艺保持不变。这样的改进能够将车削工艺导致的变质完全去除，避免在基体表面产生车削、磨削与喷砂共同作用的三重变质层。为了便于区分，后文中将改进前的螺栓称为1#螺栓，改进后的螺栓称为2#螺栓。
3.2 改进结果采用改进后的工艺制造的3根涂层螺栓在与1#螺栓同样的载荷下进行测试，3根螺栓的疲劳寿命分别达到了22.9万次、19.7万次和20.2万次。改进前后螺栓的平均疲劳寿命与标准误差如图 7所示。与未改进的螺栓相比，改进后螺栓的平均疲劳寿命提高了3倍，并且螺栓疲劳寿命分布的分散性减小。为对比两类螺栓的失效过程，在扫描电子显微镜下对寿命为22.9万次的2#螺栓进行了断口观察，测量了螺栓截面的显微硬度分布情况，并借助EBSD技术对样品表层组织进行分析。
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| 图 7 改进前后螺栓的平均疲劳寿命与标准误差 |
| 图选项 |
3.2.1 疲劳断口形貌对比分析利用扫描电子显微镜对2#螺栓疲劳断口进行观察，整体形貌如图 8所示，与1#螺栓断口有较大差异。首先，在断口处未发现明显的裂纹源。其次，裂纹的扩展路径分为两个阶段：第1阶段是在基体-涂层界面处平行于基体外表面扩展，第2阶段裂纹转为垂直于基体外表面扩展。如图 8b所示，在第1阶段中裂纹的扩展略微倾斜于断口截面，说明裂纹起源于螺栓涂层外表面，随后在涂层内部扩展至基体-涂层界面处，最后垂直于外表面扩展导致螺栓断裂。此外，沿着断口的基体-涂层界面区域进行观察，并未观察到如1#螺栓断口边缘的涂层与基体分离现象。两螺栓断口形貌的差异说明了改进后的2#螺栓涂层与基体的结合强度更高，因此未发生涂层剥离现象，裂纹难以从基体-涂层界面处萌生，转而从涂层表面萌生并向内扩展，进而提高了疲劳裂纹产生的门槛值，大大延长了螺栓的服役寿命。
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| 图 8 改进后螺栓疲劳断口形貌 |
| 图选项 |
3.2.2 显微硬度对比分析涂层中常存在孔隙、夹杂、微裂纹等缺陷，导致涂层力学性能分布不均匀，而基体表面由于经历了车削、磨削、喷砂等多道加工工序，表面状态复杂，也会对基体表面的力学性能产生重要影响。因此，仅仅根据显微硬度的平均值来评价涂层与基体的性能不够充分、客观。
Weibull分布是根据最弱链模型得到的，能够充分反映材料缺陷等因素对性能的影响。双参数Weibull分布模型的概率密度函数可以表示为[19-20]
| $ F(H)=1-\exp \left[-\left(\frac{H}{\eta}\right)^{\beta}\right] . $ | (1) |
| $\ln [-\ln (1-F(H))]=\beta[\ln (H)-\ln (\eta)] .$ | (2) |
| $F_{i}=(i-0.5) / n.$ | (3) |
绘制ln(H)对ln[-ln(1-F(H))]的坐标点，根据式(2)对所绘制的坐标点进行线性回归，并求出拟合直线的表达式。根据拟合直线的斜率和截距即可求得参数β和η。β反映了测量数据的离散程度，β越大，测量数据的离散程度越小。η表示累计概率为63.2%时的特征值，反映了测量数据的整体大小。
在对螺栓横截面进行磨抛后，分别在涂层与基体靠近结合面处进行了显微维氏硬度测量，并对测量结果利用双参数Weibull分布模型进行拟合，结果如图 9所示。无论是在基体中还是涂层中，改进后2#螺栓的拟合曲线斜率β都更大，意味着显微硬度值的分散性更小，螺栓性能更加稳定; 就硬度整体大小而言，两个螺栓涂层的硬度大小无明显差别，但2#螺栓的基体硬度高于1#螺栓。显微硬度的统计结果也证明了将螺栓基体状态较差的表层组织去除后，后续喷砂工艺的硬化效果大大提高。
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| 图 9 涂层与基体靠近界面处显微硬度的Weibull分布拟合 |
| 图选项 |
3.2.3 显微组织对比分析利用EBSD方法，对2#螺栓疲劳测试样品的基体表面距离涂层0.02 mm的区域进行测试，将统计到的KAM和IQ结果与1#螺栓进行对比，结果如图 10所示。2#螺栓的KAM值整体略高于1#螺栓，而IQ值差异更加明显，这意味着2#螺栓基体表面位错密度更高，晶格畸变更严重。EBSD的分析结果也说明，改进后的2#螺栓表面发生的塑性变形更大，加工硬化效果更强，喷砂效果更佳。
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| 图 10 1#螺栓与2#螺栓KAM和IQ统计图对比 |
| 图选项 |
以上结果表明，经过工艺改进后的螺栓基体-涂层界面处的结合强度更高，裂纹不易沿界面萌生，螺栓基体、涂层的性能更加稳定，并且喷砂的硬化效果更加显著，因此螺栓的疲劳寿命也得到提高。此外，机械加工过程中存在一定的波动性，车削、磨削、喷砂后产生的变质层的深度、显微组织等也会相应改变，导致改进前螺栓基体加工后表面质量不稳定，不同螺栓之间差异明显，例如图 3d中第1根螺栓喷砂后存在表面硬化效果不足的现象。这一因素使得1#螺栓疲劳寿命的标准差很大。增大磨削量能够彻底消除三重变质层叠加的情况，使加工后的螺栓基体表面质量更加稳定，因此3根2#螺栓疲劳寿命的一致性也相应提高。
4 结论通过以上研究，可以得到结论：
1) 现有加工工艺下涂层螺栓基体与涂层结合强度较差，在疲劳试验中基体与涂层分离导致界面处产生大量裂纹，大大降低了螺栓的疲劳寿命。
2) 显微硬度与组织分析结果均表明，车削、磨削与喷砂会导致螺栓基体表面出现组织、性能上的变化。磨削导致基体表面显微硬度降低，出现软化层; 喷砂对基体产生加工硬化，出现硬化层。EBSD结果表明，车削、磨削、喷砂均会造成组织上的变化，这表现在基体不同深度KAM与IQ统计分布的变化上。由于车削导致的变质层没有完全被磨削加工去除，使得喷砂完成后基体表面出现了三重变质层叠加的情况，恶化了螺栓的使用性能。
3) 通过改进加工工艺，通过增加磨削加工量保证车削变质层完全去除，避免三重变质层叠加的情况后，螺栓的疲劳寿命提高了3倍。疲劳断口分析表明涂层与基体的结合强度大大提高。显微硬度测试结果表明基体-涂层界面处的性能更加均匀，显微组织分析结果也反映出喷砂的加工硬化效果有所提高。
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