基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的激光熔覆涂層殘余應(yīng)力研究

王麗捷，孫建軍，譚曉華，譚 娜，李 秋

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

激光熔覆是一種新型材料表面處理技術(shù)，與其他的表面改性技術(shù)相比，具有加熱集中、工件變形小等優(yōu)點，且由于激光熔覆形成的結(jié)合界面呈冶金結(jié)合的狀態(tài)，因此該技術(shù)被廣泛使用并得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[1-3]。由于黏結(jié)在基底上的涂層都在其厚度尺寸范圍內(nèi)承受殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在影響涂層物理性質(zhì)和實用壽命，因此近年來國內(nèi)外學(xué)者對涂層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律等開展了大量研究[4-8]。對激光熔覆涂層殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，可以明確涂層的應(yīng)力大小、分布規(guī)律以及引起殘余應(yīng)力的原因，以便采取相應(yīng)措施增強涂層的結(jié)合力，進(jìn)而提高涂層使用壽命。傳統(tǒng)研究殘余應(yīng)力的方法多為應(yīng)變片結(jié)合盲孔法，通過應(yīng)變測量儀測量鉆孔后孔洞周邊的殘余應(yīng)力，但應(yīng)變片粘貼過程繁瑣復(fù)雜，測量點有限且測量過程受人為因素影響較大，更無法得到全場應(yīng)變參數(shù)。本研究將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（digital image correlation，DIC）與盲孔法相結(jié)合，在對樣品表面進(jìn)行散斑處理后，通過采集熔覆涂層測量區(qū)域鉆孔前后的的圖像，利用DIC 技術(shù)計算孔洞周邊的位移與應(yīng)變，從而得到涂層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

1 實驗系統(tǒng)搭建

本研究搭建的試驗系統(tǒng)主要由以下3 部分組成：數(shù)控鉆床；圖像采集及存儲系統(tǒng)；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程

（1）VERSAII 高速數(shù)控鉆床

使用高速數(shù)控鉆床對樣品進(jìn)行殘余應(yīng)力測量前的鉆孔加工，三軸均為伺服電機控制方式，配置華中數(shù)控世紀(jì)星操作系統(tǒng)，主軸箱全齒輪傳動結(jié)構(gòu)，主軸的扭矩最大為250 Nm，主軸箱可手動上下進(jìn)行移動，鉆孔直徑均為1 mm。

（2）圖像采集及存儲系統(tǒng)

圖像拍攝系統(tǒng)主要包括光學(xué)鏡頭和相機組件。實驗中選用基恩士VHX-1000C 超景深三維顯微鏡，1/1.8 型211 萬像素CCD 圖像傳感器，分辨率為1 600×1 200，觀測視場范圍為2.4 mm×3.5 mm，適用于試驗樣品鉆孔前后的對比觀測。觀測中配合12 V 的100 W 鹵素?zé)簟Ｅ浜?60 GB（內(nèi)預(yù)設(shè)45 GB）硬盤存儲系統(tǒng)，可儲存約575 000 張圖像（200 萬像素圖像被壓縮時）至約19 000 張圖像（200 萬像素圖像未壓縮時），滿足實驗要求。

（3）數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

本實驗中使用XTDIS-CONST 系列三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)中配套的圖像處理軟件，可匹配變形前后數(shù)字散斑圖像中的對應(yīng)圖像子區(qū)，獲得被測物體表面各點的位移，進(jìn)而通過自動計算得到對應(yīng)的應(yīng)變值，該軟件為模塊化設(shè)計，開放算法，改善核心算法后計算速度有顯著提升，適合快速分析。

2 實驗測量殘余應(yīng)力過程

2.1 樣品制備

實驗對象為Fe901 熔覆涂層，熔覆涂層質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。基體材料為45 號鋼：首先對熔覆涂層表面預(yù)先進(jìn)行噴漆處理，采用亞光白色的噴漆，將整個測量區(qū)域噴白，以遮蓋瑕疵，統(tǒng)一底色，提高對比度。待漆自然晾干后，選用0.3 mm 雙動筆噴，配合VOGUE AIR 氣泵，馬達(dá)12 V，排氣量10.5 L/min。制備前后樣品在100 倍鏡高景深顯微鏡下的對比效果如圖2所示。

表1 熔覆涂層質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 制備前后樣品在100 倍鏡高景深顯微鏡下的對比效果

2.2 盲孔法釋放殘余應(yīng)力

盲孔法是一種較為常用的內(nèi)應(yīng)力測試方法，由德國學(xué)者M(jìn)athar 在1934 年提出。盲孔法的的測試原理為[8]：假設(shè)構(gòu)件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力場（σ1，σ2），在應(yīng)力場內(nèi)某點處鉆一小孔，設(shè)孔直徑d=2a，深度為h，盲孔法檢測殘余應(yīng)力原理如圖3所示，這時小孔原有的平衡狀態(tài)被破壞，盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，形成新的應(yīng)力場和應(yīng)變場，一般情況下，通過貼應(yīng)變片測出釋放的應(yīng)變后，即可根據(jù)如下理論公式計算出該測點處的主應(yīng)力σ1、σ2數(shù)值。

為簡化盲孔法釋放應(yīng)變的測量過程，本研究中引入數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，利用非接觸式全場應(yīng)變測量法代替?zhèn)鹘y(tǒng)電測法測量，通過表面散斑處理，對試件表面鉆孔前后的圖像進(jìn)行處理與計算，即可求出小孔周邊的應(yīng)變場。使用數(shù)控鉆床在試樣表面打孔，樣品表面均為10 mm×10 mm 大小，依據(jù)打孔深度分為5 組，相對打孔深度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，鉆孔后樣品表面如圖4所示。

圖3 盲孔法檢測殘余應(yīng)力原理

圖4 鉆孔后樣品表面

2.3 利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量殘余應(yīng)力

DIC 是對全場位移或應(yīng)變進(jìn)行量化分析的非接觸光學(xué)測量技術(shù)，與傳統(tǒng)貼應(yīng)變片等測量方法相比，其為非接觸測量，具有測量效率高，穩(wěn)定性強等特點。該方法最早于20 世紀(jì)80 年代初由美國南卡羅來納大學(xué)的Peter、Ranson 和日本的Yamaguchi 等相繼提出[9]。隨著DIC 技術(shù)的不斷發(fā)展，已有不少學(xué)者對數(shù)字圖像相關(guān)方法及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[10-12]。近年來的研究中，DIC 與多種顯微鏡（如超景深光學(xué)顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等）結(jié)合獲取試件數(shù)字圖像，可以實現(xiàn)微尺度范圍內(nèi)的位移和應(yīng)變測量[13-15]。與傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法相比，其可以通過圖像相關(guān)匹配的方法分析試件變形前后的散斑圖像，即跟蹤試件表面標(biāo)記點的運動得到變形場，從而實現(xiàn)對面內(nèi)位移與應(yīng)變的測量，數(shù)字圖像相關(guān)方法的圖像匹配原理如圖5所示，進(jìn)而通過相關(guān)函數(shù)計算變形前后的圖像相關(guān)系數(shù)獲取虛擬網(wǎng)格的節(jié)點位移C，且

式中：f（x，y）、g（x′，y′）分別為參考圖像中的某點的灰度值；x′=x+u；y′=y+v；II 為計算相似程度的相關(guān)函數(shù)。常用相關(guān)函數(shù)：差方和法、零均值化差方和法、歸一化差方和法等[16]。

圖5 數(shù)字圖像相關(guān)方法的圖像匹配原理

本研究在采集到熔覆涂層樣品鉆孔前后的散斑圖像之后，打開XTDIC 軟件建立新工程，輸入并調(diào)整相應(yīng)的相機參數(shù)，導(dǎo)入需要分析殘余應(yīng)力的每組樣品變形前后的對應(yīng)圖片，軟件可對圖像自動編號。為完成散斑工程的計算，軟件開始分析前需要在被分析的圖片上選擇種子點和分析區(qū)域（ROI），即確定計算點P（x，y）及其周圍（2M+1）×（2M+1）像素范圍內(nèi)的散斑區(qū)域，以提高計算的效率和精度，降低誤差匹配的概率，因此在變形前后的散斑圖像上需要分析者手動選擇散斑域，并確定種子點，系統(tǒng)可基于ROI 對試樣的變形進(jìn)行分析，運行計算程序，全場位移分析結(jié)果可顯示在窗口。如果測量點的散斑匹配失敗，計算結(jié)果將為空，可以利用軟件中的插值功能對這些孔進(jìn)行插值計算。

3 結(jié)果分析與討論

利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)軟件得到的Fe901 熔覆涂層圓孔周邊不同涂層深度全場位移DIC 結(jié)果對比如圖6所示。由于圓孔周邊的應(yīng)力分布具有對稱性，因此從圖6（a）、圖6（b）中可以明顯看出，圓孔周邊的應(yīng)力大小隨著徑向距離的增大而增大，且隨著到涂層表面的距離逐漸增加，內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小在圓孔周邊呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)距涂層表面距離從0.1 mm 增大到0.5 mm 時，殘余應(yīng)力大小從171 MPa 連續(xù)增加到271 MPa，F(xiàn)e901 熔覆涂層各深度殘余應(yīng)力如圖7所示。

圖6 Fe901 熔覆涂層圓孔周邊不同涂層深度全場位移DIC 結(jié)果對比

圖7 Fe901 熔覆涂層各深度殘余應(yīng)力

其他學(xué)者的相關(guān)實驗中也得到了類似結(jié)論，Tao等[17]研究了不同環(huán)境溫度下制備的TiNi/Ti2Ni 激光熔覆涂層中不同深度區(qū)域的殘余應(yīng)力分布，結(jié)果表明，在不同環(huán)境溫度下制備的涂層，殘余拉應(yīng)力均隨著到涂層表面距離的增大而增大。任維彬等[18]利用X 射線衍射法研究了45 鋼基體激光熔覆Fe314 合金涂層，結(jié)果表明，垂直熔覆方向上應(yīng)力不斷上升，熔覆層表面應(yīng)力最小，約為200 MPa，當(dāng)深度增加時，殘余拉應(yīng)力大小逐漸從200 MPa 增加到400 MPa。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是由于在將合金粉末與基體表面迅速加熱并熔化的過程中，熔融熱粒子處于高速飛行的狀態(tài)，當(dāng)其碰撞到表面溫度較低的冷基體上后，熱粒子冷卻并發(fā)生收縮變形現(xiàn)象，進(jìn)而附著在基體表面。隨后噴射而來的熱粒子再次附著到已冷卻降溫的涂層上，再次發(fā)生冷卻收縮作用，即后續(xù)熔覆層的熱量在已經(jīng)成形的熔覆層基礎(chǔ)上進(jìn)行累加，越晚形成的熔覆層其熱累積影響越弱，因而產(chǎn)生的熱應(yīng)力持續(xù)下降。處于表面的熔覆層由于其受熱累積效應(yīng)影響最小，且散熱較快，溫度梯度相對較小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也相對較小[18]。因此，當(dāng)涂層厚度增加時，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力逐漸增大。

4 結(jié) 論

（1）對45 鋼基體的Fe901 熔覆涂層表面進(jìn)行散斑處理，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對鉆孔前后的涂層表面散斑圖像進(jìn)行分析，得到了0.1 mm～0.5 mm 不同鉆孔深度下全場殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

（2）由分析結(jié)果可知，沿圓孔徑向方向，內(nèi)部殘余應(yīng)力的數(shù)值有增大趨勢；沿涂層深度方向，殘余應(yīng)力數(shù)值不斷上升，距熔覆涂層表面0.1 mm 處殘余應(yīng)力最小，約為170 Ma，當(dāng)深度增加到0.5 mm 時，殘余應(yīng)力逐漸增加到270 MPa。