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熱噴涂層劃痕試驗(yàn)應(yīng)用報(bào)告
導(dǎo)言 熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱，以一定的速 度噴射沉積到基體表面形成涂層的方法。 與其他沉積技術(shù)相比，熱噴涂技術(shù)可以在高沉積速率 下覆蓋大面積并且提供更厚的涂層。 熱噴涂層廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋、重型機(jī) 械等多個(gè)領(lǐng)域，主要性能包括耐磨性、低摩擦、耐腐 蝕、改變導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率等。 測(cè)試問題 熔化的材料液滴噴涂到基體表面，產(chǎn)生大量“餅 狀"片層，在表面形成高度不均勻的涂層。 片層的大小以及不同的孔隙程度常被用來表征熱噴涂 層。使用熱噴涂技術(shù)形成的涂層具有*的微觀結(jié) 構(gòu)，呈現(xiàn)出不同于基體材料的特性。 不同類型的熱噴涂工藝（火焰、電弧、等離子體、高 速氧燃料和爆炸噴涂）會(huì)產(chǎn)生的不同結(jié)構(gòu)，增加了材 料問題的復(fù)雜性。 涂層的耐用性和功能性在很大程度上取決于涂層內(nèi)聚 力強(qiáng)度和涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)度。因此，在實(shí)際工 件上形成涂層并研究沉積技術(shù)、噴涂參數(shù)（如速度） 和基體表面制備是非常必要的。
測(cè)試方法 樣品旋轉(zhuǎn)90度，使涂層和基體的交界處于朝上的方 向，然后將整個(gè)樣品鑲嵌在樹脂材料中，并對(duì)表面進(jìn) 行拋光。從基體向涂層方向，拖動(dòng)垂直于樣品截面的 金剛石劃痕頭，進(jìn)行恒定載荷劃痕測(cè)試（圖2）。劃 痕測(cè)試結(jié)束后，劃痕頭停留在樹脂材料中。
通過劃痕測(cè)試，樣品會(huì)產(chǎn)生兩種主要的失效模式，如 圖3所示： • 內(nèi)聚力失效：熱噴涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或涂層自由 表面發(fā)生錐形斷裂。 • 結(jié)合力失效：基體與熱噴涂層之間的界面產(chǎn)生裂 紋。
通過調(diào)整施加的法向載荷，可以使失效發(fā)生在熱噴涂 層的自由表面或基體與熱噴涂層的界面或熱噴涂層內(nèi) 部。 測(cè)試條件 使用SMT-5000在不同的熱噴涂層上進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)。 測(cè)試方法遵循ISO 27307。 試驗(yàn)參數(shù)匯總見表1。
每個(gè)樣品共進(jìn)行6個(gè)劃痕試驗(yàn)，使用兩個(gè)載荷，在每 個(gè)負(fù)載下進(jìn)行三個(gè)劃痕試驗(yàn)（圖4）。選擇恒定載荷 來對(duì)樣品產(chǎn)生足夠的損傷，以提供測(cè)試結(jié)合力失效 的可能性。
測(cè)試結(jié)果 對(duì)四種不同的熱噴涂樣品進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)，以研究涂層 內(nèi)聚力和結(jié)合力強(qiáng)度。 在熱噴涂層中可以觀察到不同類型的失效：
結(jié)合力失效 在這種情況下，裂紋發(fā)生在熱噴涂層/基體的界面 處。這種失效是和熱噴涂與基體之間的結(jié)合力強(qiáng)度相 關(guān)的。裂紋最開始總是發(fā)生在界面處，可以沿著界面 延伸，也可以在涂層內(nèi)部擴(kuò)展。
可以用劃痕任意一側(cè)裂紋的長(zhǎng)度來量化評(píng)估結(jié)合力強(qiáng) 度。 一旦這種失效模式出現(xiàn)后，不會(huì)產(chǎn)生其他失效模式， 因?yàn)轭~外出現(xiàn)的能量都會(huì)被用于使涂層/基體界面失 效。
涂層內(nèi)聚力失效 這種失效的特點(diǎn)是裂紋從劃痕的兩側(cè)延伸到涂層內(nèi) 部。裂紋的發(fā)生和結(jié)束都位于熱噴涂層內(nèi)部。
由于這種失效模式發(fā)生在涂層內(nèi)部，所以只與涂層 自身的強(qiáng)度相關(guān)。
涂層自由表面的內(nèi)聚力失效 最后一種類型的失效發(fā)生在熱噴涂層的自由表面，并 且通常呈現(xiàn)為錐形。這種失效與熱噴涂層的內(nèi)聚力有 關(guān)，但比涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的失效具有更高的內(nèi)聚力 強(qiáng)度，是熱噴涂層向自由表面失效的結(jié)果。
假設(shè)在自由表面失效之前沒有觀察到其他失效形 式，則可以通過測(cè)量錐形斷口的角度來對(duì)樣品進(jìn)行 排序。較小的斷口角度表示熱噴涂層具有較高的內(nèi) 聚力強(qiáng)度。 > 樣品強(qiáng)度的比較 根據(jù)不同失效類型，樣品的強(qiáng)度大小及其排序需要遵 循一個(gè)嚴(yán)格的過程。 1. 涂層與基體界面處是否產(chǎn)生結(jié)合力失效？如果在 界面處發(fā)生結(jié)合力失效，則不需進(jìn)行其他比較， 這類樣品的排名低。如果涂層不能很好的附著 在基體上，那么這種涂層的內(nèi)聚力強(qiáng)度對(duì)于排序 的結(jié)果并不重要，因?yàn)榻Y(jié)合力失效發(fā)生在內(nèi)聚力 失效之前。如果多個(gè)樣品均發(fā)生結(jié)合力失效，可 使用界面裂紋的長(zhǎng)度來區(qū)分樣品。 2. 如果沒有發(fā)生結(jié)合力失效，涂層內(nèi)部是否產(chǎn)生內(nèi) 聚力失效？當(dāng)界面處的結(jié)合力強(qiáng)度足夠大，而涂 層內(nèi)部出現(xiàn)失效時(shí)，涂層的內(nèi)聚力失效是比結(jié)合 力失效高一級(jí)別的排名。如果多個(gè)樣品涂層均產(chǎn) 生內(nèi)聚力失效，可按涂層內(nèi)裂紋的長(zhǎng)度對(duì)樣品排 序。 3. 如果界面處沒有產(chǎn)生結(jié)合力失效，涂層內(nèi)部也沒 有產(chǎn)生內(nèi)聚力失效，那么涂層自由表面的內(nèi)聚力 失效就成為焦點(diǎn)。由于樹脂材料往往比涂層軟， 所以最后一種失效模式出現(xiàn)在涂層的自由表面。 在這種情況下，主要按涂層自由表面斷口的角度 來對(duì)樣品進(jìn)行排序，如圖8所示。
為了比較兩種熱噴涂層（TS1和TS3），測(cè)量劃痕頭從 涂層內(nèi)部劃到樹脂材料的“出口"錐角，這個(gè)角度代 表了涂層的強(qiáng)度。TS3涂層自由表面斷口角度較小， 具有更高的強(qiáng)度。
結(jié)果匯總 在本測(cè)試報(bào)告中，四種熱噴涂層樣品表現(xiàn)出不同的結(jié) 合力和內(nèi)聚力強(qiáng)度。所有樣品的結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?/span>
如上表所示，只有TS4樣品產(chǎn)生了結(jié)合力失效，所以 TS4在這些樣品中排名低。其他三個(gè)樣品中，TS2結(jié) 合力強(qiáng)度較高，但涂層內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)聚力失效，所以 TS2排名低于TS1和TS3。TS1和TS3在涂層自由表面產(chǎn) 生了內(nèi)聚力失效，所以可以通過自由表面斷口角度的 大小來進(jìn)行排序。TS3具有最小的斷口角度，所以強(qiáng) 度最高，是待測(cè)樣品中的最佳樣品。因此，這四個(gè)樣 品涂層強(qiáng)度從高到低的排序?yàn)門S3>TS1>TS2>TS4。 結(jié)論 劃痕測(cè)試技術(shù)可以用來表征熱噴涂層的內(nèi)聚力和結(jié)合 力強(qiáng)度。通過試驗(yàn)就可以更深入地了解熱噴涂層的強(qiáng) 度。 對(duì)涂層失效模式的研究和量化可以為研究人員改進(jìn)涂 層生產(chǎn)工藝提供一些建議，如調(diào)整TS4的基體表面工 藝，TS1、TS2和TS3的噴涂技術(shù)參數(shù)等，來增加熱涂 層的結(jié)合力和內(nèi)聚力強(qiáng)度。 Retc Instruments致力于開發(fā)相關(guān)的測(cè)試手段來表征 熱噴涂層。多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)MFT5000也可對(duì)熱噴涂 層進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。劃痕與摩擦學(xué)測(cè)試(磨損/摩擦 系數(shù))結(jié)合的測(cè)試手段可以幫助研究人員對(duì)涂層及其 抗機(jī)械損傷能力有更完整的了解。
關(guān)鍵詞 • 熱噴涂層 • ISO 27307 • 結(jié)合力/內(nèi)聚力評(píng)估 • 截面劃痕測(cè)試 • 結(jié)合力 • 機(jī)械測(cè)試
參考資料 1 By Matthias Zepper - Selbst aufgenommen bei Vorführung der Anlage im Institut für Technische Thermodynamik (Pfaffenwaldring 38-40 in D-70569 Stuttgart) des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR)., CC BY-SA 2.5 2 ISO 27307 – 2015 Thermal spraying — Evaluation of adhesion/cohesion of thermal sprayed ceramic coatings by transverse scratch testing 3 Lopez, Zambelli, Cohesion measurement of plasma sprayed ceramic coatings, Surface Modification Technologies (815-821), 1990
設(shè)備 Rtec Instruments提供可靠、高精度和高靈敏度的集 成法向力和摩擦力的傳感器技術(shù)，可在一個(gè)測(cè)試平臺(tái) 上實(shí)現(xiàn)從納米到宏觀的劃痕測(cè)量。
材料表面性能綜合測(cè)試平臺(tái):SMT-5000
