涂层压入仪的研制及其应用

　　1　研制背景

　　涂层与基体的结合强度是评价涂层质量最重要的性能指标。它是涂层研究者和使用者共同关注却远未规范和完善的一个热门问题。压入法是一种较有希望的方法[1],原因就在于较易建立力学模型,有可能建立载荷与界面力学参量之间的关系,进而根据涂层开裂和剥落的方式建立有针对性的失效判据。

　　1.1　正面压入测定薄涂层与基体结合强度的需要

　　以往对薄涂层正面压入测定结合强度的研究表明[2],在不同的载荷(属多点分级或固定载荷)下进行压入试验,出现周向裂纹及涂层环状剥落,剥落面积的大小与压入载荷的关系如图1[2]。Pc为涂层开始剥落的临界载荷,可用来表征结合强度。随压入载荷增大,剥落尺寸增大,达到一定程度后两者呈线性关系,其斜率可作为界面断裂韧性的一种度量。但是压入过程中涂层的破坏方式不确定;难以从实验上控制裂纹首先从界面处萌生;临界载荷Pc尚难精确测定;压入过程中界面的受力和破坏过程还不清楚;未能建立临界载荷与膜基结合强度的内在联系;膜基结构因素对Pc的影响也难以分析。要解决这些问题,应从试验仪器和力学模型两方面入手。在实验技术方面,改进压入设备的加载卸载系统,使其具有连续加载卸载功能,并引入监测和监控技术,以揭示破坏形式及其规律,找到与膜基结合强度直接相关的过程,为建立压入法的力学模型提供实验依据。

　　1.2　界面压入测定厚涂层与基体结合强度的需要

　　随着真空等离子喷涂、超音速火焰喷涂等新的热喷涂技术的出现,使涂层的结合强度大大提高。因受胶的粘结强度等因素的限制,传统的粘结拉伸法已不适合评价高结合强度的热喷涂涂层。新近推出的如图2所示的界面压入法可望成为一种合适的方法[3]。但是,其测试多用普通维氏硬度计多点分级加载,用界面开裂后裂纹长度或与裂纹长度有关的参量表征结合强度,例如,临界应变能释放率Gc,界面韧性Kc。

　　Lesage[4]最近用多点分级载荷测得了不同厚度的超音速火焰喷涂Cr3C2/NiCr涂层界面裂纹长度C与载荷P具有指数关系C∝Pn,n取决于涂层厚度。如图3,不同厚度涂层的lnC-lnP曲线交汇于一点,该点所对应的载荷为临界载荷PW。用PW表征结合强度。

　　Lesage[4]等都是用维氏硬度计在一定载荷下,测定对应的界面裂纹长度或更换不同的试验位置并限级加载,多点测试后得到载荷与界面裂纹长度的关系,从而确定KC、GC和PW等参量。由于实验过程为非连续加载,不同部位又有分散性,故实验工作量很大。测定裂纹长度是卸载后进行的,由于存在闭合效应,裂纹长度测量又受测试分辨率的影响,故测得的裂纹长度不一定是在加载下裂纹的真实长度。因此,需要改进分级、多部位加载并卸载后测定裂纹长度的方法。