1、第26卷第3期2002年3月機械工程材料MaterialsforMechanicalEngineeringVol.26No.3Mar.2002涂層材料性能測試技術劉福田1,2,李兆前2,王志1,張濤2,王永國2(1.濟南大學材料科學與工程系,山東濟南250022:2.山東大學機械工程學院,山東濟南250061)摘要:綜述了涂層材料性能測試常用的和重要的技術,包括硬度與韌性、耐磨性、耐腐蝕性、抗高溫氧化性、抗熱震性、殘余應力、涂層結合強度等的主要內容、基本方法和發展趨勢等。關鍵詞:涂層;性能;測試方法中圖分類號:TG174.44;TG113文獻標識碼:A文章編號:1000-3738(2002)0

2、3-0001-04TestingMethodsofCoatingMaterialPropertiesLIUFu-tian1,2,LIZhao-qian2,WANGZhi1,ZHANGTao2,WANGYong-guo2(1.JinanUniversity,Jinan250022;2.ShandongUniversity,Jinan250061,China)Thetestingmethodsofcoatingmaterialpropertiesincludinghardness,toughness,wearresistance,cor-Abstract:roderesistancehigh-te

3、mperatureoxidationresistance,heatshockresistance,residualstress,andbindingstrength,aresummarizedanddiscussed.coatingmaterial;property;TestingmethodKeywords:1引言涂層技術是重要的現代材料表面處理技術和材料復合技術。涂層材料制備方法可分為熱噴涂技術(火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂等)、表面沉積技術(PVD、CVD、PCVD法、電化學復合鍍層、溶膠-凝膠法等)、整體加熱處理技術(原位化學反應法、真空熔燒法、自蔓延合成法等)、高溫點熱源掃描技術(

4、聚焦光束熔敷和激光熔覆)等。涂層的功能與品種有溫控涂層(溫控、隔熱、紅外輻射涂層等)、耐熱涂層(抗高溫氧化、抗腐蝕、熱處理保護涂層等)、摩擦涂層(包括減磨、耐磨、潤滑涂層)、電性能涂層(導電、絕緣涂層等)、特種性能涂層(電磁波吸收、防原子輻射涂層等)及工藝性能涂層等。隨著科技的不斷發展,上述各種涂層制備技術都得到了很大發展,涂層種類不斷增多,涂層質量越來越好,用途日益廣泛。本工作將對常用的和比較收稿日期:2001-02-08;修訂日期:2001-04-09基金項目:國家自然科學基金(59975054)和山東省優秀中青年科學家科技獎勵基金資助項目作者簡介:劉福田(1964-),男,濟南大學副教授

5、,山東大學博士生。導師:李兆前教授重要的涂層材料性能測試技術進行綜述。2硬度與韌性硬度是指材料在表面上的不大體積內抵抗變形或者破裂的能力。究竟代表何種抗力則決定于采用的試驗方法,如刻劃法表征材料抵抗破裂的能力,壓入法表征材料抵抗變形的能力。應用較多的是壓入法硬度,如布氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。只要知道了硬度值,就可間接推知許多其它力學性能數據。而且硬度試驗簡單易行,不損毀試樣或工件,所以應用廣泛。洛氏硬度用來測定稍厚涂層的硬度,參照GB1818-79金屬表面洛氏硬度試驗方法及GB8640-88金屬熱噴涂層表面洛氏硬度試驗方法。洛氏硬度的壓頭有硬質和軟質兩種。硬質的由頂角為120°

6、的金剛石圓錐體制成,適于測定較硬的材料;軟質的為直徑1/16(1.5875mm)或1/8(3.175mm)鋼球,適于較軟材料測定。所加負荷根據被試材料硬軟不等作不同規定,負荷選擇原則是根據工件厚度、硬度層深度和材料預期硬度而盡可能選取較大的負荷,隨不同壓頭和負荷的搭配出現了各種洛氏硬度級,最普遍的是HRC(金剛石圓錐壓頭,150kgf負荷)。維氏硬度根據單位壓痕面積上承受的負荷,即劉福田,等:涂層材料性能測試技術應力值作為計量指標。不同的是維氏硬度采用錐面夾角為136°的金剛石四方角錐體,壓痕為具有清晰輪廓的正方形,測量壓痕對角線長度d時誤差小。維氏硬度值以HV作為標志,HV=1.8

7、54P/d2(kgf/mm)。顯微硬度所用載荷很小(100500gf),壓頭有兩種:一種是維氏壓頭,和宏觀的維氏壓頭一樣,只是金剛石四方錐的制造和測量更加嚴格;另一種是努氏壓頭(菱形的金剛石錐體)。顯微硬度用來測量尺寸很小或很薄的零件的硬度,或測量各種顯微組織的硬度。較大厚度涂層,采用HR-150洛氏硬度儀、HRD-150電動洛氏硬度儀測試;高溫硬度可用HBE-750型高低溫布氏硬度計測試;對薄涂層,可用顯微硬度計測其顯微硬度。對涂層材料,常需沿涂層垂直方向(深度方向),對涂層與基體的拋光截面,每隔一定間距,逐點測試由涂層,至涂層與基體的結合區,再至基體區的顯微硬度,考察由涂層到基體各不同微觀

8、區域的顯微硬度及其變化情況。常用的顯微硬度計有HX型、Shimadzu型、Olympus型、NVK-E型顯微硬度計以及UMHT-3型超顯微硬度儀、HVA-10A型小負荷維氏硬度計等。斷裂韌性測試采用顯微硬度壓痕結合聲發射法12振動臺及其附加裝置;腐蝕磨損用特制的腐蝕試驗機2。另外還有CMS-120型沖蝕磨損試驗機、ML-100銷盤磨粒磨損試驗機、碾壓式磨損試驗機3、MLS-12型干砂磨損試驗機、MM-200型磨損試驗機4等。4耐腐蝕性涂層耐腐蝕性按GB10124-88進行,腐蝕介質為30%硫酸溶液或10%HaOH溶液,腐蝕時間7天(d)。根據累計腐蝕失重計算平均腐蝕速率(g/mm2h)。采用其

9、它各種濃度的各類腐蝕介質也都可比較測定涂層的耐蝕性。涂層耐腐蝕性也可在0.1當量濃度H2SO4中測試,根據涂層的鈍化電位和臨界鈍化電流密度的大小、鈍化區范圍的寬度、鈍化區電流密度的大小,表征涂層腐蝕速度的大小5;也可用Potentiostat/GalvanostatModel273電化學綜合測試儀能。6測定分析涂層試樣的耐腐蝕性5抗高溫氧化性一般按美國ASTMG5491簡單靜態氧化(900)試驗標準執行7。將試樣加熱至高溫保溫,經一定的時間間隔,檢查表面的氧化情況,其中重量的變化是最主要的測試項目,可以給出總的氧化量;但是局部氧化如晶界氧化、界面氧化引起的破壞更大,也應重點檢查。具體的加熱試驗

10、多種多樣,如有:加熱爐氧化試驗、火炬試驗、燃燒器加熱試驗、低壓氧化試驗、熱腐蝕試驗等。,使用Shimadzu型顯微硬度計;也可以與顯微硬度測試結合進行,采用壓痕裂紋擴展法測試,利用壓痕四角引發的裂紋,由裂紋長度、彈性模量E及維氏硬度值HV求得K1c。3耐磨損性涂層硬度經常可以反映耐磨性的大小,但硬度和耐磨性的關系并不固定,耐磨性的準確度量應在服役條件下,由磨損試驗求得,摩擦環境不同,材料配副不同,所受載荷不同,所求磨損量也不同,因此,試驗方法多種多樣。耐磨性評定常用對比法。在相同摩擦條件下,單位行程或單位時間內的磨損量越大,耐磨性越差。評定的關鍵是如何準確測出磨損量大小,常用稱重法、磨痕法。滑

11、動磨損可用MHK-500型環塊磨損試驗機;干滑動磨損可用特制的銷環式磨損試驗機或特制的栓盤式試驗機;摩擦磨損可用MK-20型快速磨損試驗機;高溫干滑動磨損用改裝的ML-10型銷盤式磨料磨損試驗機;耐微動磨損可用Instron1506型電磁6抗熱震性當材料中的熱應力超過材料固有強度時就造成熱震破壞。通常熱應力與材料的彈性模量、熱膨脹系數以及熱震溫差成正比。涂層的原料之間、燒成陶瓷各相之間以及涂層與鋼基體之間的彈性模量、熱膨脹系數均有一定差距,因而在經溫差T熱震之后產生熱應力。當熱應力超過陶瓷材料的強度時便產生開裂,當熱應力超過涂層與基體間的結合力時便產生涂層的剝落。抗熱震性一般用循環淬水法測定,

12、以試驗的循環次數表征涂層抗熱震性的優劣。87殘余應力9涂層內的殘余熱應力主要是界面剪應力和層內劉福田,等:涂層材料性能測試技術平行界面的拉(壓)應力。剪應力過大引起界面開裂。殘余應力與涂層和基體的熱膨脹系數差成正比,是影響涂層殘余應力的主要因素。當涂層的熱膨脹系數大于基體時,在涂層形成拉應力,產生垂直界面的裂紋,對材料性能不利。當基體的熱膨脹系數大于涂層時,在涂層內形成殘余壓應力,有利于提高涂層的物理機械性能,但差值不宜過大,否則界面開裂。涂層厚度對殘余熱應力也有一定影響。涂層材料中殘余應力可用懸臂法、光干涉法、幾何光學法、電阻應變法等測試10用,收到的是載有熱波信息的聲信號,成像特征來源于樣

13、品的不同熱物性所造成的熱波變化。對結構完整、致密的材料,由于組分不同,導熱能力、熱容量和熱膨脹系數都不同,最終在樣品內產生應力,電子聲像就可探測此應力的分布,從而檢驗材料內部熱學和力學性能的匹配特性和評估成分分布曲線的優化設計。8涂層結合強度1315。常用方法如下11:涂層與基體的結合強度是評價涂層質量最關鍵的指標,是保證涂層滿足機械、物理和化學等使用性能的前提。有效的涂層結合強度測試方法應滿足:(1)能使涂層從基體剝離并有良好的物理模型;(2)可準確測定有關力學參量,試驗值對界面狀態敏感并和其它非界面因素如涂層、基體特性等無關。然后才是方法簡單易行,可無損檢測,易于自動化和標準化等。現行的涂

14、層結合強度測試方法可歸納為定性和定量兩大類。定性法以經驗判斷和相對比較為主,一般難以給出力學參量,但簡單快速,一般不需專門設備。定性方法大多是破壞性的,不適合產品零件的質量檢驗。定量的方法有粘結拉伸法、壓入法、斷裂力學法和動態結合強度測定方法等。壓痕試驗法、劃痕試驗法等比較適合于薄膜涂鍍層。8.1粘結拉伸法目前普遍采用,各國制定了類似的試驗標準。將涂層試樣與配副膠粘起來進行拉伸,涂層被拉脫時的載荷與涂層面積之比為結合強度。此法較簡單,能在質量控制方面作出較好評價,但也有不足:(1)粘結劑的抗拉強度必須高于涂層的結合強度,因此,只適于低中結合強度測量;(2)涂層內晶粒之間為內聚性斷裂,而涂層與基

15、體之間屬粘結性斷裂。拉伸試驗時,可能是內聚性和粘結性斷裂共存的混合性斷裂。此時的結合強度測定值不純真,包含了涂層本身的強度,無法保證測出真正的結合強度值;(3)加載方式不是涂層使用時的典型應力狀態,因而涂層的使用性能可能與測得的結合強度無直接關系;(4)試樣加載不對中、試樣尺寸、粘結劑滲入涂層細孔、粘結劑固化改變殘余應力分布等因素會影響測量值,使試驗結果分散,需大量試驗并統計分析后才能對結合強度作出較好的評價。此外,該法屬破壞性試驗,生產中質量控制不便。8.2界面壓入法7.1普通X射線衍射法(sin2法)以X射線為入射束,以晶面間距為殘余應變的度量。當材料中存在殘余應力時,晶面間距將發生變化,

16、發生布拉格衍射時,衍射峰也將隨之發生移動,且移動距離大小與應力大小相關。因此,由衍射峰位2的變化,可求出殘余應力值。該法僅適于涂層殘余應力的粗略測定。7.2中子衍射法以中子流為衍射束照射涂層材料,符合布拉格條件時,產生衍射,由衍射峰位變化,求出殘余應力。該法適于大塊試樣,具有較大優越性,但也存在明顯不足:中子源獲得較困難;中子衍射區域較大,測小試樣誤差較大;測出的是試樣內部的平均殘余應力,對殘余應力分布狀態、界面處的殘余應力分布狀態,如界面處的殘余應力分布梯度等無能為力。7.3X射線能量擴散衍射法以同步回旋加速器的高能白光X射線為入射束,由固體探測器測量衍射束的能量測定材料內部的殘余應變,從而

17、測出殘余應力。該法通過準直狹縫校準入射束及衍射束,控制衍射體積,提高分辨率,可測材料中各方向的殘余應力,而且可確定殘余應力場梯度,具有很大優越性。但對設備要求苛刻,實際應用受到限制。7.4掃描電子聲顯微鏡(SEAM)應力分析12SEAM成像技術是目前直接觀察和顯示材料中應力分布的有效方法。能量受調制的電子束入射到材料樣品,與樣品相互作用,產生熱波。該熱波是高阻尼波,傳播距離很短(幾m),強度與熱源區內樣品的導熱性有關,而且當熱波遇到晶界和微裂紋等缺陷時,會發生反射和散射。高阻尼熱波不易探測,但在熱波的周期性作用下,樣品內部引起的與熱波同頻率的彈性應變-聲波,可用壓電探測器探測,并獲得與樣品熱物

18、性有關的信息。聲波只起載體作劉福田,等:涂層材料性能測試技術通過維氏壓頭將一定載荷作用在涂層與基體界面上使之開裂。根據界面處裂紋長度衡量結合強度,長度越短,結合強度越高;或者測定不同固定載荷下界面裂紋的長度,通過斷裂力學分析,用臨界應變能釋放率GC和界面韌性KC表征結合強度。該法測定裂紋長度是在卸載后進行,由于存在裂紋閉合效應和裂紋長度測試準確性的影響,測得的裂紋長度不一定是在試驗載荷下裂紋的真實長度。加載、卸載過程中的彈塑性變形行為、涂層的開裂和剝落等情況缺乏動態檢測。最新進展是采用專用的涂層壓入儀,它具有連續加、卸載功能,聲發射動態監測壓入過程和涂層開裂。用開裂時的臨界載荷PC值表征結合強

19、度。該法可用一般的維氏硬度計進行,無須特別準備試樣,較好地解決了粘結拉伸法不能測定高結合強度涂層和斷裂部位不在涂層與基體界面等問題,是一種具有優勢的方法。8.3斷裂力學法這是涂層結合強度測定中,既能反映內聚強度,又能反映粘結(結合)強度的方法。應用較多的是懸臂梁法(DCB),將涂層試樣與無涂層試樣粘結成復合試樣測試。該法能了解涂層粘結特性,區分內聚性和粘結性斷裂,還能了解涂層失效機制;另外,涂層的斷裂力學參量G1c等對涂層的晶粒形狀和大小、孔隙、裂紋等顯微組織特性變化敏感。因此,該法可為研究涂層特性和涂層斷裂失效機制與原料粉末性能、制備工藝、組織等之間的關系,優化涂層工藝和指導涂層設計提供有用

20、的手段。由于涂層幾何的特殊性,測定復合試樣時,線彈性斷裂力學所要求的各向同性和連續性假設只能做特殊的定義,這是該測試法的特殊之處,也是試驗方法上需進一步解決的問題;另一個問題是試樣制作較困難。8.4動態結合強度測試法整體材料在動態與靜態下使用性能不同。同樣,涂層材料大多在耐熱、耐磨等動態條件下使用,其使用壽命顯然與動態性能相關。研究表明,靜、動態結合強度有很大的差異動態,結合強度試驗更接近涂層服役狀況,更能反映涂層的實際使用壽命。該法主要有拉-拉動態加載法、循環加載接觸疲勞法、熱循環法等。動態條件下測定和評價涂層的結合性能,預測服役過程中涂層壽命的研究,對于涂層使用壽命考核和工程設計具有重要指導意義。9結語涂層技術作為材料表面技術的重要手段能夠制備各種功能涂層,用極少量的材料起到大量、昂貴的整體材料難以起到作用,同時又極大地降低產品的成本。表面涂層技術的最大優勢是能夠以多種方法制備出優于本體材料性能的表面功能薄層,使零件具有比本體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等性能。近年來,涂層材料的性能測試技術已有很大發展,成功地解決了涂層性能測試方面的一些關鍵問題,但與涂層技術的實際需要還有很大差距。涂層材料性能測試技術應向著定量準確、設備簡單、操作方便、盡量不破壞試樣,并易于實現自動化和標準化的方向發展。參考文獻:1陳傳忠,等.激光熔覆Al2O3-NiCrAl層的脆性及摩擦磨