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(chē)、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(wèn)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(lái)表征熱噴涂 層。使用熱噴涂技術(shù)形成的涂層具有*的微觀(guān)結(jié) 構(gòu)，呈現(xiàn)出不同于基體材料的特性。 不同類(lèi)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(wèn)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(shù)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(shù)脂材料中。

通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(lái)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(guān)察到不同類(lèi)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(kāi)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(lái)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(lèi)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(méi)有觀(guān)察到其他失效形 式，則可以通過(guò)測(cè)量錐形斷口的角度來(lái)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(lái)區(qū)分樣品。 2. 如果沒(méi)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(méi)有產(chǎn)生結(jié)合力失效，涂層內(nèi)部也沒(méi) 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(shù)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(lái)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(shù)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(guò)自由表面斷口角度的 大小來(lái)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(mén)S3>TS1>TS2>TS4。 結(jié)論 劃痕測(cè)試技術(shù)可以用來(lái)表征熱噴涂層的內(nèi)聚力和結(jié)合 力強(qiáng)度。通過(guò)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(lái)增加熱涂 層的結(jié)合力和內(nèi)聚力強(qiáng)度。 Retc Instruments致力于開(kāi)發(fā)相關(guān)的測(cè)試手段來(lái)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(guān)的劃痕測(cè)量。

材料表面性能綜合測(cè)試平臺(tái):SMT-5000