CN101109696A - 界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种检测技术领域的界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法。本发明利用外加载荷推动镶入基体中的楔形块，使附着在楔形块与基体共同表面上的涂层挠曲，促使裂纹在涂层与基体界面萌生扩展，通过显微观察设备，从试样的侧面或表面直接观察裂纹几何形状，通过断裂力学计算出涂层附着强度。该测试方法克服了现有涂层附着强度测试方法测试试样制备复杂、涂层与基体界面受到污染、膜基界面裂纹不能直接观察缺点，提供了一种简单、快速的定量测量涂层附着强度的方法。

Description

界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种检测技术领域的方法，具体是一种界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法。

背景技术

材料表面改性是当前材料科学与工程一个重要的研究领域，通过在基体材料表面附着一层涂层，改善基体材料的耐磨性能与抗腐蚀性能，提高材料的使用寿命。但是低的涂层附着强度往往导致涂层在各种应力作用下脱离基体，缩短材料的服役期。因此涂层的附着强度是涂层一个重要的性能参数。为准确表征涂层附着强度，在过去十年中进行了大量关于如何测量涂层附着强度的研究，提出了许多定性或定量的涂层附着强度测试方法，如划痕法、鼓泡法等。划痕法是通过硬质压头在涂层表面滑动，同时在压头上施加压力并随压头的移动不断增加，促使涂层脱离基体表面。通过声发射信号或摩擦力判断涂层是否脱离基体表面，将涂层最初脱离基体时压头受到的下压载荷定义为临界载荷，以临界载荷值定性衡量涂层附着强度。缺陷在于临界载荷只是涂层附着强度的间接反映量。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号CN1540309A，公开日2004年10月27日，发明的名称为《内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术》，该专利公开了利用压力油从基体背面预加工的窗口容腔内对涂层施加压强，使涂层受到均布载荷的作用产生变形，再根据帕斯卡定律及板壳理论推导出涂层附着强度的定量测试方法。但是该方法不足之处是：在基体背面加工窗口容腔，需要通过显微加工，试样制作工艺复杂；光刻显微加工方法难于应用与金属基体；容腔中的压力油对涂层与基体界面产生污染；涂层脱离基体后产生的界面裂纹不能直接观察，只能通过激光干涉条纹间接测量脱离区面积，测量误差受到光源波长的限制。由此可见，以上方法都有一定的缺陷，为更加准确的测量涂层附着强度，需要进一步完善对涂层附着强度定量测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术的不足，提供一种利用涂层界面裂纹扩展阻力的测试方法。本发明具有简单、快速的定量测量涂层附着强度的优点。

本发明是通过以下技术方案实现，本发明利用外加载荷推动镶入基体中的楔形块，使附着在楔形块与基体共同表面上的涂层挠曲，促使裂纹在涂层与基体界面萌生扩展，通过显微观察设备，从涂层基体侧面直接观察裂纹几何形状，通过断裂力学计算出涂层附着强度。

本发明具体方法步骤为：

①在涂层基体中预制一楔形槽；

②使用相同几何形状的楔形块，并与楔形槽紧密配合；

③在基体带有楔形块的一侧表面附着一层涂层；

④通过加载系统推动楔形块，使产生竖直方向的位移，导致涂层与基体界面出现裂纹；

⑤利用显微观察设备从被测物的截面或表面直接观测裂纹形貌，测量裂纹形状参数；

⑥将裂纹几何形状参数与涂层力学参数代入断裂理论模型，计算出界面裂纹扩展阻力G，以裂纹扩展阻力G值来定量表征涂层附着强度。

步骤⑤中，所述的显微观察设备，可以是光学显微镜、扫描电镜或超声显微镜等。

步骤⑥中，所述的界面裂纹扩展阻力G：

$G=\frac{q^2}{4D}{(3a+b)}^2$

其中：

$q=w/[\frac{a^3-b^3}{6D}+\frac{a^{2}b-{\mathrm{ab}}^2}{D}-\frac{{(a-b)}^3}{4D}]$

$D=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-v^2)}$

a为对称裂纹一半长度，b为楔形块一半长度，w为楔形块竖直与涂层表面的位移，E和v为涂层弹性模量和泊松比。

本发明的原理：在基体制作一楔形槽，并用相同几何形状的楔形块同槽紧密配合；应用热喷涂等涂层制备方法在基体的表面附着一层涂层，利用加载装置推动同楔形块，使楔形块发生竖直与涂层表面方向的位移，促使涂层与基体界面产生裂纹；通过断裂力学计算出界面裂纹扩展阻力，将界面裂纹长度a、楔形块位移w、楔形块长度b，以及涂层厚度h、涂层弹性模量E与泊松比v代入公式中，求出界面裂纹扩展阻力，以裂纹扩展阻力的值表征涂层附着强度。

与现有技术相比，本发明测试简单，仅需要利用机加工方式制备出一由楔形块与基体形成的共同表面，作为涂层的附着面，避免现有技术中鼓泡法需要光刻、化学腐蚀等微加工繁琐工艺；利用外加载荷顶出楔形块，促使界面产生裂纹，避免现有技术方法中提供压力的液压油同薄膜层直接接触，污染涂层与基体界面的缺点；同时本发明方法可以利用各种观察设备在试样截面或表面直接观测界面裂纹，丰富了测量方法，提高了测量精度，具体精度同观察设备分辨率有关，在放大1万倍条件下，可以精确到0.1μm，突破了应用光衍射法裂纹长度测量精度仅为光源半波长的限制。因此，本发明方法有利于对涂层附着强度实现快速、准确的测量。

附图说明

图1是本发明楔形块与带楔形槽基体紧密配合时的结构示意图

图2是图1的侧视图

图3是本发明界面裂纹产生时的结构示意图

图4是图3的侧视图

其中1-涂层，2-楔形块，3-基体

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图4所示，本实施例可按照以下步骤进行：

第一步：在没有附着涂层的基体3上应用机械加工方法制作一楔形槽，同时制备一个同楔形槽可以紧密配合的楔形块2。

第二步：将楔形块2放入槽中，形成光滑的表面。

第三步：利用涂层工艺，在基体3同楔形块2相配合的表面附着一层涂层1。

第四步：通过加载系统推动楔形块2，使其产生竖直方向的位移，导致涂层1与基体3界面出现裂纹。

第五步：将界面裂纹长度a、楔形块位移w、楔形块长度b，以及涂层厚度h、涂层弹性模量E与泊松比v代入公式(1)-(3)中，求出界面裂纹扩展阻力，以裂纹扩展阻力的值表征涂层附着强度。

$G=\frac{q^2}{4D}{(3a+b)}^2---\left(1\right)$

$q=w/[\frac{a^3-b^3}{6D}+\frac{a^{2}b-{\mathrm{ab}}^2}{D}-\frac{{(a-b)}^3}{4D}]---\left(2\right)$

$D=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-v^2)}---\left(3\right)$

应用热喷涂方法，在带有长8mm楔形块的304不锈钢基体表面喷涂一层厚度h为0.4mm的WC涂层，楔形块的一半长度b为4mm。已知WC涂层的弹性模量E和泊松比v为185GPa和0.25。利用电磁铁的电磁力推动楔形块，使其发生竖直与涂层表面方向的位移，并促使WC涂层挠曲产生界面裂纹。通过光学显微镜在试样侧面直接观测裂纹，得到裂纹总长为31mm，因此对称裂纹一半长度a为15.5mm。涂层脱离基体区中心部分挠曲w为0.1mm。

利用公式(1)-(3)，得到本实施例的裂纹扩展阻力G为7.55J/m²。因此，本实施例中WC涂层的附着强度为7.55J/m²，实现了对涂层附着强度快速、准确的测量。

Claims (4)

1.一种界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法，其特征在于，利用外加载荷推动镶入基体中的楔形块，使附着在楔形块与基体共同表面上的涂层挠曲，促使裂纹在涂层与基体界面萌生扩展，通过显微观察设备，从试样的截面或表面直接观察裂纹几何形状，通过断裂力学计算出涂层附着强度。

2.如权利要求1所述的界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法，其特征是，具体方法步骤为：

①在涂层基体中预制一楔形槽；

②使用相同几何形状的楔形块，并与楔形槽紧密配合；

③在基体带有楔形块的一侧表面附着一层涂层；

④通过加载系统推动楔形块，使产生竖直方向的位移，导致涂层与基体界面出现裂纹；

⑤利用显微观察设备从被测物的侧面直接观测裂纹形貌，测量裂纹几何形状参数；

⑥将裂纹几何形状参数与涂层力学参数代入断裂理论模型模型，计算出界面裂纹扩展阻力G，以裂纹扩展阻力G值来定量表征涂层附着强度。

3.如权利要求2所述的界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法，其特征是，步骤⑤中，所述的显微观察设备，是光学显微镜、扫描电镜，或超声显微镜。

4.如权利要求2所述的界面裂纹扩展阻力表征涂层附着强度的测试方法，其特征是，步骤⑥中，所述的界面裂纹扩展阻力G：

$G=\frac{q^2}{4D}{(3a+b)}^2$

其中：

$q=w/[\frac{a^3-b^3}{6D}+\frac{a^{2}b-{\mathrm{ab}}^2}{D}-\frac{{(a-b)}^3}{4D}]$

$D=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-v^2)}$

a为对称裂纹一半长度，b为楔形块一半长度，w为楔形块竖直与涂层表面的位移，E和v为涂层弹性模量和泊松比。