CN106990043A - 一种金属覆层界面结合强度测量装置及方法 - Google Patents

一种金属覆层界面结合强度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属覆层界面结合强度测量装置及方法，该装置包括试样，所示试样包括基体、基体试块，基体中心设有通孔，通孔两端设有同轴双沉头装配孔，基体试块由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体插入双沉头装配孔的通孔内，下段圆柱体插入双沉头装配孔的下端沉头孔，金属覆层熔覆于下段圆柱体和基体的下端面，将金属覆层置于卡盘支撑座的卡盘内腔，并通过卡盘支撑座支撑基体，上段圆柱体上端与定位杆螺纹连接，定位杆上方设有压盘。该测量方法通过对压盘施加压力进行推离实验，根据金属覆层脱离基体时压力大小以及金属覆层与基体的接触面积来计算金属覆层界面结合强度。本发明可防止试样从热影响区断裂，真实反映界面结合强度。

Description

一种金属覆层界面结合强度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及金属覆层界面结合强度的测量装置，及覆层界面结合强度测量方法，尤其涉及激光熔覆层和堆焊层界面结合强度的检测技术领域。
背景技术
废旧零部件引发的一系列问题促进了再制造技术的发展，再制造成形技术是再制造技术的核心，通过在破损零件表面添加修复材料，最终恢复废旧零部件尺寸，恢复甚至提升其服役性能。与热喷涂、电刷镀等再制造成形技术相比，激光沉积及堆焊修复层与基体呈冶金结合，修复层不易剥落，常用于服役工况恶劣的零件修复，但修复层高度的增加及覆层材料与基体材料的热物性参数差异，使得修复层内残余应力累加，界面处裂纹敏感性增加，易发生断裂。覆层材料的服役性能直接影响修复零件的服役寿命，因此，评定金属覆层的界面结合强度成为评价金属覆层质量及寿命的重要参数。
目前对于激光熔覆及堆焊法得到的金属覆层，未有相关标准测量其界面结合强度，常使用一般涂层的界面结合强度测试方法测量，如拉伸法、弯曲法、压痕法、剥离法等，但以上方法主要适用于非冶金结合的薄涂层，或仅能通过半定量的方法表征覆层的界面结合强度，并且激光熔覆及堆焊覆层的热影响区强度较小，在破坏性测试方法中，热影响区先于界面断裂，难以得到界面处的结合强度。因此，现有的界面结合强度测量方法用于厚覆层及高强度材料有很大的局限性，难以得到覆层的界面结合强度。
发明内容
发明目的：本发明旨在克服现有测试金属覆层界面结合强度的不足，提出一种金属覆层界面结合强度测量装置及方法，针对于激光熔覆及堆焊修复层特点，可精确、定量测得界面结合强度，且测试装置结构及试样具有结构简单、易于制造、测试效率高的优点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种金属覆层界面结合强度测量装置，包括压盘、定位杆、试样、卡盘支撑座；所示试样包括金属覆层、基体、基体试块，基体中心设有通孔，通孔两端设有同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体上端面的上端沉头孔和位于基体下端面的下端沉头孔；基体试块由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体插入通孔内，下段圆柱体插入下端沉头孔，下段圆柱体和基体的下端面重合，金属覆层熔覆于下段圆柱体和基体的下端面，并且金属覆层外缘位于基体的下端面边缘内侧，将金属覆层置于卡盘支撑座的卡盘内腔，并通过卡盘支撑座支撑基体，上段圆柱体上端与定位杆的下端螺纹连接，定位杆的上方设有压盘，压盘的上端与万能试验机相连。
进一步的，所述金属覆层呈圆柱形，金属覆层与基体试块的圆柱轴心重合；所述卡盘支撑座包括卡盘，在卡盘的上端面设有四个位置可调的卡爪，卡爪上表面与基体的下端面贴合，卡爪前端设有弧形槽口，通过四个卡爪前端的弧形槽口组成可容纳金属覆层的卡盘内腔。
一种金属覆层界面结合强度测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、制备基体，在基体中心加工通孔，在通孔两端加工同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体上端面的上端沉头孔和位于基体下端面的下端沉头孔；
步骤2、制备基体试块，基体试块由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体外径与通孔相匹配，下段圆柱体外径与下端沉头孔相匹配，在上段圆柱体的上端加工出螺纹孔；
步骤3、将基体试块的上段圆柱体插入基体的圆形通孔中，下段圆柱体插入下端沉头孔，并保证下段圆柱体和基体的下端面重合，将调平螺栓安装在上段圆柱体上端的螺纹孔内，使基体和基体试块相对固定，对下段圆柱体和基体的下端面进行磨床打磨，去除表面杂质；
步骤4、通过激光熔覆及堆焊法在下段圆柱体和基体的下端面熔覆金属覆层，熔覆结束后，下段圆柱体和基体通过金属覆层固定在一起；
步骤5、卸下调平螺栓，安装定位杆，将定位杆的下端与基体试块的上段圆柱体上端螺纹连接，将金属覆层加工成与基体试块同心的圆柱形，并保证金属覆层外圆位于基体的下端面边缘内侧；
步骤6、调节卡盘支撑座的四个卡爪的位置，将金属覆层放入四卡爪围成的卡盘内腔，卡爪上表面与基体的下端面贴合；
步骤7、在定位杆上方安装压盘，将压盘与万能试验机相连；
步骤8、启动万能试验机对压盘施加压力进行推离实验，通过万能试验机传感器得到应力-应变曲线，记录金属覆层脱离基体时的压力，采用δ＝F/A，测得试样的金属覆层界面结合强度；其中，δ为金属覆层界面结合强度，F为所金属覆层脱离基体时压力的大小，A为金属覆层的上端与基体的下端面的接触面积；
步骤9、按照步骤1至8的方式，再重复测量多个试样，对所有试样的金属覆层界面结合强度测量结果取平均值。
进一步的，步骤1中：通孔直径为18mm，上端沉头孔直径为26mm、深度为6mm，下端沉头孔直径为22mm、深度为1mm；
步骤2中：上段圆柱体直径为18mm、高度为13mm，下段圆柱体直径为22mm、高度为1mm，螺纹孔直径为8mm、深度为6mm；
步骤5中：金属覆层301的直径为24mm。
有益效果：本发明为金属覆层界面结合强度的定量测量提供了一种可行的测试装置和方法，可以防止试样从热影响区断裂，使得测试结果真实反映界面结合强度，且该发明适用可适用于多厚度、大面积金属覆层界面结合强度测量。
附图说明
图1是本发明金属覆层界面结合强度的测量装置结构爆炸图；
图2是试样的剖面结构图；
图3是四爪卡盘支撑座部件图；
图4是调平螺栓的安装示意图。
图中标号：1-压盘，2-定位杆，3-试样，4-卡盘支撑座，5-调平螺母，301-金属覆层，302-基体，303-基体试块，304-上端沉头孔，305-下端沉头孔，306-通孔，401-卡爪，402-卡盘。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至3所示，本发明的一种金属覆层界面结合强度测量装置，包括压盘1、定位杆2、试样3、卡盘支撑座4。所示试样3包括金属覆层301、基体302、基体试块303，基体302中心设有通孔306，通孔306两端设有同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体302上端面的上端沉头孔304和位于基体302下端面的下端沉头孔305。基体试块303由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体插入通孔306内，下段圆柱体插入下端沉头孔305，下段圆柱体和基体302的下端面重合，金属覆层301熔覆于下段圆柱体和基体302的下端面，并且金属覆层301外缘位于基体302的下端面边缘内侧，将金属覆层301置于卡盘支撑座4的卡盘内腔，并通过卡盘支撑座4支撑基体302，上段圆柱体上端与定位杆2的下端螺纹连接，定位杆2的上方设有压盘1，压盘1的上端与万能试验机相连。
如图2和3所示，所述金属覆层301呈圆柱形，金属覆层301与基体试块303的圆柱轴心重合；所述卡盘支撑座4包括卡盘402，在卡盘402的上端面设有四个位置可调的卡爪401，卡爪401上表面与基体302的下端面贴合，卡爪401前端设有弧形槽口，通过四个卡爪401前端的弧形槽口组成可容纳金属覆层301的卡盘内腔。
如图1至4所示，本发明的一种金属覆层界面结合强度测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、制备基体302，在基体302中心加工通孔306，在通孔306两端加工同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体302上端面的上端沉头孔304和位于基体302下端面的下端沉头孔305，本实施例中，通孔304直径为18mm，上端沉头孔304直径为26mm、深度为6mm，下端沉头孔305直径为22mm、深度为1mm；
步骤2、制备基体试块303，基体试块303由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体外径与通孔306相匹配，下段圆柱体外径与下端沉头孔305相匹配，在上段圆柱体的上端加工出螺纹孔，本实施例中，上段圆柱体直径为18mm、高度为13mm，下段圆柱体直径为22mm、高度为1mm，螺纹孔直径为8mm、深度为6mm；
步骤3、将基体试块303的上段圆柱体插入基体302的圆形通孔中，下段圆柱体插入下端沉头孔305，并保证下段圆柱体和基体302的下端面重合，将调平螺栓5安装在上段圆柱体上端的螺纹孔内，使基体302和基体试块303相对固定，对下段圆柱体和基体302的下端面进行磨床打磨，去除表面杂质；
步骤4、通过激光熔覆及堆焊法在下段圆柱体和基体302的下端面熔覆金属覆层301，熔覆结束后，下段圆柱体和基体302通过金属覆层301固定在一起；
步骤5、卸下调平螺栓5，安装定位杆，将定位杆2的下端与基体试块303的上段圆柱体上端螺纹连接，将金属覆层301加工成与基体试块303同心的圆柱形，并保证金属覆层301外圆位于基体302的下端面边缘内侧，本实施例中，金属覆层301的直径为24mm；
步骤6、调节卡盘支撑座4的四个卡爪401的位置，将金属覆层301放入四个卡爪401围成的卡盘空腔，卡爪401上表面与基体302的下端面贴合；
步骤7、在定位杆2上方安装压盘1，将压盘1与万能试验机相连；
步骤8、启动万能试验机对压盘1施加压力进行推离实验，通过万能试验机传感器得到应力-应变曲线，记录金属覆层301脱离基体302时的压力，采用δ＝F/A，测得试样3的金属覆层界面结合强度；其中，δ为金属覆层界面结合强度，F为所金属覆层301脱离基体302时压力的大小，A为金属覆层301的上端与基体302的下端面的接触面积；
步骤9、按照步骤1至8的方式，再重复测量多个试样3，对所有试样3的金属覆层界面结合强度测量结果取平均值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种金属覆层界面结合强度测量装置，其特征在于：包括压盘(1)、定位杆(2)、试样(3)、卡盘支撑座(4)；所示试样(3)包括金属覆层(301)、基体(302)、基体试块(303)，基体(302)中心设有通孔(306)，通孔(306)两端设有同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体(302)上端面的上端沉头孔(304)和位于基体(302)下端面的下端沉头孔(305)；基体试块(303)由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体插入通孔(306)内，下段圆柱体插入下端沉头孔(305)，下段圆柱体和基体(302)的下端面重合，金属覆层(301)熔覆于下段圆柱体和基体(302)的下端面，并且金属覆层(301)外缘位于基体(302)的下端面边缘内侧，将金属覆层(301)置于卡盘支撑座(4)的卡盘内腔，并通过卡盘支撑座(4)支撑基体(302)，上段圆柱体上端与定位杆(2)的下端螺纹连接，定位杆(2)的上方设有压盘(1)，压盘(1)的上端与万能试验机相连。
2.根据权利要求1所述的一种金属覆层界面结合强度测量装置，其特征在于：所述金属覆层(301)呈圆柱形，金属覆层(301)与基体试块(303)的圆柱轴心重合；所述卡盘支撑座(4)包括卡盘(402)，在卡盘(402)的上端面设有四个位置可调的卡爪(401)，卡爪(401)上表面与基体(302)的下端面贴合，卡爪(401)前端设有弧形槽口，通过四个卡爪(401)前端的弧形槽口组成可容纳金属覆层(301)的卡盘内腔。
3.一种金属覆层界面结合强度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、制备基体(302)，在基体(302)中心加工通孔(306)，在通孔(306)两端加工同轴双沉头装配孔，同轴双沉头装配孔包括位于基体(302)上端面的上端沉头孔(304)和位于基体(302)下端面的下端沉头孔(305)；
步骤2、制备基体试块(303)，基体试块(303)由同心的上段圆柱体和下段圆柱体组成，上段圆柱体外径与通孔(306)相匹配，下段圆柱体外径与下端沉头孔(305)相匹配，在上段圆柱体的上端加工出螺纹孔；
步骤3、将基体试块(303)的上段圆柱体插入基体(302)的圆形通孔中，下段圆柱体插入下端沉头孔(305)，并保证下段圆柱体和基体(302)的下端面重合，将调平螺栓(5)安装在上段圆柱体上端的螺纹孔内，使基体(302)和基体试块(303)相对固定，对下段圆柱体和基体(302)的下端面进行磨床打磨，去除表面杂质；
步骤4、通过激光熔覆及堆焊法在下段圆柱体和基体(302)的下端面熔覆金属覆层(301)，熔覆结束后，下段圆柱体和基体(302)通过金属覆层(301)固定在一起；
步骤5、卸下调平螺栓(5)，安装定位杆，将定位杆(2)的下端与基体试块(303)的上段圆柱体上端螺纹连接，将金属覆层(301)加工成与基体试块(303)同心的圆柱形，并保证金属覆层(301)外圆位于基体(302)的下端面边缘内侧；
步骤6、调节卡盘支撑座(4)的四个卡爪(401)的位置，将金属覆层(301)放入四个卡爪(401)围成的卡盘空腔，卡爪(401)上表面与基体(302)的下端面贴合；
步骤7、在定位杆(2)上方安装压盘(1)，将压盘(1)与万能试验机相连；
步骤8、启动万能试验机对压盘(1)施加压力进行推离实验，通过万能试验机传感器得到应力-应变曲线，记录金属覆层(301)脱离基体(302)时的压力，采用δ＝F/A，测得试样(3)的金属覆层界面结合强度；其中，δ为金属覆层界面结合强度，F为所金属覆层(301)脱离基体(302)时压力的大小，A为金属覆层(301)的上端与基体(302)的下端面的接触面积；
步骤9、按照步骤1至8的方式，再重复测量多个试样(3)，对所有试样(3)的金属覆层界面结合强度测量结果取平均值。
4.根据权利要求4所示的一种金属覆层界面结合强度测量方法，其特征在于：
步骤1中：通孔(304)直径为18mm，上端沉头孔(304)直径为26mm、深度为6mm，下端沉头孔(305)直径为22mm、深度为1mm；
步骤2中：上段圆柱体直径为18mm、高度为13mm，下段圆柱体直径为22mm、高度为1mm，螺纹孔直径为8mm、深度为6mm；
步骤5中：金属覆层(301)的直径为24mm。
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