CN109342219A - 一种涂层剪切强度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。装置包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机、减速器、丝杠、导轨和压头组成，该伺服电机、减速器、导轨固定在支座上，伺服电机与减速器水平连接，减速器与丝杠水平连接，丝杠通过两个自带支撑置于导轨上，压头固定在丝杠上。本发明具有可施加大载荷的能力，可对较大尺寸、较大剪切强度的试样进行测试，可以避免小尺寸试样引入的尺寸效应和较大剪切强度难以界面分离的问题。本测试装置检测的涂层界面结合面积不小于100mm²、可测试的剪切强度不小于100MPa。

Description

一种涂层剪切强度测试装置

技术领域

本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。

背景技术

涂层与基体的界面力学性能是表征涂层使用性能的关键评价对象，界面力学性能包括界面结合强度和截面剪切强度，其中界面结合强度是指抵抗涂层与基体法向分离的能力，界面剪切强度是抵抗涂层与基体切向滑移分开的能力。涂层界面力学性能优劣直接影响涂层承载能力，是涂层性能评价的重要对象。

对于涂层界面剪切强度，国外均有标准形成了检测方法，主要有2种检测方法，第一种为压入法，试验加载装置为万能试验机或相同功能设备，通过借助特定的圆柱形夹具辅才能开展实验，规定的可检涂层厚度为0.8mm～1.1mm，无法实施对涂层厚度或结构尺寸较大的产品涂层的结合性能进行检测；另一种粘接剂将涂层粘结在对偶件上，在置于万能试验机或相同功能设备然后进行拉伸试验，通过涂层发生剪切破坏测定剪切强度。

沈肖镇研究说明使用E-7胶作为粘接剂时对涂层的影响深度达到0.13mm，研究介绍当涂层厚度大于0.15mm时不受粘结剂影响，而且涂层厚度对涂层界面力学性能存在影响，涂层约厚，涂层结合性能越差；因此对于测试涂层剪切强度的第二种方法而言也存在明显劣势，即在涂层厚度小于0.15mm不适宜用第二种方法进行测试。

非涂层类材料剪切强度测试标准多采用三点弯曲方法进行试验或采用压入法使用特殊几何形状试样进行试验，但是这些方法均适用于整体较均匀的材料或复合材料，不适合涂层材料的测试。

温州大学的廖宁波等人申请了“一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法”(申请号为CN106202747A)通过基于不同的势函数表征基体内部、涂层内部和基体与涂层之间的原子相互作用，使用大规模MD模拟计算裂纹附近的应力和位移参数，获得涂层和基体各自的界面TSL函数。但是该方法主要用于涂层结构的初始理论设计，不是用于涂层界面力学性能的评价。

江苏大学的朱建国等人申请了“一种热障涂层界面结合强度的测量方法”(申请号为CN107345898A)使用微型加载机开展三点弯曲试验获取应力应变数据，结合数字图像相关法表征裂纹状态，通过揉度法计算能量释放率，是通过界面裂纹能量释放率来评价截面结合强度。但是界面裂纹能量释放率是一种间接手段表征涂层界面结合性能，是对结合强度和剪切强度的间接综合表征，不能单独给出剪切强度的具体值，而且对所需的辅助检测设备和理论分析能力要求较高，且可靠性需要进一步评估验证，工程可应用能力较低。

深圳高品检测设备有限公司的陈光明等人申请了“一种涂层力学性能试验装置”(申请号为CN2783316Y)，装置利用维氏硬度原理即对试样进行施加预载荷、主载荷、保持总载荷及卸载荷历程，实现机械压痕、扭转、拉伸、弯曲、双拉和剪切等力学性能，其中未明确说明剪切性能的测试方法，但结合设备结构图可知其试验设备仅包括四点弯曲装置和扭转装置，说明专利中设备是采用四点弯曲装置或者扭转装置进行的剪切性能测试，难以对界面剪切强度进行直接测量，另外专利中也介绍需要光学摄像仪和声发射动态监测仪记录试验过程中的各种参数，说辅助试验设备也比较负载，且给出的结果仅为试验参数，要获得涂层界面力学性能尤其是界面剪切强度更需要扎实的理论知识基础，不适用于涂层界面性能的快速评价。

南华大学的邱长军等人申请了“涂层截面结合强度测试件”(公开号为CN205483844 U)，通过设备带槽的夹具与涂层构件组成十字交叉试样，能够比较好的是载荷传递给界面，但是夹具有涂层构件之间通过粘结剂粘结，对于薄涂层不能排除粘结剂对涂层的作用，另外不易控制粘结后涂层界面与夹具槽边界的对应转台，对测试结果产生一定影响。

航天科工防御技术研究试验中心的辛燕等人申请了“防热涂层拉伸剪切强度测试模型及其制作方法”(公布号为CN 102954910 B)其介绍的测试模型与涂层粘结后搭接状态测试剪切应力的试验过程相似，区别在于涂层为有机物，通过固化具有粘结作用，及涂层形成过程中即形成粘结能力，不适用于无固化环节的涂层。

中国供方横物理研究院材料研究所的邱志聪申请了“一种测试涂层结合强度的试验装置”(公布号为CN 104764692 A)介绍了分别用于测试涂层拉伸强度和剪切强度的装置，其中用于剪切强度的测试装置是将涂层与粘结件通过粘结方式连接，并留出压块加载台阶，此夹具也能够使涂层处于剪切受力状态下测试剪切强度，但是实际涂层构件均是直接涂覆与构件表面无法单独实现涂层与粘结件的粘结连接，调节螺钉与粘结件之间在受剪切载荷作用时处于悬臂状态，难免产生变形，在变形状态下涂层承受的载荷即不仅为剪切载荷，也会有部分拉伸载荷，另外涂层在剪切破坏过程中由于内部残余应力的存在而且无表面约束还可能会在法向产生变形，影响试验结果。

中国建材检验认证集团股份有限公司的包亦望等人申请了“涂层剪切装置”(公开号为CN 205844157 U)通过特殊模具加持试样，并通过刀具对涂层施加剪切作用力，并能通过改变刀具的垫片的数量来控制测试涂层的厚度，此专利比较介绍了比较明确的装置使用方法，操作上整体较容易，但是由于通过改变垫片的数量来控制测试涂层的厚度，所以垫片的厚度直接制约着测试涂层的梯度变化，但专利中未介绍垫片的厚度，专利介绍通过对涂层试件试验载荷使其垫片件贴紧，这是这个载荷也会传递给涂层试件本身，对测试结果产生一定影响，另外，此装置仅能测试平面式样，不适用于圆柱形试样。

国外专利公布号分别为DE60304761D1、DE60304761T2、US6766696B2、US20030172749A1的四项专利为对同一装置的描述，此装置通过相互连接的水平载荷传感器和竖直载荷传感器，可同时接受剪切载荷和拉脱载荷，装置采用特殊的刀具可对涂层进行剥离处理，在剥离过程中刀具受到的力可以传递给传感器，并将载荷分为剪切载荷和拉脱载荷，根据涂层面积进一步获得涂层的粘接强度和剪切强度。但是在涂层剥离过程中涂层难免发生变形，涂层变形会对测试结果产生附加载荷作用，影响测试结果。

国外专利公布号为SU1497515A1通过两个相同涂层试样将涂层面用粘结剂粘结在一起，然后上下分别开槽，槽底部分别超过对侧试样涂层底部，在施加拉力载荷时涂层产生剪切破坏，测出涂层的剪切强度，但是受力过程中两个槽间位置难免变形，这样就会使测试结果不仅仅是剪切载荷作用，还会有涂层拉脱载荷作用。

因此，现有涂层界面剪切强度测试装置存在不适合厚度较薄、尺寸较大零件表面涂层的测试，存在不能直接给出界面剪切强度、并需要复杂观察、检测装置和理论分析辅助等问题；现有涂层界面剪切强度测试方法主要有压入法、粘结对偶件法、三点/四点弯曲法，其中压入法不适合不适合厚度较薄、尺寸较大零件表面涂层的测试，粘结对偶件法不适合厚度小于0.15mm的涂层检测，三点/四点弯曲法需要特殊辅助装置以及理论分析，均不适合涂层剪切强度检测的广泛应用。部分专门测试涂层剪切强度的装置也仍存在仅能测试平面涂层等限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂层截面剪切强度测试装置，可以测试涂层界面剪切破坏过程中的载荷及位移数据。本发明的技术解决方案是，

涂层剪切强度测试装置，包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机、减速器、丝杠、导轨和压头组成，该伺服电机、减速器、导轨固定在支座上，伺服电机与减速器水平连接，减速器与丝杠水平连接，丝杠通过两个自带支撑置于导轨上；

所述样品夹具组件包括上夹具外套、上夹具压头和下夹具，上夹具压头置于夹具外套内，夹具外套侧面开有螺纹孔，上夹具压头侧面开有通孔，下夹具上表面带有U字型台阶，台阶的深度与样品涂层的厚一致，台阶上表面与夹具外套贴合，上夹具外套和下夹具两侧边缘开有同轴孔，其中上夹具外套上的为光孔，下夹具上的为螺纹孔，上夹具外套上表面与下夹具下表面分别存在两排滚道，样品置于上夹具压头之间夹具外套，样品的涂层置于下夹具的台阶内；

所述试样台组件包括载物台、压盖、滚子、压力检测台和位移检测器，载物台固定于压力检测台，压力检测台固定在支座上，位移检测器固定于压力检测台的矩形孔内，样品夹组件置于载物台内，压盖将样品夹组件压紧在载物台内，载物台底部的上表面设置有与下夹具下表面对应的两排滚道，下表面存在四个螺纹孔，上部两侧面中部各村在一处凹槽，压盖的下面设置有与上夹具外套上表面对应的两排滚道，滚子放置在滚道内，两侧面各存在一个凸耳，压盖的上表面开有两组光孔，分别为与上夹具外套和下夹具两侧边缘开孔相对应的孔以及与载物台下表面螺纹孔对应的孔。

所述的上夹具外套和下夹具均有两条直线状滚道和4个直孔，其中上夹具外套的4个直孔为无螺纹通孔19-1，下夹具的4个直孔为带螺纹的孔。

所述下夹具的台阶高度为0.05mm～2mm，台阶的上表面加工为平面或曲面。

上夹具外套和上夹具压头为抽屉式组合结构，均开有通孔，其中上夹具外套的通孔为螺纹孔，上夹具压头的通孔为光孔。

所述下夹具与压头接触的端面上开有“V”槽，“V”槽根部倒角半径为2～3mm。

所述位移检测器为激光位移检测器。

所述载物台下侧存在4个带螺纹的通孔，载物台对应于安装位移检测器位置处存在一大一小两个窗口，小窗口对应于位移检测器的信号输出位置，大窗口30对应于位移检测器的信号接收位置。

所述压盖上存在8个无螺纹通孔，其中4个孔与载物台的螺纹孔同轴，另外4个孔与上夹具外套和下夹具两侧边缘的开孔同轴。

所述的滚道半径均相同，滚道深度均相同，滚道深度小于滚道半径。

所述的样品夹具组件和试样台组件材质为轴承钢材料。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明是一种针对涂层界面剪切性能检测的测试系统，集载荷加载、数据检测于一体，可对平面和曲面带涂层试样进行测试，适用于各类形状的构件检测。

本发明采用伺服电机作为载荷驱动来源，伺服电机具有较高速度、位置控制精度，通过不同功率伺服电机的选择可实现不同的加载能力，采用减速器降低转速和提高扭矩，通过精密丝杠作为运动控制机构，实现载荷由伺服电机的扭矩输出转变为轴向推力的转变，在导轨引导下丝杠推动样品台移动，实现对试样的加载，通过安装在试样台上的压力传感器实时获得施加的载荷。

本发明通过激光位移传感器侧检测位移变化，激光传感器具有尺寸小、精度高以及具备非接触检测能力，通过样品台大、小窗口输出和输入信号，实时获得测试过程中涂层的剪切移动情况，并对检测数据进行灵敏获取。通过载荷和位移数据的对比分析可获知试验过程中的最大载荷，根据最大载荷数据和试样界面面积计算出涂层界面剪切强度，同时可以获得，可以作为研究人员进一步深入分析界面剪切性能的基础力学性能数据。

本发明实现对涂层界面性能的直接测试，可在实际带涂层零件上直接取样，使其检测对象不限于检测平面涂层试样，也可以是曲面涂层试样，整体测试过程简单，无干扰和外界误差，可以获得涂层剪切强度的准确结果，除此之外，还可获取涂层剪切破坏过程中的载荷-位移曲线以及剪切应力-应变曲线，为深入研究界面剪切性能提供数据。本发明可以为涂层界面剪切性能提供有效的测试设备和实验方法，对涂层材料制备、涂层材料性能检测等领域将起到推动作用。

本发明具有可施加大载荷的能力，可对较大尺寸、较大剪切强度的试样进行测试，可以避免小尺寸试样引入的尺寸效应和较大剪切强度难以界面分离的问题。本测试装置目标检测的试样涂层界面结合面积不小于100mm²的试样、可测试的剪切强度不小于100MPa。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的正视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的试样夹组件整体结构示意图。

图5是本发明的试样夹组件夹持试样时的剖面示意图。

图6是本发明的试样夹组件下夹具的示意图。

图7是本发明的试样夹组件上夹具外套和上夹具压头的示意图。

图8是本发明的样品台组件整体结构示意图。

图9是本发明的样品台组件载物台和压盖的示意图。

图10是本发明的样品台组件和滚子的示意图。

图11是本发明的试样夹组件和滚子的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1至图11所示，本发明涂层剪切强度测试装置包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座，所述载荷加载组件包括伺服电机1、减速器2、丝杠3、导轨4和压头5组成，该伺服电机1、减速器2、导轨4固定在支座14上，伺服电机1输出扭矩和转速并通过减速器2水平将转速降低、将扭矩增大，减速器2输出的扭矩通过丝杠3转化为水平载荷，丝杠3通过两个自带支撑15可在导轨4上水平滑动，并将水平载荷传递至压头5，为装置提供载荷。

所述样品夹具组件包括上夹具外套6、上夹具压头7和下夹具8，上夹具压头7置于夹具外套6内，并可在夹具外套6内做“抽屉”状运动，样品31置于上夹具压头7和夹具外套6之间的间隙处，用螺栓穿过上夹具压头的通孔17旋入上夹具外套的螺孔16内，使上夹具压头7和上夹具外套6将样品基体31-1压紧，使样品处于固定状态；下夹具8上表面带有U字型台阶18，台阶的深度与样品涂层31-2的厚一致，台阶上表面与夹具外套6贴合，上夹具外套6和下夹具8两侧边缘开有同轴孔19，其中上夹具外套6上的为光孔19-1，下夹具8上的为螺纹孔19-2，用螺栓将穿过上夹具外套6的光孔19-1旋入下夹具8的螺纹孔19-2进行连接，使样品夹具组件(包括上夹具外套6、上夹具压头7、下夹具8和样品)固定为一体。

将滚子11-1放置于载物台9的滚道21内，将样品夹组件放置于载物台9内，使滚子11-1同时位于下夹具8的滚道20内，将滚子11-2放置于上夹具外套6的滚道20内，将压盖10的两个凸耳25放置于载物台9的两个槽23内，同时使滚子11-2位于压盖下侧的滚道24内，将螺栓穿过压盖10的螺孔27与载物台9螺孔22连接，使压盖将样品夹组件压紧在载物台内，然后通过压盖10的孔26将样品夹组件的螺栓取出。

启动装置载荷加载组件，驱动压头5水平移动，压头5作用于下夹具8的V形槽28内，使下夹具8发生水平运动，下夹具8作用于样品涂层31-2上并会带动上夹具外套6和上夹具压头7发生水平运动，当上夹具压头7与载物台9接触后，上夹具外套6、上夹具压头7和样品不再移动，载荷传递至压力检测台12，下夹具8继续运动，并通过位移检测器13监控下夹具8的位移变化情况，当涂层31-2发生剪切脱落后测试终止，装置载荷加载组件停止移动，即可获得涂层剪切破坏过程中的载荷-位移数据。

通过载荷-位移数据获取涂层剪切破坏过程中的最大载荷，用最大载荷除以涂层与基体的结合面积即可获得涂层的剪切强度。

Claims (10)

1.一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机(1)、减速器(2)、丝杠(3)、导轨(4)和压头(5)组成，该伺服电机(1)、减速器(2)、导轨(4)固定在支座(14)上，伺服电机(1)与减速器(2)水平连接，减速器(2)与丝杠(3)水平连接，丝杠(3)通过两个自带支撑(15)置于导轨(4)上，压头(5)固定在丝杠(3)上；

所述样品夹具组件包括上夹具外套(6)、上夹具压头(7)和下夹具(8)，上夹具压头(7)置于夹具外套(6)内，夹具外套(6)侧面开有螺纹孔(16)，上夹具压头(7)侧面开有通孔(17)，下夹具(8)上表面带有U字型台阶(18)，台阶的深度与样品涂层的厚一致，台阶上表面与夹具外套(6)贴合，上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘开有同轴孔(19)，其中上夹具外套(6)上的为光孔，下夹具(8)上的为螺纹孔，上夹具外套(6)上表面与下夹具(8)下表面分别存在两排滚道(20)，样品(31)置于上夹具压头(7)之间夹具外套(6)，样品涂层(31-2)置于下夹具(8)的台阶内；

所述试样台组件包括载物台(9)、压盖(10)、滚子(11)、压力检测台(12)和位移检测器(13)，载物台(9)固定于压力检测台(12)，压力检测台(12)固定在支座(14)上，位移检测器(13)固定于压力检测台(12)内，样品夹组件置于载物台(9)内，压盖(10)将样品夹组件压紧在载物台(9)内，载物台(9)底部的上表设置有与下夹具(8)下表面对应的两排滚道(21)，下表面存在四个螺纹孔(22)，上部两侧面中部各村在一处凹槽(23)，压盖(10)的下面设置有与上夹具外套(6)上表面对应的两排滚道(24)，滚子(11)放置在滚道内，两侧面各存在一个凸耳(25)，压盖10的上表面开有两组光孔，分别为与上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘开孔相对应的孔(26)以及与载物台下表面螺纹孔对应的孔(27)。

2.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述的上夹具外套(6)和下夹具(8)均有两条直线状滚道和4个直孔，其中上夹具外套的4个直孔为无螺纹通孔(19-1)，下夹具的4个直孔为带螺纹的孔(19-2)。

3.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述下夹具的台阶(18)高度为0.05mm～2mm，台阶的上表面加工为平面或曲面。

4.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：上夹具外套和上夹具压头为抽屉式组合结构，均开有通孔，其中上夹具外套的通孔为螺纹孔(16)，上夹具压头的通孔为光孔(17)。

5.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述下夹具与压头接触的端面上开有“V”槽(28)，“V”槽根部倒角半径为2～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述位移检测器为激光位移检测器。

7.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述载物台下侧存在4个带螺纹的通孔，载物台对应于安装位移检测器(13)位置处存在一大一小两个窗口，小窗口(29)对应于位移检测器的信号输出位置，大窗口对应于位移检测器的信号接收位置(30)。

8.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述压盖上存在8个无螺纹通孔，其中4个与载物台的螺纹孔同轴，另外4个孔(27)与载物台的螺纹孔(22)同轴，另外4个孔(26)与上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘的开孔(19)同轴。

9.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述的滚道半径均相同，滚道深度均相同，滚道深度小于滚道半径。

10.根据权利要求1所述的一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：所述的样品夹具组件和试样台组件材质为轴承钢材料。