CN113125223A - 一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置及方法，包括基座、挡板和弹簧套筒加压机构，基座上设有定位凹槽，挡板和弹簧套筒加压机构沿定位凹槽长度方向依次间隔布置，工作时基体块和加载块依次布置于挡板和弹簧套筒加压机构之间的定位凹槽内。本发明实现了在保证制样成品精度的前提下提高制样速度，提高了制样成品的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及涂层材料及喷涂工艺技术领域，具体涉及一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置及方法。
背景技术
在表面工程应用中，涂层被广泛采用以达到防护基体材料的目的。对于实际应用中的涂层/基体材料，其服役寿命很大程度上取决于涂层的寿命，而涂层最典型的失效模式是剥落，因此涂层/基体材料的界面结合强度对其整体的服役寿命有很大影响。基于涂层结合强度在实际应用中的重要性，对其进行表征和评价就显得十分必要。
根据热喷涂-抗拉结合强度的测定标准(GBT 8642-2002)，其试样形状为Φ25mm或Φ40mm的圆柱。制样过程中，要避免产生任何弯曲载荷，涂层表面于试样轴垂直，试样的基体块和加载块要同轴。
热喷涂-抗拉结合强度的测定标准中强调了制样的粘接程序以及粘接后试样如何放置直至粘接剂完全固化的整个过程，都要遵从粘接剂生产厂家所规定的使用规范。以常用的粘接剂E-7胶为例，其对铝、铜、钢、陶瓷、玻璃等材料都有良好的粘接力，广泛应用于涂层的拉伸结合强度测试中，其最佳固化条件：接触压力0.05MPa，100℃下3小时固化。
目前常用的涂层结合强度试样的制备方法是在Φ25mm不锈钢圆柱一个端面上喷上涂层，然后将涂层与另一个Φ25mm不锈钢圆柱端面通过E-7胶粘接在一起。但制样过程中，试样长度不完全一致、试样的基体块和加载块要求同轴、E-7胶固化时的接触压力要达到0.05Mpa这三个因素影响了制样精度和速度，目前已知的制样方法在精度和速度上各有取舍、妥协，很难在保证精度的前提下提高速度，也没法实现快速制样的同时保证制样成品的一致性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置及方法，实现了在保证制样成品精度的前提下提高制样速度，解决制样的精度问题，提高了制样成品的一致性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置，包括基座、挡板和弹簧套筒加压机构，基座上设有定位凹槽，挡板和弹簧套筒加压机构沿定位凹槽长度方向依次间隔布置，工作时基体块和加载块依次布置于挡板和弹簧套筒加压机构之间的定位凹槽内；弹簧套筒加压机构对加载块施加一定的轴向压力，使加载块压紧基体块于挡板上。
按照上述技术方案，弹簧套筒加压机构包括弹簧套筒、凸轮杆和加压顶杆，弹簧套筒、加压顶杆和凸轮杆依次沿定位凹槽长度方向布置，弹簧套筒布置于挡板和凸轮杆之间，加压顶杆的一端与弹簧套筒连接，凸轮杆布置于加压顶杆的另一端外侧，凸轮杆通过旋转轴支座与基座连接，凸轮杆绕旋转轴支座转动，凸轮杆上的凸轮端带动加压顶杆沿定位凹槽轴向挤压弹簧套筒，弹簧套筒沿轴向压紧加载块及基体块。
按照上述技术方案，弹簧套筒包括外套筒和伸缩套，伸缩套与外套筒一端套接，加压顶杆与外套筒的另一端套接，加压顶杆与伸缩套之间设有弹簧。
按照上述技术方案，凸轮通过旋转轴与旋转轴支座铰接，凸轮绕旋转轴转动，凸轮的旋转轴心和基体块及加载块的轴心垂直相交。
按照上述技术方案，挡板通过紧固螺丝与基座连接，定位凹槽上沿长度方向设有长孔，紧固螺丝设置于长孔内；紧固螺丝未锁紧情况下挡板可沿长孔来回移动，螺丝锁紧情况下挡板在基座上的位置固定。
按照上述技术方案，定位凹槽为V型凹槽；即基座为V型槽基座。
按照上述技术方案，V型槽夹角为90°，V型槽一端中心开长孔。
按照上述技术方案，可平移的挡板下端轮廓和V型槽轮廓一致，两者通过两颗紧固螺丝固定。
一种采用以上涂层结合强度测试样品的快速制样装置的快速制样方法，包括以下步骤：
1)将加载块放入定位凹槽中，加载块的一端面涂有粘接剂，另一端面未涂粘接剂，将其未涂粘接剂的端面与弹簧套筒加压机构接触，然后将基体块放入定位凹槽中，基体块布置于挡板和加载块之间，基体块的涂层表面与加载块的涂有粘接剂端面接触，保持加载块固定的状态下来回转动基体块，以达到去除粘接剂中气泡的目的；
2)通过弹簧套筒加压机构对加载块施加一定的轴向压力，压紧基体块；
3)对装夹有基体块及加载块的整个快速制样装置加热至一定温度并保温一定时间，使得粘接剂固化，使加载块和基体块粘接成一体形成试样；
4)先卸载施加于加载块上的轴向压力，取出已经粘接成一体的试样，制样完成。
按照上述技术方案，在步骤3)中，通过烘箱对整个快速制样装置加热，对烘箱设定温控程序，对装夹有基体块及加载块的整个快速制样装置加热至100℃并保温3小时，使得E-7胶充分固化。
按照上述技术方案，在步骤1)中，粘接剂为E-7胶。
按照上述技术方案，凸轮杆的下端设有凸轮，凸轮端布置于加压顶杆的一侧，凸轮的外廓为四分之一椭圆和一个长方形，且椭圆的两端与长方形的边相切，椭圆最大和最小半径夹角为90°，最大和最小半径的差值等于上面测得的弹簧压缩量。
通过旋转凸轮90°的方法挤压弹簧，获得粘接剂固化时所需的接触压力；利用万能力学试验机的压缩试验模块间接压缩制样状态下的弹簧，生成制样状态下的末端压力与弹簧压缩量的关系曲线，从而标定出粘接剂固化时所需接触压力对应的弹簧实际压缩量。
按照上述技术方案，弹簧套筒外径与试样外径(即基体块及加载块的外径)相同。
按照上述技术方案，在步骤2)中，通过弹簧套筒加压机构对加载块施加一定的轴向压力，压紧基体块的具体过程为：平移挡板直至与基体块接触，固定锁止挡板，利用弹簧套筒加压机构对加载块施加一定的轴向压力，用以提供E-7胶固化时所需的接触压力。
按照上述技术方案，在步骤4)中，卸载施加于加载块上的轴向压力的具体过程为：卸载弹簧套筒加压机构的轴向压力，然后松开挡板。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明实现了在保证制样成品精度的前提下提高制样速度，解决制样的精度问题，提高了制样成品的一致性。
2.本发明利用凸轮旋转变径的特性，结合弹簧压缩量与压力大小的正相关特性，设计快速加压机构，解决制样的速度和一致性问题。
附图说明
图1是本发明实施例中涂层结合强度测试样品的快速制样装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中弹簧套筒的剖面图；
图3是本发明实施例中基座的底面示意图；
图4是本发明实施例中凸轮杆的结构示意图；
图5是本发明实施例中使用本发明方法制作的5个试样的力-位移曲线；
图6是本发明实施例中传统方法制作的5个试样的力-位移曲线；
图中，1-基座、2-挡板、3-基体块、4-涂层、5-加载块、6-弹簧套筒、7-凸轮杆、8-外套筒、9-伸缩套、10-弹簧、11-加压顶杆、12-长孔、13-紧固螺丝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的涂层结合强度测试样品的快速制样装置，包括基座、挡板和弹簧套筒加压机构，基座上设有定位凹槽，挡板和弹簧套筒加压机构沿定位凹槽长度方向依次间隔布置，工作时基体块和加载块依次布置于挡板和弹簧套筒加压机构之间的定位凹槽内。
进一步地，弹簧套筒加压机构包括弹簧套筒、凸轮杆和加压顶杆，弹簧套筒、加压顶杆和凸轮杆依次沿定位凹槽长度方向布置，弹簧套筒布置于挡板和凸轮杆之间，加压顶杆的一端与弹簧套筒连接，凸轮杆布置于加压顶杆的另一端外侧，凸轮杆通过旋转轴支座与基座连接，凸轮杆绕旋转轴支座转动，凸轮杆的凸轮端带动加压顶杆沿定位凹槽轴向挤压弹簧套筒，弹簧套筒沿轴向压紧加载块及基体块；定位凹槽轴向即定位凹槽长度方向。
进一步地，凸轮设置于凸轮杆的下端。
进一步地，弹簧套筒包括外套筒和伸缩套，伸缩套与外套筒一端套接，加压顶杆与外套筒的另一端套接，加压顶杆与伸缩套之间设有弹簧。
进一步地，凸轮通过旋转轴与旋转轴支座铰接，凸轮绕旋转轴转动，凸轮的旋转轴心和基体块及加载块的轴心垂直相交。
进一步地，挡板通过紧固螺丝与基座连接，定位凹槽上沿长度方向设有长孔，紧固螺丝设置于长孔内，紧固螺丝的个数为两个。
进一步地，定位凹槽的横截面为V型，为V型凹槽。
一种采用以上所述的涂层结合强度测试样品的快速制样装置的快速制样方法，包括以下步骤：
1)将加载块5放入定位凹槽中，加载块5的一端面涂有粘接剂，另一端面未涂粘接剂，将其未涂粘接剂的端面与弹簧套筒加压机构接触，然后将基体块3放入定位凹槽中，基体块3布置于挡板和加载块5之间，基体块3的涂层4表面与加载块5的涂有粘接剂端面接触，保持加载块5固定的状态下来回转动基体块3，以达到去除粘接剂中气泡的目的；
2)通过弹簧套筒加压机构对加载块5施加一定的轴向压力，压紧基体块3；
3)将装夹有基体块及加载块的快速制样装置放入烘箱，设定控温程序，加热至一定温度并保温一定时间，使得粘接剂固化，使加载块5和基体块3粘接成一体形成试样；
4)从烘箱取出快速制样装置，先卸载施加于加载块5上的轴向压力，取出已经粘接成一体的试样，制样完成。
进一步地，在步骤2)中，轴向压力是指沿定位凹槽的长度方向。
进一步地，在步骤2)中，通过弹簧套筒加压机构对加载块5施加一定的轴向压力，压紧基体块3的具体过程为：平移挡板2直至与基体块3接触，固定锁止挡板2，利用弹簧套筒加压机构对加载块5施加一定的轴向压力，用以提供E-7胶固化时所需的接触压力；
在步骤4)中，卸载施加于加载块5上的轴向压力的具体过程为：卸载弹簧套筒加压机构的轴向压力，然后松开挡板2。
进一步地，在步骤3)中，设定温控程序，加热至100℃并保温3小时。
进一步地，在步骤1)中，粘接剂为E-7胶。
本发明的工作原理：针对制样过程中，试样长度不完全一致、试样的基体块3和加载块5要同轴同轴、E-7胶固化时的接触压力要达到0.05Mpa这三个因素直接影响了制样精度和速度的问题，参考平口钳的平稳移动特性、圆的两点支撑定位原理、凸轮旋转变径的特性和弹簧压缩量与压力大小的正相关特性，设计使用可平移的挡板2解决试样长度不完全一致的问题，使用90°夹角的V型槽来满足试样的基体块3和加载块5要同轴同轴的要求，利用凸轮杆旋转变径压缩弹簧快速生成E-7胶固化时所需的接触压力。
根据E-7胶固化时的接触压力要达到0.05Mpa这个因素，以Φ25mm不锈钢圆柱的截面积换算，固化时需要的轴向压力为31.25N。虽然弹簧的弹力在弹性变形阶段是和压缩量成正比的，即F＝kΔX，可以算出31.25N压力对应的弹簧压缩量，但在实际应用中，弹簧与外套筒8和加压顶杆11之间都有摩擦，加载块5和V型槽基座1也有摩擦，而且这些摩擦都无法通过计算来量化其大小，因此不能直接通过计算公式换算出实际应用中所需的弹簧压缩量。
为了验证在实际应用中，多大的弹簧压缩量可提供给试样0.05Mpa的压力。将加载块5和弹簧套筒6紧贴放置在V型槽基座1中，放置方向为加压顶杆11的端面与加载块5的一个端面接触。利用万能力学试验机的压缩试验模块，试验机的固定压盘与加载块5的另一个端面接触，活动压盘与伸缩套9的端面接触，然后启动压缩试验程序，得到压力-位移曲线。因为这个曲线中的压力已自行修正了上面所提到的所有摩擦力，是实际应用条件下加载块5的末端压力，所以可以直接看作成E-7胶固化时的接触压力。
通过上述的压力-位移曲线和31.25N的需求压力，可以标记出其对应的伸缩套9的位移量h，即弹簧10的压缩量。要快速将伸缩套9移动h的距离，本发明设计了一个特殊的凸轮杆7，其大径R与小径r的差值定为h。凸轮杆7的凸轮曲面和伸缩套9的端面接触，当凸轮杆7从竖直状态顺时针旋转90°后，凸轮杆7和伸缩套9的接触点与旋转轴心的距离从r变为R，使伸缩套9移动h的距离，即满足了E-7胶固化时的接触压力要达到0.05Mpa的要求。凸轮杆7的大径端的水平平面在其顺时针旋转90°后，变成和伸缩套9端面重合的竖直平面，结合凸轮杆7的杆柄自身的重量，实现凸轮杆7的自锁效果，防止凸轮杆7在伸缩套9的压力作用下回转。
为了消除凸轮杆7旋转时的所产生的非轴向载荷对试样的影响，外套筒8的直径和试样保持一致，使得两者在V型槽基座1上同轴。外套筒8的固定位置确定方法：凸轮杆7保持竖直状态，移动加载块5和弹簧套筒6，直至伸缩套9与凸轮杆7接触，外套筒8此时的位置即为其固定位置。
对于加载块5的喷砂，应尽可能选择和加载块5材质相适应的砂子粒径和吹气压力。对于加载块5和基体块3的涂胶应尽量薄且均匀，以此来去除粘接剂中的气泡，同时降低固化过程中粘接剂外流的风险。
本发明的具体操作步骤如下：
1)将涂好胶的加载块5放入V型槽基座1的V型槽中，将其轴向移动至和弹簧套筒6接触；
2)将涂好胶的基体块3放入V型槽基座1的V型槽中，将其轴向移动至和加载块5接触；
3)平移挡板2，直至和基体块3接触，拧紧下方紧固螺丝13，固定挡板2位置；
4)将凸轮杆7从竖直状态顺时针旋转90°，凸轮杆7自锁固定，并通过挤压伸缩套9，间接对试样施加轴向压力；
5)将整个夹具放入烘箱，升温至100℃保温3小时；
6)从烘箱取出整个夹具，待冷却后，将凸轮杆7从水平状态逆时针旋转90°，卸载试样的轴向压力，拧松挡板2下方的紧固螺丝13，取出试样，完成制样。
本发明是一种涂层结合强度测试样品的快速制样方法，对各种长度、直径的试样都适用，制样流程简单、易操作，实现了快速制备涂层结合强度试样的目的，且试样成品具有很好的一致性。
实施例
分别使用本发明方法和传统方法制备两组涂层结合强度测试样品，每组5个试样，所有试样的涂层参数一致。用万能力学试验机按照热喷涂-抗拉结合强度的测定标准(GBT8642-2002)生成两个拉力-位移曲线(图5、图6)。通过数据处理，得出使用本发明方法制样的试样结合强度平均值为35.5Mpa，方差为10.6Mpa2；使用传统方法制样的试样结合强度平均值为34.6Mpa，方差为85.8Mpa2。
通过对比两组试样的结合强度平均值和方差，可以看出，使用本发明方法制样，虽然不能显著提升涂层本身的结合强度，但测试结果更加均匀，更能准确表征涂层的实际力学性能。同时，实际操作中发现，由于制样过程中最难控制的加压操作被设计成了只需要将凸轮杆7从竖直状态顺时针旋转90°这一简单、快速动作，实现了快速制样的目的
本方法针对涂层结合强度测试样品制样过程中，试样长度不一致、试样的基体块3和加载块要求同轴、E-7胶固化时的接触压力要达到0.05MPa，这三个因素影响了制样速度和效果。本发明利用可平移挡板2、V型滑槽、弹簧预紧的方法来解决。本发明实现了涂层结合强度测试的快速制样，并且提高了制样成品的一致性。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种涂层结合强度测试样品的快速制样装置，其特征在于，包括基座、挡板和弹簧套筒加压机构，基座上设有定位凹槽，挡板和弹簧套筒加压机构沿定位凹槽长度方向依次间隔布置，工作时基体块和加载块依次布置于挡板和弹簧套筒加压机构之间的定位凹槽内。
2.根据权利要求1所述的涂层结合强度测试样品的快速制样装置，其特征在于，弹簧套筒加压机构包括弹簧套筒、凸轮杆和加压顶杆，弹簧套筒、加压顶杆和凸轮杆依次沿定位凹槽长度方向布置，弹簧套筒布置于挡板和凸轮杆之间，加压顶杆的一端与弹簧套筒连接，凸轮杆布置于加压顶杆的另一端外侧，凸轮杆通过旋转轴支座与基座连接，凸轮杆绕旋转轴支座转动，凸轮杆的凸轮端带动加压顶杆沿定位凹槽轴向挤压弹簧套筒，弹簧套筒沿轴向压紧加载块及基体块。
3.根据权利要求2所述的涂层结合强度测试样品的快速制样方法，其特征在于，弹簧套筒包括外套筒和伸缩套，伸缩套与外套筒一端套接，加压顶杆与外套筒的另一端套接，加压顶杆与伸缩套之间设有弹簧。
4.根据权利要求2所述的涂层结合强度测试样品的快速制样方法，其特征在于，凸轮通过旋转轴与旋转轴支座铰接，凸轮绕旋转轴转动，凸轮的旋转轴心和基体块及加载块的轴心垂直相交。
5.根据权利要求1所述的涂层结合强度测试样品的快速制样方法，其特征在于，挡板通过紧固螺丝与基座连接，定位凹槽上沿长度方向设有长孔，紧固螺丝设置于长孔内。
6.根据权利要求1所述的快速制样方法，其特征在于，定位凹槽的横截面为V型。
7.一种采用权利要求1所述的涂层结合强度测试样品的快速制样装置的快速制样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将加载块放入定位凹槽中，加载块的一端面涂有粘接剂，另一端面未涂粘接剂，将其未涂粘接剂的端面与弹簧套筒加压机构接触，然后将基体块放入定位凹槽中，基体块布置于挡板和加载块之间，基体块的涂层表面与加载块的涂有粘接剂端面接触，保持加载块固定的状态下来回转动基体块，以达到去除粘接剂中气泡的目的；
2)通过弹簧套筒加压机构对加载块施加一定的轴向压力，压紧基体块；
3)对装夹有基体块及加载块的快速制样装置加热至一定温度并保温一定时间，使得粘接剂固化，使加载块和基体块粘接成一体形成试样；
4)先卸载施加于加载块上的轴向压力，取出已经粘接成一体的试样，制样完成。
8.根据权利要求7所述的快速制样方法，其特征在于，在步骤3)中，通过烘箱对整个快速制样装置加热。
9.根据权利要求7所述的快速制样方法，其特征在于，在步骤3)中，对装夹有基体块及加载块的整个快速制样装置加热至100℃并保温3小时。
10.根据权利要求7所述的快速制样方法，其特征在于，在步骤1)中，粘接剂为E-7胶。
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