CN1629617A - 涂层与基体的高结合强度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属涂层与基体的高结合强度测试领域。本发明在压力试验机上用楔形压头作负载，试样基体上制作一个角度为α的切口，使切口中心线落在涂层与基体交界面上，涂层的一端与压力机支座左面粘接，压头以1～3mm/min的速度加载到试样断裂，记录试验载荷数据，用强度计算公式准确可靠地计算出结合强度，本发明与粘胶法相比，克服了由于粘胶强度有限，不能用于涂层与基体的高结合强度试验的缺点，本发明的试验数据可靠性较高。
Description
技术领域
本发明属涂层与基体的高结合强度测试领域。
技术背景
表面喷涂技术在不改变材料结构的前提下，用较少的费用，大幅度提高材料的性能，取得显著的经济效益。为此，工业发达国家如美国、日本等，已把表面技术作为材料研究的前沿。我国对表面技术的研究和开发应用也十分重视。
随着表面涂层技术的发展，涂层与基体的结合强度愈来愈高，从而给涂层结合强度的测定带来了难度。美国材料试验标准协会ASTMC633-79提出的方法，由于受到粘胶强度的限制，测试范围仅在小于70MPa范围内，已不能用于高结合强度涂层的结合强度试验。对此，国内外先后开展研究，德、日等国开始比较倾向于划痕法，后来发现该法物理意义不明确，所得到的数据比较分散，难以有效地评价涂层材料的性能。即而俄国科学家提出顶推法，但该法受到涂层剪切强度性能的影响，不能对高结合强度涂层进行评价，美国材料试验学会试验室对球压法进行研究，但受到基体弹性参数的影响甚大，而且试样受力状态复杂，以至不能够足以对各种涂层进行评价，近期法国提出的印痕法、裂纹法等各种方法，但由于在这些试验方法中，试样的受力状态复杂，涂层与基体界面开裂应力难以计算，这些方法尚在讨论之中，到目前为止，尚未得到一种切实可行的、物理意义明确的、影响因素小的适合于测定高结合强度涂层与基体结合强度的评价方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种楔形加载法，克服了粘胶结合强度的限制，能够用力学手段评价涂层与基体的高结合强度试验测试方法。
本发明是在压力试验机上，将试验样品基体1在基体与涂层2的界面制作一个角度为α的切口，使切口中心线落在交界面上，切口前端曲率半经为(0.05～0.3mm)，涂层的外侧为粘胶3，将基体放在压力试验机支座5上，涂层端与支座左端面靠紧并粘接，压力机的压头为楔形加载压头4，压头下端制作成α角度，压头前沿半径ρ为(0.1～0.5mm)，压头以(1～3mm)的速度加载到试样断裂，记录试验载荷一时间曲线，涂层与基体的结合强度的计算公式如下：
公式中
α-楔口角度
K-修正系数
Pmax-开裂载荷
Lo-试样长度
W-试样宽度
h1-试样无缺口部高度
h2-试样缺口部高度
σg-涂层与基体的结合强度
α为10°-50° h2为0.3-3mm
h2/h1为
涂层厚度为0.3-3mm
本发明的优点是与粘胶法相比，克服了后者由于粘接强度有限，不能用于高结合强度涂层结合强度试验的缺点，与其它间接方法相比，本发明使界面正应力断裂，提高了测试数据的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为试样形状及加载模型示意图
图3为断裂过程和试样受力分析示意图，P1、P1’为垂直斜面上的分力，P2、P2’为P1、P1’分解的水平方向分力，P3、P3’为P1、P1’分解的垂直方向分力
图4为材料修正系数K与涂层/基体硬度比值系统曲线
图5为实验载荷时间曲线
具体实施方式
用本发明对超音速喷涂WC/CO涂层，基体材料为Ti合金，WC/CO涂层基体为45#钢，WOCrW涂层，基体材料为45#钢，火焰喷涂的NiAl复合丝，基体材料为45#钢的结合强度进行测定的结果，如表(一)～表(四)。
表(一)WC/Co/Ti合金 超高速喷涂涂层结合强度数据(楔形法)
| 编号 | h1(mm) | h2(mm) | W(mm) | Pmax(N) | Lo(mm) | α(°) | K | σg(Mpa) | σg(Mpa) | σ(Mpa)标准差 | σ/σg％ | (σgi-σg)/σ |
| G | 3.5 | 2.5 | 7.9 | 1200 | 20 | 30 | 2.3 | 86 | 80.5 | 5.02 | 6.2％ | 1.09 |
| H | 3.4 | 2.6 | 7.6 | 1280 | 20 | 30 | 2.3 | 75 | -1.09 | |||
| M | 3.4 | 2.6 | 8 | 1370 | 20 | 30 | 2.3 | 76 | -0.09 | |||
| B | 3.5 | 2.5 | 7.8 | 1230 | 20 | 30 | 2.3 | 85.1 | 0.92 |
表(二) WC/Co/45#钢 超高速喷涂涂层结合强度数据(楔形法)
| 编号 | h1(mm) | h2(mm) | W(mm) | Pmax(N) | Lo(mm) | α(°) | K | σg(Mpa) | σg(Mpa) | σ(Mpa)标准差 | σ/σg％ | (σgi-σg)/σ |
| A1 | 3.5 | 2.5 | 7.9 | 1134 | 10 | 30 | 2.3 | 82 | 81.6 | 2.42 | 3％ | 0.16 |
| A2 | 3.6 | 2.4 | 7.9 | 906 | 10 | 30 | 2.3 | 81 | -0.25 | |||
| A3 | 3.6 | 2.4 | 7.9 | 962 | 10 | 30 | 2.3 | 86 | 1.82 | |||
| A4 | 3.7 | 2.5 | 7.9 | 910 | 10 | 30 | 2.3 | 80 | -0.66 | |||
| A5 | 3.5 | 2.5 | 7.9 | 1092 | 10 | 30 | 2.3 | 79 | -1.07 |
表(三)CoCrW/45#钢 超音速喷涂涂层结合强度数据(楔形法)
| 编号 | W(mm) | h1(mm) | h2(mm) | Lo/2(mm) | Pmax(mm) | K | σ g | σ g | σ | σ/σg | (∑gi-σg)/σ |
| CoCrW-1 | 5.82 | 3.48 | 1.67 | 5.02 | 327 | 1.36 | 53.6 | 60.4 | 6.6 | 11％ | -1.03 |
| CoCrW-2 | 5.70 | 3.13 | 1.66 | 5.01 | 389 | 1.36 | 56.7 | -0.56 | |||
| CoCrW-3 | 5.81 | 3.37 | 1.82 | 5.05 | 514 | 1.36 | 69.9 | 1.4 | |||
| CoCrW-4 | 5.76 | 3.20 | 1.66 | 5.02 | 369 | 1.36 | 55.0 | -0.8 | |||
| CoCrW-5 | 5.74 | 3.03 | 1.77 | 5.00 | 550 | 1.36 | 66.6 | 0.94 |
表(四)NiAl复合丝/45#钢基体 火焰喷涂结合强度数据(楔形法)
| 编号 | h1 | h2 | W | Lo/2 | Pmax(N) | σg | K | σg | σ | σ/σg | (σgi-σg)/σ |
| 1 | 2.896 | 1.936 | 5.803 | 5.8 | 634.8 | 26.3 | 1.1 | 31.5 | 3.7 | 11.9 | -1.4 |
| 2 | 2.946 | 1.817 | 6.156 | 5.30 | 666.6 | 32.4 | 1.1 | +0.24 | |||
| 3 | 3.04 | 1.825 | 5.755 | 5.2 | 476.2 | 30.0 | 1.1 | -0.41 | |||
| 4 | 3.03 | 1.77 | 5.76 | 5.28 | 585.3 | 37.8 | 1.1 | 17 | |||
| 5 | 3.45 | 1.374 | 5.78 | 5.16 | 773.8 | 31.2 | 1.1 | -0.08 |
关于材料修正系数K：
楔形切口试样在楔型加载下受力时，切口尖端点受到最大拉应力σmax的作用。由于材质的力学参数不同将对应力产生一定的影响效应，其影响程度用修正系数K来表示。实验测得材料修正系数K与涂层材料的维氐硬度和基体材料的维氏硬度之比值有关，实验测得数据点拟合的关系曲线如图(4)所示，曲线用最小二乘法拟合，相关系数ρxy为0.986。可以看出材料修正系数K与涂层基体维氏硬度之比为Hv涂/Hv基呈线性相关性，所拟合的方程式如下：
K＝0.164+0.5(Hv涂/Hv基)
用楔形法测定涂层结合强度时，将涂层与基体维氏硬度比值代入公式，求出相应的材料修正系数K，从而进行涂层与基体的结合强度σg的计算。
Claims (3)
1、涂层与基体的高结合强度测试方法，其特征是在压力试验机上，将试验样品基体1在基体与涂层2的界面制作一个角度为α的切口，使切口中心线落在交界面上，切口前端曲率半经为0.05～0.3mm，涂层的外侧为粘胶3，将基体放在压力试验机支座5上，涂层端与支座左端面靠紧并粘接，压力机的压头为楔形加载压头4，压头下端制作成α角度，压头前沿半径ρ为0.1～0.5mm，压头以1～3mm/min的速度加载到试样断裂，记录试验载荷一时间曲线，涂层与基体的结合强度的计算公式如下：
公式中
α-楔口角度
K-修正系数
Pmax-开裂载荷
Lo-试样长度
W-试样宽度
h1-试样无缺口部高度
h2-试样缺口部高度
бg-涂层与基体的结合强度
2、根据权利要求1所述的测试方法，其特征是楔口角度α为10°-50°。
3、根据权利要求1所述的测试方法，其特征是h2为0.3-3mm，h2/h1为
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