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熱噴涂層劃痕試驗應用報告
導言 熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱，以一定的速 度噴射沉積到基體表面形成涂層的方法。 與其他沉積技術相比，熱噴涂技術可以在高沉積速率 下覆蓋大面積并且提供更厚的涂層。 熱噴涂層廣泛應用于航空航天、汽車、海洋、重型機 械等多個領域，主要性能包括耐磨性、低摩擦、耐腐 蝕、改變導熱系數和電導率等。 測試問題 熔化的材料液滴噴涂到基體表面，產生大量“餅 狀"片層，在表面形成高度不均勻的涂層。 片層的大小以及不同的孔隙程度常被用來表征熱噴涂 層。使用熱噴涂技術形成的涂層具有*的微觀結 構，呈現出不同于基體材料的特性。 不同類型的熱噴涂工藝（火焰、電弧、等離子體、高 速氧燃料和爆炸噴涂）會產生的不同結構，增加了材 料問題的復雜性。 涂層的耐用性和功能性在很大程度上取決于涂層內聚 力強度和涂層與基體的結合力強度。因此，在實際工 件上形成涂層并研究沉積技術、噴涂參數（如速度） 和基體表面制備是非常必要的。
測試方法 樣品旋轉90度，使涂層和基體的交界處于朝上的方 向，然后將整個樣品鑲嵌在樹脂材料中，并對表面進 行拋光。從基體向涂層方向，拖動垂直于樣品截面的 金剛石劃痕頭，進行恒定載荷劃痕測試（圖2）。劃 痕測試結束后，劃痕頭停留在樹脂材料中。
通過劃痕測試，樣品會產生兩種主要的失效模式，如 圖3所示： • 內聚力失效：熱噴涂層內部產生裂紋或涂層自由 表面發生錐形斷裂。 • 結合力失效：基體與熱噴涂層之間的界面產生裂 紋。
通過調整施加的法向載荷，可以使失效發生在熱噴涂 層的自由表面或基體與熱噴涂層的界面或熱噴涂層內 部。 測試條件 使用SMT-5000在不同的熱噴涂層上進行劃痕實驗。 測試方法遵循ISO 27307。 試驗參數匯總見表1。
每個樣品共進行6個劃痕試驗，使用兩個載荷，在每 個負載下進行三個劃痕試驗（圖4）。選擇恒定載荷 來對樣品產生足夠的損傷，以提供測試結合力失效 的可能性。
測試結果 對四種不同的熱噴涂樣品進行劃痕實驗，以研究涂層 內聚力和結合力強度。 在熱噴涂層中可以觀察到不同類型的失效：
結合力失效 在這種情況下，裂紋發生在熱噴涂層/基體的界面 處。這種失效是和熱噴涂與基體之間的結合力強度相 關的。裂紋最開始總是發生在界面處，可以沿著界面 延伸，也可以在涂層內部擴展。
可以用劃痕任意一側裂紋的長度來量化評估結合力強 度。 一旦這種失效模式出現后，不會產生其他失效模式， 因為額外出現的能量都會被用于使涂層/基體界面失 效。
涂層內聚力失效 這種失效的特點是裂紋從劃痕的兩側延伸到涂層內 部。裂紋的發生和結束都位于熱噴涂層內部。
由于這種失效模式發生在涂層內部，所以只與涂層 自身的強度相關。
涂層自由表面的內聚力失效 最后一種類型的失效發生在熱噴涂層的自由表面，并 且通常呈現為錐形。這種失效與熱噴涂層的內聚力有 關，但比涂層內部產生裂紋的失效具有更高的內聚力 強度，是熱噴涂層向自由表面失效的結果。
假設在自由表面失效之前沒有觀察到其他失效形 式，則可以通過測量錐形斷口的角度來對樣品進行 排序。較小的斷口角度表示熱噴涂層具有較高的內 聚力強度。 > 樣品強度的比較 根據不同失效類型，樣品的強度大小及其排序需要遵 循一個嚴格的過程。 1. 涂層與基體界面處是否產生結合力失效？如果在 界面處發生結合力失效，則不需進行其他比較， 這類樣品的排名低。如果涂層不能很好的附著 在基體上，那么這種涂層的內聚力強度對于排序 的結果并不重要，因為結合力失效發生在內聚力 失效之前。如果多個樣品均發生結合力失效，可 使用界面裂紋的長度來區分樣品。 2. 如果沒有發生結合力失效，涂層內部是否產生內 聚力失效？當界面處的結合力強度足夠大，而涂 層內部出現失效時，涂層的內聚力失效是比結合 力失效高一級別的排名。如果多個樣品涂層均產 生內聚力失效，可按涂層內裂紋的長度對樣品排 序。 3. 如果界面處沒有產生結合力失效，涂層內部也沒 有產生內聚力失效，那么涂層自由表面的內聚力 失效就成為焦點。由于樹脂材料往往比涂層軟， 所以最后一種失效模式出現在涂層的自由表面。 在這種情況下，主要按涂層自由表面斷口的角度 來對樣品進行排序，如圖8所示。
為了比較兩種熱噴涂層（TS1和TS3），測量劃痕頭從 涂層內部劃到樹脂材料的“出口"錐角，這個角度代 表了涂層的強度。TS3涂層自由表面斷口角度較小， 具有更高的強度。
結果匯總 在本測試報告中，四種熱噴涂層樣品表現出不同的結 合力和內聚力強度。所有樣品的結果匯總如下表：
如上表所示，只有TS4樣品產生了結合力失效，所以 TS4在這些樣品中排名低。其他三個樣品中，TS2結 合力強度較高，但涂層內部產生了內聚力失效，所以 TS2排名低于TS1和TS3。TS1和TS3在涂層自由表面產 生了內聚力失效，所以可以通過自由表面斷口角度的 大小來進行排序。TS3具有最小的斷口角度，所以強 度最高，是待測樣品中的最佳樣品。因此，這四個樣 品涂層強度從高到低的排序為TS3>TS1>TS2>TS4。 結論 劃痕測試技術可以用來表征熱噴涂層的內聚力和結合 力強度。通過試驗就可以更深入地了解熱噴涂層的強 度。 對涂層失效模式的研究和量化可以為研究人員改進涂 層生產工藝提供一些建議，如調整TS4的基體表面工 藝，TS1、TS2和TS3的噴涂技術參數等，來增加熱涂 層的結合力和內聚力強度。 Retc Instruments致力于開發相關的測試手段來表征 熱噴涂層。多功能摩擦試驗機MFT5000也可對熱噴涂 層進行摩擦磨損測試。劃痕與摩擦學測試(磨損/摩擦 系數)結合的測試手段可以幫助研究人員對涂層及其 抗機械損傷能力有更完整的了解。
關鍵詞 • 熱噴涂層 • ISO 27307 • 結合力/內聚力評估 • 截面劃痕測試 • 結合力 • 機械測試
參考資料 1 By Matthias Zepper - Selbst aufgenommen bei Vorführung der Anlage im Institut für Technische Thermodynamik (Pfaffenwaldring 38-40 in D-70569 Stuttgart) des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR)., CC BY-SA 2.5 2 ISO 27307 – 2015 Thermal spraying — Evaluation of adhesion/cohesion of thermal sprayed ceramic coatings by transverse scratch testing 3 Lopez, Zambelli, Cohesion measurement of plasma sprayed ceramic coatings, Surface Modification Technologies (815-821), 1990
設備 Rtec Instruments提供可靠、高精度和高靈敏度的集 成法向力和摩擦力的傳感器技術，可在一個測試平臺 上實現從納米到宏觀的劃痕測量。
材料表面性能綜合測試平臺:SMT-5000
