專利名稱：基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法及試樣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料試驗方法及其試樣，尤其涉及一種涂層與基體的高強度結(jié)合力測試方法及試樣，具體地說是一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法。
背景技術(shù)：
涂層與基體材料界面力學(xué)性能的定量表征一直是研究者和使用者追求的目標，是表面工程技術(shù)領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題之一。涂層與基體的結(jié)合強度的定量測試對評價涂層質(zhì)量、優(yōu)化制備工藝和發(fā)展新涂層技術(shù)具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義。
受測試條件和方法的限制，目前關(guān)于涂層與基體結(jié)合強度的測試及試樣制備方法，大多基于使用膠粘劑及拉伸進行結(jié)合力測試，這種方法由于具有操作簡單靈活且不需要復(fù)雜的理論計算的特點，被世界上許多國家如美國、日本、俄羅斯和我國等普遍采用，但這種方法由于受到了膠的抗拉強度(一般不超過80Mpa)的限制，不適合高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度的測試，因此，現(xiàn)有的測試方法遠遠滯后于涂層制備技術(shù)的發(fā)展。針對這一問題，國內(nèi)外先后開展研究，著眼于開發(fā)不采用膠(消除膠抗拉強度的限制)的測試方法。劃痕法最先受到青睞，后來發(fā)現(xiàn)該法物理意義不明確，所得到的數(shù)據(jù)比較分散，難以有效評價涂層結(jié)合性能。之后出現(xiàn)球壓法、印痕法、界面壓入法等方法，但由于這些試驗方法中，試樣的受力狀態(tài)復(fù)雜，涂層和基體結(jié)合性能的評定參數(shù)難以計算，這些方法尚在討論中。在開發(fā)不采用膠的測試方法的進程中，試件預(yù)埋法引起了世界各國的重視，如俄羅斯科學(xué)家提出的頂推法(圖1)和ZL00107205.6提出的雙錐法(圖2)等，但這些方法普遍存在組合試樣不能夠充分反應(yīng)涂層真實狀態(tài)以及受到涂層自身剪切強度的限制不能用于薄涂層測試等等不足。而且，由于試樣制備不合理，存在結(jié)構(gòu)上的缺陷，如過定位、配合缺陷無法消除以及使用拉伸機拉伸過程中會出現(xiàn)偏心力而影響測試準確性，試驗的重復(fù)性不高等等而限制了其推廣應(yīng)用。
因此，到目前為止，尚未得到一種切實可行、影響因素小、表征參數(shù)簡便且物理意義明確的可用于高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度的定量測試方法及相關(guān)的試樣可供推廣，無法適應(yīng)涂層技術(shù)的發(fā)展，并在一定程度上制約了涂層技術(shù)的進步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的高結(jié)合性能涂層結(jié)合力測試中存在的誤差大，試樣結(jié)構(gòu)不合理等問題，發(fā)明一種可廣泛用于高結(jié)合性能涂層結(jié)合力測試的基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法，其特征是首先取與基體材料相同的試樣并將其加工成一由錐體和圓柱體組成的試樣毛坯，其中圓柱體與錐體的小端整體相連，錐體的錐角介于2倍的基體材料摩擦角與120度之間；其次，將上述試樣毛坯置于一個帶有相同錐角錐孔的臺階式支撐圈中，使試樣毛坯的錐體部分與該錐孔相配合，該臺階式支撐圈的大臺階直徑為其中的錐孔小端直徑的2～4倍，小臺階直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階的高度為1～8mm；第三，將上述配合好的試樣毛坯及支撐圈置于車床或磨床上進行機械加工，切除試樣毛坯伸出小臺階端面的部分，使試樣毛坯的表面與小臺階端面相齊平，得到試樣半成品；第四，在上述試樣半成品被加工過的表面上制備涂層，使涂層全部、同時覆蓋支撐圈小臺階端面和試樣毛坯錐體大端端面，得到試樣；第五，當涂層的厚度符合規(guī)定值時將上述試樣直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力；當涂層的厚度低于規(guī)定值時，首先在涂層的表面上涂上膠層，然后再在膠層上粘貼一厚度為1～3mm的加強金屬板，待其粘結(jié)牢固后再將其直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力。
一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試用試樣，其特征是它主要由臺階狀支撐圈、錐-柱結(jié)合體和涂層組成，所述的支撐圈中設(shè)有一錐孔，錐孔的大端位于小臺階體上，小臺階體的直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階體的高度為1～8mm，大臺階體的直徑為錐孔小端直徑的2～4倍，錐-柱結(jié)合體的錐體部分的錐角與支撐圈中錐孔的錐角相同，它的錐體部分位于臺階狀支撐圈中，它的柱體部分與錐體的小端相連并位于臺階狀支撐圈外，錐-柱結(jié)合體的錐體大端端面與小臺階體的端面位于同一平面上，在該平面上制備有涂層。
在所述的涂層上設(shè)有膠層，膠層上粘結(jié)有金屬加強板。
本發(fā)明的有益效果(1)本發(fā)明測量方法不采用膠，其測量結(jié)果不受膠的抗拉強度的限制，可用于高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度的測量；(2)本發(fā)明測量方法物理意義簡單明確，操作簡便靈活，而且不需要復(fù)雜的理論計算；(3)本發(fā)明測量方法在測量過程中涂層以壓應(yīng)力為主要應(yīng)力，涂層在壓應(yīng)力作用下內(nèi)聚強度一般為拉應(yīng)力的3～5倍，同時涂層和基體剝離的有效面積較小，且針對薄涂層增加了加強板，測量基本不受涂層厚度的限制；(4)本發(fā)明測量方法使用的試樣采用全錐面配合結(jié)構(gòu)，消除了推壓過程中摩擦力對測量結(jié)果的影響，提高了測量結(jié)果的準確性；(5)明確給出了錐角的確定方法，對于不同基體材料采用更為合理的錐角，增強了測試方法對不同基體材料的適應(yīng)性。
(6)本發(fā)明通過大量的試驗，給出了錐角、錐孔小端直徑與支撐圈大臺階直徑、錐孔大端直徑與小臺徑直徑之間的關(guān)系。采用本發(fā)明所揭示的配比關(guān)系所制備試樣的重復(fù)性好，充分表明了其測量的準確性，可用于實際工程作業(yè)。
(7)本發(fā)明首次提出了直接利用壓力試驗裝置作為測試加力工具，它具有裝夾方便，作用力均勻，不會產(chǎn)生偏心力，更不會在施力過程中產(chǎn)生摩擦力而影響測度的準確性。
(8)本發(fā)明通過將試樣設(shè)計成錐體加柱體的結(jié)構(gòu)，消除了現(xiàn)有測試方法(詳見對比文件1、2)所存在的過定位及需反復(fù)涂覆的問題，且通過常規(guī)的機械加工方法即可消除因配合需要而產(chǎn)生的端面不平的現(xiàn)象，這是現(xiàn)有技術(shù)中從未揭示的，它從根本上解決了配合面的密封問題，從而使試樣更接近于整體試樣。


圖1是現(xiàn)有的試樣結(jié)構(gòu)示意圖之一。
圖2是現(xiàn)有的試樣結(jié)構(gòu)示意圖之二。
圖3是本發(fā)明的試樣的結(jié)構(gòu)示意圖之一。
圖4是本發(fā)明的試樣的結(jié)構(gòu)示意圖之二。
圖5是本發(fā)明的試樣摩擦角測試原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖3所示。
一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法，它主要由以下步驟組成首先取與基體材料相同的試樣并將其加工成一由錐體和圓柱體組成的試樣毛坯，其中圓柱體與錐體的小端整體相連，錐體的錐角介于2倍的基體材料摩擦角與120度之間；其次，將上述試樣毛坯置于一個帶有相同錐角錐孔的臺階式支撐圈中，使試樣毛坯的錐體部分與該錐孔相配合，該臺階式支撐圈的大臺階直徑為其中的錐孔小端直徑的2～4倍，小臺階直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階的高度為1～8mm；第三，將上述配合好的試樣毛坯及支撐圈置于車床或磨床上進行機械加工，切除試樣毛坯伸出小臺階端面的部分，使試樣毛坯的表面與小臺階端面相齊平，得到試樣半成品；第四，在上述試樣半成品被加工過的表面上制備涂層，使涂層全部、同時覆蓋支撐圈小臺階端面和試樣毛坯錐體大端端面，得到試樣；第五，當涂層的厚度符合規(guī)定值時將上述試樣直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力；當涂層的厚度低于規(guī)定值時，首先在涂層的表面上涂上膠層，然后再在膠層上粘貼一厚度為1～3mm的加強金屬板，待其粘結(jié)牢固后再將其直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力。
一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試用試樣，是它主要由臺階狀支撐圈1、錐-柱結(jié)合體2和涂層3組成，所述的臺階狀支撐圈1中設(shè)有一錐孔，錐孔的大端位于小臺階體上，小臺階體101的直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階體101的高度為1～8mm，大臺階體102的直徑為錐孔小端直徑的2～4倍，錐-柱結(jié)合體2的錐體201的錐角與支撐圈1中錐孔的錐角相同，它的錐體201位于臺階狀支撐圈1中，它的柱體部分202與錐體201的小端相連并位于臺階狀支撐圈1外，錐-柱結(jié)合體2的錐體201的大端端面與小臺階體101的端面位于同一平面上，在該平面上制備有涂層3，如圖3所示。當涂層較薄時，還可在涂層3上涂上膠層4，再在膠層4上粘結(jié)一金屬加強板5，如圖4所示。
以下是按照本發(fā)明的方法和試樣所進行的氧乙炔火焰噴焊涂層的結(jié)合強度測試實例，但不僅僅限于此實例，對于前述的相關(guān)參數(shù)可根據(jù)實際情況進行選定，只要滿足本發(fā)明前述所標示的參數(shù)范圍，均可達到本發(fā)明的目的，完成準確的測試工作。
例支撐圈的小臺階體直徑為Φ18mm，大臺階體直徑為Φ30mm，其中的錐孔的大端直徑為Φ15mm，錐角為20°，錐孔的小端直徑為Φ11.47～11.52mm(實測值)，小臺階體的高度3mm；錐-柱結(jié)合體的總長為16mm，其中錐面長度為11mm；支撐圈和錐-柱結(jié)合體的配合錐面長度為10mm；基體材料為45鋼，涂層材料為Ni60，涂層厚度為1mm?；谏鲜鰠?shù)在相同條件下制備6件試樣，在多功能力學(xué)實驗裝置上進行試驗，涂層全部隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，測得涂層的結(jié)合強度分別為151.2MPa、160.5MPa、148.6MPa、155.4MPa、158.3MPa、152.5MPa，數(shù)據(jù)分散度僅為7.7％，遠低于相關(guān)文獻報道的膠粘及拉伸方法，取6個試樣的平均值154.4MPa作為結(jié)合強度指標，其遠高于目前在膠粘及拉伸方法中廣泛使用的E-7膠的抗拉強度。
權(quán)利要求
1.一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法，其特征是首先取與基體材料相同的試樣并將其加工成一由錐體和圓柱體組成的試樣毛坯，其中圓柱體與錐體的小端整體相連，錐體的錐角介于2倍的基體材料摩擦角與120度之間；其次，將上述試樣毛坯置于一個帶有相同錐角錐孔的臺階式支撐圈中，使試樣毛坯的錐體部分與該錐孔相配合，該臺階式支撐圈的大臺階直徑為其中的錐孔小端直徑的2～4倍，小臺階直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階的高度為1～8mm；第三，將上述配合好的試樣毛坯及支撐圈置于車床或磨床上進行機械加工，切除試樣毛坯伸出小臺階端面的部分，使試樣毛坯的表面與小臺階端面相齊平，得到試樣半成品；第四，在上述試樣半成品被加工過的表面上制備涂層，使涂層全部、同時覆蓋支撐圈小臺階端面和試樣毛坯錐體大端端面，得到試樣；第五，當涂層的厚度符合規(guī)定值時將上述試樣直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力；當涂層的厚度低于規(guī)定值時，首先在涂層的表面上涂上膠層，然后再在膠層上粘貼一厚度為1～3mm的加強金屬板，待其粘結(jié)牢固后再將其直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，直到涂層隨試樣毛坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，即可測得基體與涂層的結(jié)合力。
2.一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試用試樣，其特征是它主要由臺階狀支撐圈、錐-柱結(jié)合體和涂層組成，所述的支撐圈中設(shè)有一錐孔，錐孔的大端位于小臺階體上，小臺階體的直徑與錐孔大端直徑之差為3～8mm，小臺階體的高度為1～8mm，大臺階體的直徑為錐孔小端直徑的2～4倍，錐-柱結(jié)合體的錐體部分的錐角與支撐圈中錐孔的錐角相同，它的錐體部分位于臺階狀支撐圈中，它的柱體部分與錐體的小端相連并位于臺階狀支撐圈外，錐-柱結(jié)合體的錐體大端端面與小臺階體的端面位于同一平面上，在該平面上制備有涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試樣，其特征是在所述的涂層上設(shè)有膠層，膠層上粘結(jié)有金屬加強板。
全文摘要
本發(fā)明給出了一種基于壓力試驗裝置的高結(jié)合性能涂層結(jié)合強度測試方法及試樣。本發(fā)明的試樣由臺階狀支撐圈(1)、錐－柱結(jié)合體(2)和涂層(3)組成。本發(fā)明方法測試涂層結(jié)合強度的步驟是1.采用與基體相同的材料制造錐－柱結(jié)合體(2)和臺階式支撐圈(1)，將兩者配合后，通過機械加工使錐－柱結(jié)合體(2)的錐體大端端面與臺階式支撐圈(1)小臺階體端面位于同一平面上；2.在該平面上制備被測涂層(3)，當涂層較薄時，還可在涂層(3)上涂上膠層(4)，再在膠層(4)上粘結(jié)一金屬加強板(5)；3.將試樣直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，測量涂層的結(jié)合強度。本發(fā)明測試方法具有物理意義簡單明確，操作簡便靈活，試驗的重復(fù)性好等一系列優(yōu)點。
文檔編號G01N19/00GK101074918SQ200710024610
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者左敦穩(wěn), 王宏宇, 黎向鋒, 孫業(yè)斌, 徐鋒, 余亞平 申請人:南京航空航天大學(xué)