热喷涂涂层的粘附性能表征

Rtec Instruments材料表面性能综合测试平台为量化热喷涂涂层的附着力提供了一种新的、更精确的技术。

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简介

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热，以一定的速度喷射沉积到基体表面形成涂层的方。与其它沉积技术相比，热喷涂技术可以在高沉积速率下覆盖大面积并生成更厚的涂层。热喷涂层广泛应用于航空航天、汽车、海洋、重型机械等多个领域，主要性能包括耐磨性、低摩擦、耐腐蚀、可调控的导热和电导率等。

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测试问题

熔化的材料以液滴态喷溅到基体表面后，在被压扁平的过程中形成产生大量“饼状”片层结构，最后在表面形成一个各向异性的涂层。通常可以用片层的大小及不同的孔隙度来表征热喷涂层。使用热喷涂技术形成的涂层具有独特的微观结构，呈现出和基体材料显著不同的材料特性。不同类型的热喷涂工艺（火焰、电弧、等离子体、高速氧燃料和爆炸喷涂）会产生不同的微观结构，增加了材料问题的复杂性。涂层的耐用性和功能性在很大程度上取决于涂层内聚力强度以及涂层和基体的结合力强度。因此，在实际工件上生成涂层对于研究沉积技术、喷涂参数（如速度）和基体表面制备工艺是非常必要的。

测试方法

热喷涂实验需要将整个样品旋转90度后镶嵌在树脂材料中，使涂层和基体的界面处于朝上的方向，并对表面进行抛光。从基体向涂层方向，拖动垂直于样品截面的金刚石划痕头，进行恒定载荷划痕测试（图1）。划痕测试结束后，划痕头停留在树脂材料中。

Cross sectional scratch testing principle

图1：横截面划痕测试原理

Cross sectional scratch testing failures

图2：横截面划痕测试失效模式

截面划痕测试一般会产生两种主要的失效模式，如图2所示：

内聚力失效：热喷涂层内部产生裂纹或由涂层向自由表面方向产生锥形断裂。
结合力失效：基体与热喷涂层之间的界面产生裂纹。

测试条件

使用材料表面性能综合测试平台SMT-5000在不同的热喷涂层上进行划痕实验。测试方法遵循ISO 27307。试验参数见表1。

Load Application Profile	Constant Load
Scratch Length	2 mm
Constant Load	20 & 30 N
Scratch Speed	4 mm/min
Stylus	Rockwell with 200 µm radius

每个样品共进行6个划痕试验：两个载荷；每个载荷下进行三个划痕试验（图3）。需选择合适的恒定载荷在样品上产生足够的损伤，从而提供测试内聚力和结合力失效的可能性。

图3：在SMT-5000上的截面划痕测试

测试结果

对四种不同的热喷涂样品进行划痕实验，比较涂层内聚力和结合力强度。

实验中观察到下列不同类型的涂层失效形式：

结合力失效

在这种情况下，裂纹发生在热喷涂层/基体的界面处。这种失效形式是和热喷涂与基体之间的结合力强度相关的。裂纹最开始总是发生在界面处，可以沿着界面延伸，也可以在涂层内部扩展。

图4：界面结合力失效

可以用划痕任意一侧裂纹的长度来量化评估结合力强度。一旦这种失效模式出现后，一般很少会再观测到其它失效形式，因为划痕过程中产生的能量都会被用于使涂层/基体界面失效。

涂层内聚力失效

这种失效的特点是裂纹从划痕的两侧延伸到涂层内部。裂纹的起点和终点都位于热喷涂层内部。

图5：涂层的内聚力失效

由于这种失效模式发生在涂层内部，所以只与涂层自身的强度相关。

涂层自由表面的内聚力失效

最后一种类型的失效通常发生在热喷涂层的自由表面，并且呈锥形的破坏形式。这种失效与热喷涂层的内聚力强度有关，但一般比涂层内部产生裂纹的内聚力失效形式具有更高的内聚力强度，表现为由热喷涂层向自由表面失效。

cohesive failure at the free surface of coatings

图6：涂层自由表面的内聚力失效

如果在这种失效之前没有发生其它失效，则可以通过测量锥形断口的角度来对样品的内聚力强度进行排序。较小的断口角度表示热喷涂层具有较高的内聚力强度。

样品强度比较

根据测试结果，我们总结出在不同失效类型下，样品的强度大小比较及排序需要遵循下述过程。

1.涂层与基体界面处是否产生结合力失效？如果在界面处发生结合力失效，则不需进行其它比较，这类样品的排名最低。如果涂层不能很好的附着在基体上，那么这种涂层的内聚力强度对于排序的结果并不重要，因为结合力失效发生在内聚力失效之前。如果多个样品均发生结合力失效，可使用界面裂纹的长度来比较结合力强度。

2. 如果没有发生结合力失效，涂层内部是否产生内聚力失效？当界面处的结合力强度足够大，而涂层内部出现失效时，涂层的内聚力失效是比结合力失效高一级别的排名。如果多个样品涂层均产生内聚力失效，可按涂层内裂纹的长度对样品排序。

3. 如果界面处没有产生结合力失效，涂层内部也没有产生内聚力失效，那么涂层自由表面的内聚力失效就成为焦点。由于树脂材料往往比涂层软，所以最后一种失效模式一般会出现在涂层的自由表面。在这种情况下，主要按涂层自由表面断口的角度来对样品进行排序，如图7所示。

为了比较两种热喷涂层（TS1和TS3），测量划痕头从涂层内部划到树脂材料的“出口”锥角，这个角度代表了涂层的强度。TS3涂层自由表面断口角度较小，具有更高的强度。

图7：TS1和TS3样品角度测量

结果汇总

在本测试报告中，四种热喷涂层样品表现出不同的结合力和内聚力强度。所有样品的测试结果见下表：

Sample	Y/N	Total crack length (µm)
TS 1	N
TS 2	N
TS 3	N
TS 4	Y	357

Sample	Y/N	Total crack length (µm)
TS 1	N
TS 2	Y	124
TS 3	N
TS 4

Sample	Y/N	Angle of fracture con (deg)
TS 1	Y	71.54
TS 2
TS 3	Y	58.24
TS 4

如上表所示，只有TS4样品在界面处产生了结合力失效，所以TS4在这些样品中排名最低。其他三个样品中，TS2结合力强度较高，但涂层内部产生了内聚力失效，所以TS2排名低于TS1和TS3。TS1和TS3在涂层自由表面产生了内聚力失效，所以可以通过自由表面断口角度的大小来进行排序。TS3具有最小的断口角度，所以强度最高，是待测样品中的最佳样品。因此，这四个样品涂层强度从高到低的排序为TS3>TS1>TS2>TS4。

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结论

划痕测试技术可以用来表征热喷涂层的内聚力和结合力强度。通过试验可以更深入地了解热喷涂层的强度。对涂层失效模式的研究和量化测试可以为研究人员改进涂层生产工艺提供一些建议，如调整TS4的基体表面处理、TS1-TS3的喷涂技术参数等，来分别提高结合力和内聚力强度。 Retc Instruments致力于开发多种测试手段来表征热喷涂层。多功能摩擦试验机MFT5000也可对热喷涂层进行摩擦磨损测试。划痕与摩擦学测试(磨损/摩擦系数)结合的测试手段可以帮助研究人员对涂层及其抗机械损伤能力有更完整的了解。

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参考资料

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