一种热喷涂涂层力学性能的测试方法与流程

本发明属于一种热喷涂涂层力学性能的测试方法，热喷涂涂层检测领域。

背景技术：

热喷涂涂层具有高耐磨性、高耐热性和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天和机械等领域。其涂层的性能直接决定了材料整体的使用寿命，对涂层整体性能的测试对其优化涂层材料、服役环境的判断和寿命预测是至关重要的。但由于其厚度较薄，涂层内部由于热喷涂技术的固有特点带来的大量孔隙、裂纹等缺陷的存在，很难准确的评价和测量其性能。热喷涂技术领域人员为解决这一问题做出了很大的努力，近年来取得了很大的进展。

传统的热喷涂涂层的力学性能测试方法有：

（1）通过纳米压痕技术测试热喷涂涂层内部的硬度、杨氏模量和裂纹扩展情况，能直观的反应涂层材料的部分力学性能。由于热喷涂技术运用范围较广，制备的材料种类较多，涂层材料多样、复杂，该方法只能表征纳米或亚微米级的力学性能，不能综合的评价涂层的整体使用性能。

（2）通过显微硬度技术来评价涂层材料的硬度和抗裂纹扩展能力，能较好的评价涂层材料的硬度和压痕附近的裂纹扩展。但是由于热喷涂技术的固有特点在涂层内部形成大量的微裂纹和微孔隙，这些缺陷在显微硬度技术的测量过程中对其结果的可靠性产生很大的影响；另外，显微硬度技术只能分析热喷涂涂层微米级的力学性能，不能很好地为其服役状态的理性性能进行评价。

（3）通过传统三点弯曲表征涂层在受拉应力或压应力情况下的力学反馈和抗裂纹能力进行表征，该方法能从宏观对材料进行表征。但基体材料的厚度远远超过了涂层材料，所以其测量的力学性能很有可能被基体的力学性能掩盖，基体的力学性能对涂层力学性能的评价产生了很大的干扰，效果十分有限。

传统热喷涂涂层的力学性能测试方法具有很多局限性，另外随着各行业对热喷涂涂层材料力学性能准确评价要求的提升，上述方法已经很难满足当前的需求。

针对上述传统方法的缺陷，需要一种能表征材料整体的力学性能，且消除基体对热喷涂涂层材料力学性能干扰的测试方法，更加准确的评价涂层的综合力学性能，以方便快速优化最佳涂层厚度、配方，准确判断涂层材料服役环境和准确预测服役寿命，加快生产节奏。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：传统的热喷涂涂层的力学性能测试方法由于基体力学性能的干扰不能准确的表征材料的宏观综合力学性能的缺点。

本发明目的及意义在于提供一种热喷涂涂层力学性能的测试方法，具体包括以下步骤：

（1）对基体+涂层、基体分别进行三点弯曲测试，设置三点弯曲设备压头下压速度0.01-1mm/min，直至涂层产生宏观裂纹停止测试，获得测试过程中的载荷-位移曲线。

（2）对三点弯曲得到的载荷-位移曲线进行函数拟合，获得基体+涂层和基体的曲线拟合函数方程pctsub(x)和psub(x)。

（3）对拟合后的函数曲线进行三点弯曲测试中压头对涂层所作的功计算，计算方程如下：

上式中w是三点弯曲测试中压头对涂层所作的功，是三点弯曲中压头的总位移，h是涂层厚度。

（4）利用如下计算方程，计算得到单位厚度涂层力学贡献率，能较好的评价热喷涂涂层裂纹扩展和塑性变形等力学性能。

优选的，本发明所述涂层为非晶涂层、金属/合金涂层、陶瓷涂层、非晶-陶瓷复合涂层、金属-陶瓷复合涂层中的一种。

优选的，本发明基体为金属/合金、高分子材料、陶瓷中的一种。

本发明所述三点弯曲为使涂层受拉应力状态弯曲、使涂层受压应力状态弯曲中的一种。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法在传统三点弯曲测试涂层宏观综合力学性能的前提下，消除了基体对热喷涂涂层力学性能测试的影响，能较好的分析涂层材料体系在受压应力和拉应力的情况下的力学性能表现。

（2）本发明所述测试方法更接近于涂层在服役过程中的状况，测试过程中保留了涂层材料体系中各因素（基体与涂层的粘结、涂层内部缺陷的影响、涂层内部颗粒之间的界面效应等）之间的力学影响。

（3）充分考虑了涂层厚度对涂层性能的影响，为快速优化最佳涂层厚度和配方提供很好的力学性能评价指标。

附图说明

图1是本发明实施例提供测试方法的流程图；

图2是本发明实施例提供测试方法的三点弯曲示意图；

图3为实施例1中测试方法获得的三点弯曲荷载-位移曲线；

图4为实施例1中测试方法获得的三点弯曲荷载-位移函数拟合曲线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例所提供的消除基体对热喷涂涂层力学性能测试干扰的方法的流程图参看图1。所述测试方法包括：

步骤s1，在低碳钢q235基体表面采用等离子喷涂制备非晶-陶瓷复合涂层，并对基体和基体+涂层进行12小时900℃热处理。

步骤s2，对基体+涂层（ctsub）、基体(sub)进行如图2a所示的涂层受拉应力作用的三点弯曲测试，设置三点弯曲设备压头下压速度0.01mm/min，直至涂层产生宏观裂纹停止测试，获得测试过程中的载荷-位移曲线（参看图3）。

步骤s3，对三点弯曲得到的载荷-位移曲线进行函数拟合，获得曲线的拟合函数方程p(x)，参看图4。

步骤s4，对拟合后的函数曲线进行单位厚度涂层力学贡献率计算；得到热处理前涂层的单位厚度涂层力学贡献率为258.06j，热处理后涂层的单位厚度涂层力学贡献率为387.1j。具体计算方式如下：

如图3所示为三点弯曲的是得到的载荷-位移曲线，对其进行函数拟合的到如图4所示的数学函数及函数曲线：

原始基体的载荷-位移曲线拟合函数为：

热处理后基体的载荷-位移曲线拟合函数为：

原始涂层+基体的载荷-位移曲线拟合函数为：

热处理后涂层+基体的载荷-位移曲线拟合函数为：

把拟合函数带入方程可得：

热处理后涂层在三点弯曲测试中压头对涂层所作的功：

原始涂层在三点弯曲测试中压头对涂层所作的功：

经sem检测涂层厚度为h=580μm，将其厚度带入下列方程得：

热处理后涂层的单位厚度涂层力学贡献率为：

原始涂层的单位厚度涂层力学贡献率为：

热处理后涂层的单位厚度涂层力学贡献率比原始涂层的高，说明在三点弯曲过程中压头对涂层所作的功有较多用于裂纹扩展和塑性变形，涂层有更好的能量容限、抗裂纹扩张能力和断裂韧性，通过对涂层在三点弯曲过程中的观察也证实了这一观点。

图2所示的三点弯曲可以使涂层受拉应力作用（图2a），也可受压应力作用（如2b），可全面的测试涂层的在服役过程中的受力状态，准确的评价涂层的宏观力学性能。图3所示的三点弯曲的荷载-位移曲线，可以清楚的看出基体材料不同或热处理引起的微观结构改变对涂层性能的影响是十分巨大的。本发明通过图4所示的消除基体对涂层力学性能测试干扰的方法得到的拟合曲线，消除了基体力学性能的影响，准确的评价了涂层材料在热处理前后的综合力学性能表现：热处理前涂层的单位厚度涂层力学贡献率为258.06j，热处理后涂层的单位厚度涂层力学贡献率为387.1j。

实施例2

本实施例所提供的消除基体对热喷涂涂层力学性能测试干扰的方法的流程图参看图1。所述测试方法包括：

步骤s1，在塑料基体表面采用电弧喷涂技术喷涂制备nial合金涂层。

步骤s2，对基体+涂层（ctsub）、基体(sub)进行如图2b所示的涂层受压应力作用的三点弯曲测试，设置三点弯曲设备压头下压速度1mm/min，直至涂层产生宏观裂纹停止测试，获得测试过程中的载荷-位移曲线。

步骤s3，对三点弯曲得到的载荷-位移曲线进行函数拟合，获得曲线的拟合函数方程p(x)。

步骤s4，对拟合后的函数曲线进行单位厚度涂层力学贡献率计算；得到热处理前涂层的单位厚度涂层力学贡献率为157.54j。

实施例3

本实施例所提供的消除基体对热喷涂涂层力学性能测试干扰的方法的流程图参看图1。所述测试方法包括：

步骤s1，在镍基高温合金基体表面采用超音速火焰喷涂技术喷涂制备nicocral+ysz合金涂层。

步骤s2，对基体+涂层（ctsub）、基体(sub)进行如图2b所示的涂层受压应力作用的三点弯曲测试，设置三点弯曲设备压头下压速度0.1mm/min，直至涂层产生宏观裂纹停止测试，获得测试过程中的载荷-位移曲线。

步骤s3，对三点弯曲得到的载荷-位移曲线进行函数拟合，获得曲线的拟合函数方程p(x)。

步骤s4，对拟合后的函数曲线进行单位厚度涂层力学贡献率计算；得到热处理前涂层的单位厚度涂层力学贡献率为289.4j。

实施例4

本实施例所提供的消除基体对热喷涂涂层力学性能测试干扰的方法的流程图参看图1。所述测试方法包括：

步骤s1，在刚玉基体表面采用等离子喷涂技术喷涂制备氧化铝陶瓷涂层。

步骤s2，对基体+涂层（ctsub）、基体(sub)进行如图2a所示的涂层受拉应力作用的三点弯曲测试，设置三点弯曲设备压头下压速度0.01mm/min，直至涂层产生宏观裂纹停止测试，获得测试过程中的载荷-位移曲线。

步骤s3，对三点弯曲得到的载荷-位移曲线进行函数拟合，获得曲线的拟合函数方程p(x)；

步骤s4，对拟合后的函数曲线进行单位厚度涂层力学贡献率计算；得到热处理前涂层的单位厚度涂层力学贡献率为192.6j。

对实施例2~4所材料所使用的测试方法均能得到与实施例1图3类似三点弯曲载荷-位移曲线；对其进行拟合均能得到与实施例1图4类似三点弯曲载荷-位移函数拟合曲线；并能最大限度的消除基体对涂层材料力学性能测试的干扰，准确的计算单位厚度涂层力学贡献率，准确的评价涂层的力学性能，以方便快速优化最佳涂层厚度、配方，准确判断涂层材料服役环境和准确预测服役寿命，加快生产节奏。