熱噴涂陶瓷-金屬復(fù)合材料點(diǎn)陣壓痕的應(yīng)用

提供來源:上海百賀日期：2020年06月11日

表面力學(xué)測試

熱噴涂陶瓷-金屬復(fù)合材料點(diǎn)陣壓痕的應(yīng)用

熱噴涂是一種涂層加工工藝，其中一些原料(通常是粉末的形式)在高溫下熔化，同時加速并沉積在基材上，并在基材上固化(見圖1)[1-4]。沉積涂層有許多用途，主要是增加耐磨性和抗熱性，防腐蝕和硬度。該工藝已被許多行業(yè)采用，熱噴涂涂料(TSC)也得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用案例包括飛機(jī)引擎，造紙工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，和獨(dú)立的陶瓷部件上，雖然具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，仍然再繼續(xù)研究這些涂層，尤其是它們的機(jī)械性能。這主要是由于熱噴涂(通常)是在高溫下進(jìn)行操作，然后在較低溫度下快速凝固，這導(dǎo)致了不同的形成階段。此外，大多數(shù)噴涂材料含有幾種不同性質(zhì)的成分，使其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的異向性。因此，測定這些非均質(zhì)材料(沉積物)的力學(xué)性能是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，有幾種常用的方法來測定其機(jī)械性能: 三點(diǎn)彎曲，拉伸測試，維氏微硬度。然而，這些方法測試了大量的材料，這些不一定考慮這些涂層的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。儀器化壓痕測試(IIT，通常稱為納米壓痕)具有對材料上特定位置進(jìn)行局部測試的能力，從而獲得涂層機(jī)械性能的重要信息，而這些信息都很難通過其他方法獲得。此外，儀器化壓痕可以應(yīng)用點(diǎn)陣模式，在更大的面積做一個矩陣式的壓痕。隨后對結(jié)果統(tǒng)計評估，獲得了各個相的硬度和彈性模量[5-7]。當(dāng)對非常小的結(jié)構(gòu)單元對材料進(jìn)行壓痕測試時，這種方法尤其有用，因為局部壓痕非常困難，甚至不可能實現(xiàn)[8,9]。本應(yīng)用報告將演示點(diǎn)陣壓痕法在熱噴涂涂層上的應(yīng)用，由于其具有突出的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣壓痕法尤其具有優(yōu)勢。在Skoda研究公司(Plzen，捷克共和國)，點(diǎn)陣壓痕法已應(yīng)用于使用高速氧燃料(HVOF)沉積方法的陶瓷-金屬復(fù)合材料。

圖 1 – 熱噴涂渦輪葉片圖片由捷克科學(xué)院等離子體物理研究所提供

應(yīng)用報告

對三種不銹鋼基體上的三種采用HVOF方法制備的陶瓷-金屬(陶瓷)涂層：WC-17%Co, Cr3C2-25%NiCr and (Ti,Mo)(C,N)-39%NiCo 進(jìn)行點(diǎn)陣壓痕實驗。 I在下面的文章中樣品分別簡稱為WCCo, CrCNiCr, and TiMoCN。WCCo和CrCNiCr涂層典型結(jié)構(gòu)由硬質(zhì)碳化物顆?；煸谳^軟的金屬基體中[9,10]，結(jié)構(gòu)如圖3a 和圖3b所示。TiMoCN 涂層（圖 3c) 在孔隙和空隙的存在下不均勻性降低。對涂層的拋光截面進(jìn)行了點(diǎn)陣壓痕實驗。

結(jié)果討論

壓痕點(diǎn)陣的結(jié)果、彈性模量的概率密度圖(直方圖)及對測試樣品的雙峰高斯分布擬合如圖4所示。直方圖數(shù)據(jù)(壓痕點(diǎn)陣中每個壓痕的彈性模量EIT值)由矩形的高表示，而Eq.(1)定義的單一分布的擬合曲線用虛線表示。兩個分布的總和用實線表示。單一分布的參數(shù)與涂層中每一相彈性模量EIT值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差有關(guān)。WCCo和CrCNiCr涂層包含具有不同力學(xué)性能的兩種相(碳化物顆粒和金屬基體)，因此可以預(yù)期彈性模量直方圖將由具有不同峰值(每一種相對應(yīng))的兩種分布擬合。在WCCo 和 CrCNiCr涂層彈性模量EIT的直方圖可以看到兩個獨(dú)特的峰（雙峰分布） (圖4a,b)。對于WCCo涂層，雙峰高斯分布的參數(shù)μ1(相1的彈性模量，即金屬基體)和μ2 (硬質(zhì)合金顆粒的彈性模量)分別是274 GPa和 368 GPa。對于CrCNiCr涂層，CrCNiCr涂層參數(shù)μ1 (金屬基體的彈性模量)的涂層是219 GPa而參數(shù)μ2(硬質(zhì)合金顆粒的彈性模量)是310 GPa(見表1和表2)。這些值與相似成分的塊體材料顯示一致性[11]。