表面力學測試

熱噴涂陶瓷-金屬復合材料點陣壓痕的應用

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采用，熱噴涂涂料(TSC)也得到了廣泛的應用。應用案例包括飛機引擎，造紙工業，化學工業，和獨立的陶瓷部件上，雖然具有廣泛的工業應用，仍然再繼續研究這些涂層，尤其是它們的機械性能。這主要是由于熱噴涂(通常)是在高溫下進行操作，然后在較低溫度下快速凝固，這導致了不同的形成階段。此外，大多數噴涂材料含有幾種不同性質的成分，使其結構具有很強的異向性。因此，測定這些非均質材料(沉積物)的力學性能是一項具有挑戰性的任務，有幾種常用的方法來測定其機械性能: 三點彎曲，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結構。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行局部測試的能力，從而獲得涂層機械性能的重要信息，而這些信息都很難通過其他方法獲得。此外，儀器化壓痕可以應用點陣模式，在更大的面積做一個矩陣式的壓痕。隨后對結果統計評估，獲得了各個相的硬度和彈性模量[5-7]。當對非常小的結構單元對材料進行壓痕測試時，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[8,9]。本應用報告將演示點陣壓痕法在熱噴涂涂層上的應用，由于其具有突出的非均質結構，點陣壓痕法尤其具有優勢。在Skoda研究公司(Plzen，捷克共和國)，點陣壓痕法已應用于使用高速氧燃料(HVOF)沉積方法的陶瓷-金屬復合材料。

圖 1 – 熱噴涂渦輪葉片圖片由捷克科學院等離子體物理研究所提供

應用報告

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 進行點陣壓痕實驗。 I在下面的文章中樣品分別簡稱為WCCo, CrCNiCr, and TiMoCN。WCCo和CrCNiCr涂層典型結構由硬質碳化物顆粒混在較軟的金屬基體中[9,10]，結構如圖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行了點陣壓痕實驗。

結果討論

壓痕點陣的結果、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。直方圖數據(壓痕點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。單一分布的參數與涂層中每一相彈性模量EIT值的平均值和標準方差有關。WCCo和CrCNiCr涂層包含具有不同力學性能的兩種相(碳化物顆粒和金屬基體)，因此可以預期彈性模量直方圖將由具有不同峰值(每一種相對應)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特的峰（雙峰分布） (圖4a,b)。對于WCCo涂層，雙峰高斯分布的參數μ1(相1的彈性模量，即金屬基體)和μ2 (硬質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μ1 (金屬基體的彈性模量)的涂層是219 GPa而參數μ2(硬質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]。

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