李秦偉，王快社，胡 平，楊 帆，胡卜亮

(1.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)(2.西安建筑科技大學(xué)功能材料加工國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710055)

0 引 言

涂層技術(shù)作為一種表面工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、能源、航空航天等領(lǐng)域，其主要目的是在高溫磨損腐蝕等環(huán)境中保證基體的穩(wěn)定性和正常使用。而在整個(gè)服役期間內(nèi)，結(jié)合強(qiáng)度對(duì)涂層的使用壽命起著至關(guān)重要的作用，因此，足夠的結(jié)合強(qiáng)度是發(fā)揮涂層對(duì)基體保護(hù)性能的前提[1-2]。在一定的載荷下，界面結(jié)合強(qiáng)度越高，在服役過(guò)程中界面穩(wěn)定性越好。當(dāng)溫度范圍不同，基體與涂層之間熱膨脹系數(shù)適配率不同，導(dǎo)致在界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力逐漸集中導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)微裂紋而進(jìn)一步失效[3]。

結(jié)合強(qiáng)度主要取決于界面結(jié)合力的大小，界面結(jié)合力是指將單位面積的涂層從基體上剝離下來(lái)所需要的力[4]。目前由于結(jié)合力測(cè)定比較復(fù)雜且影響因素較多還沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)定方法[5-6]，一般采用拉伸法、劃痕法、彎曲法等方法進(jìn)行測(cè)定，不同的方法各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，在使用過(guò)程中需要定量地對(duì)結(jié)合強(qiáng)度予以測(cè)量，通過(guò)不同途徑來(lái)達(dá)到增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度的目的，以提高涂層的使用壽命。本文綜述了結(jié)合強(qiáng)度的影響因素與目前測(cè)定結(jié)合力的方法，討論了結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定的研究現(xiàn)狀并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 涂層制備技術(shù)

1.1 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)包括火焰噴涂、等離子噴涂、激光熱源噴涂等，是采用熱源將材料霧化借助高速氣體將其噴射到基體表面快速冷卻沉積成具有某種功能的涂層技術(shù)。熱噴涂技術(shù)對(duì)基體和涂層的使用范圍廣，尺寸和形狀不受限制，工件變形小，厚度可控性高?；w表面的清潔度和粗糙度會(huì)影響結(jié)合性能，因此在噴涂前對(duì)一般基體進(jìn)行表面凈化和粗化加工處理[7]，同時(shí)起到增大基體的粗糙度和結(jié)合面積，或者采用機(jī)械方法或電化學(xué)刻蝕方法如噴砂、電拉毛等增大基體表面粗糙度，粗糙度的增加可以在基體表面引起鉤鏈效應(yīng)和鉚接效應(yīng)，使涂層與基體的結(jié)合面積增大，有效分散界面處的拉應(yīng)力[8]，凈化和活化基體表面，增強(qiáng)膜基金屬機(jī)械嚙合，改善涂層在基體表面的附著性能的作用[9-11]，有效的提高結(jié)合力。Osaka等[12]用25～75 ℃的H2O2/HCL的溶液處理金屬鐵，在表面制備出了多孔膜和納米棒陣列。熱噴涂技術(shù)一般可制備抗氧化(如MCrAlY、TBC)、耐腐蝕、耐磨(如WC/Co)等涂層，且制備涂層時(shí)涂層厚度、孔隙率具有一定的可控性，與基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到70-140 MPa，孔隙率可降至0.5%～1.0%。熱噴涂的涂層材料選擇性大，如金屬或合金、陶瓷、以及復(fù)合材料，且在噴涂過(guò)程中對(duì)基材性能影響較小，涂層厚度控制范圍大，但在噴涂較小面積的零件時(shí)經(jīng)濟(jì)性差。

1.2 表面改性技術(shù)

金屬材料表面改性技術(shù)主要是指金屬表面形變強(qiáng)化、金屬表面擴(kuò)滲、等離子表面處理等。其中涂層技術(shù)方面主要是指基體表面化學(xué)熱處理或合金化，常用的方法有滲氮、滲鋁、滲硅、滲硼等。是將擴(kuò)滲元素在外界條件下滲入基體表層，從而使基體表面成分發(fā)生變化，組織與性能得到提高的一種工藝。表面改性技術(shù)可優(yōu)化基體的耐磨損和抗疲勞性能。表1所示為幾種滲氮工藝處理后擴(kuò)散層厚度及硬度。

表1 幾種滲氮工藝處理后擴(kuò)散層厚度及硬度

1.3 化學(xué)氣相沉積技術(shù)

化學(xué)氣相沉積技術(shù)是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過(guò)原子分子間化學(xué)反映的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。工作氣氛主要是惰性氣體(如Ar)、還原氣體(如H2)和反應(yīng)氣體(如N2、CH4、CO2、水蒸氣、NH3)等?；瘜W(xué)氣相沉積主要用于材料表面改性，解決耐磨、抗氧化、抗腐蝕以及一些特殊的性能要求，如TiN、TIC、TaC、ZrN、Al2O3涂層等?；瘜W(xué)氣象沉積工藝溫度高，被處理的工件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致基材性能下降需要進(jìn)行后續(xù)工藝處理。而在選取基體與涂層的材料時(shí)，晶體間的最小錯(cuò)配，結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)差異，涂層的梯度生長(zhǎng)，會(huì)影響界面能大小、涂層晶粒的生長(zhǎng)形式、以及熱膨脹失配，選擇合適的材料體系，可有效減小涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)合強(qiáng)度。馮長(zhǎng)杰等[13]采用電弧離子鍍(AIP)技術(shù)在1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼上沉積(Ti,Al)N梯度涂層，結(jié)果表明，薄膜均勻致密且與基體的結(jié)合強(qiáng)度較好。

1.4 物理氣相沉積技術(shù)

物理氣象沉積是將涂料通過(guò)高溫蒸發(fā)、濺射、電子束、等能量形成產(chǎn)生氣相原子、離子、分子在固態(tài)表面上沉積凝聚生成固相薄膜。根據(jù)沉積過(guò)程中能量供給方式、固-氣相轉(zhuǎn)變方式、氣相粒子形態(tài)與荷能、粒子形態(tài)轉(zhuǎn)變、鍍料粒子與反應(yīng)氣體的反應(yīng)活性以及沉積成膜基體表面條件不同可分為真空蒸鍍、磁控濺射、射頻濺射等。物理氣相沉積鍍膜材料廣泛，可采用高溫蒸發(fā)，也可用低溫濺出，沉積粒子能量可調(diào)節(jié)，反應(yīng)活性高。主要應(yīng)用于純金屬膜、合金膜、化合物膜等，如TiC、TiCN、ZrN、CrN等耐磨涂層，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的M-CoCrAlY耐熱涂層，Al-Si、Ti、Pt、Mo-Si、Si3N3鈍化膜等。物理氣相沉積可通過(guò)改變速率和入射角等參數(shù)沉積不同結(jié)構(gòu)和結(jié)晶形態(tài)不同的薄膜，且膜厚精度高，薄膜純度高。

1.5 表面復(fù)合離子處理技術(shù)

表面復(fù)合離子處理是將兩種或多種表面技術(shù)加以組合來(lái)制備復(fù)合涂層、膜層、復(fù)合改性涂層的表面處理工藝。包含離子注入與鍍膜技術(shù)復(fù)合、激光或電子束與氣相沉積技術(shù)復(fù)合、等離子噴涂與激光技術(shù)復(fù)合等。在離子束輔助沉積過(guò)程中，離子轟擊提高了薄膜的致密度，消除或減輕了膜層的本征應(yīng)力，改善了膜層的性能，通過(guò)離子轟擊可得到較寬的膜原子與基體原子的界面過(guò)渡區(qū)，這對(duì)提高膜/基結(jié)合力極為有利，圖2為幾種離子束輔助沉積合成硬質(zhì)薄膜性能。

表2 幾種離子束輔助沉積合成硬質(zhì)薄膜性能

涂層性能要求的提高對(duì)制備方法的要求不斷提高，傳統(tǒng)的制備方法如包埋滲、料漿法等雖涂覆方便且成本較低，但成分不易控，穩(wěn)定性有待提高。熱噴涂和氣相沉積等方法制備的涂層缺陷少、可精確控制涂層的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，但工藝復(fù)雜成本較高。Edward等[14]在鉬基體表面利用CVD和金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積法制備的MoSi2-SiO2復(fù)合抗氧化涂層厚度均勻且結(jié)合強(qiáng)度較好。王璟等[15]利用等離子噴涂法在鉬合金上成功制備出與基體結(jié)合強(qiáng)度較好的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層(ML/LNZ)。

2 影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素

界面間的結(jié)合力是由吸附力、鍵合力以及結(jié)合力多種力耦合作用形成的，涂層、基體以及界面的的彈性模量、硬度、厚度、結(jié)合強(qiáng)度均會(huì)對(duì)結(jié)合力產(chǎn)生影響[16]。

2.1 涂層參數(shù)及工藝類(lèi)型

不同的涂覆工藝以及參數(shù)均會(huì)影響界面的結(jié)合，其主要是通過(guò)涂層的孔隙率、致密度來(lái)影響涂層內(nèi)部應(yīng)力的變化和分布狀態(tài)，Yang等[17]通過(guò)等離子體輔助電子束物理氣相沉積在碳化硅基體表面制備得到了具有壓縮/拉伸應(yīng)力的硅多層膜，總厚度可達(dá)20 μm，且與基體結(jié)合緊密。Marcin等[18]進(jìn)行不同厚度范圍內(nèi)采用恒定噴涂參數(shù)的冷噴涂制備Al-Al2O3涂層，結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)61 MPa，范文超等[19]采用超音速等離子噴涂制備的AlSi-20%Al/Ni涂層結(jié)合強(qiáng)度為65.5 MPa。Wu等[20]采用大氣等離子噴涂在鎳基高溫合金上以NiCoCrAlY為粘結(jié)層制備單一和雙陶瓷熱障涂層并進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明雙陶瓷涂層結(jié)構(gòu)可緩解陶瓷層和高溫金屬粘結(jié)層之間的熱失配問(wèn)題。

2.2 潤(rùn)濕性及界面擴(kuò)散

液態(tài)涂材在基體表面進(jìn)行結(jié)合的前提是發(fā)生潤(rùn)濕，而發(fā)生潤(rùn)濕取決于分子間吸引力，若涂材與基體間分子吸引力較大，則在基體表面發(fā)生潤(rùn)濕進(jìn)行結(jié)合，潤(rùn)濕程度由接觸角θ反映，實(shí)際生產(chǎn)中一般通過(guò)表面預(yù)處理方法如噴砂和輔助方法如噴涂粘結(jié)層等來(lái)提高基體表面的粗糙度和粘結(jié)性以增加結(jié)合強(qiáng)度。而在結(jié)合面兩側(cè)的區(qū)域會(huì)發(fā)生涂層和基體的擴(kuò)散形成固溶體、低熔點(diǎn)共晶或金屬間化合物。此外，當(dāng)加入第二或第三元素使合金熔點(diǎn)或液相線溫度改變，會(huì)對(duì)擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生明顯影響。如在γ-Fe中加入Mo會(huì)形成碳化物從而降低碳的擴(kuò)散系數(shù)。

2.3 涂層應(yīng)力狀態(tài)

由于不同材料的熱膨脹系數(shù)之間存在差異，在溫度變化時(shí)兩者的延伸率不同導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，使界面處產(chǎn)生裂紋，在使用過(guò)程中從裂紋處開(kāi)始氧化或腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致涂層失去對(duì)基體的保護(hù)作用。隨著殘余應(yīng)力，化學(xué)應(yīng)力(或擴(kuò)散引起的應(yīng)力)的增大，殘余應(yīng)力和擴(kuò)散引起的應(yīng)力的耦合作用下的微裂紋的擴(kuò)展行為也可能會(huì)導(dǎo)致涂層的失效。Nazir等[21]進(jìn)行了在壓應(yīng)力作用下，加上擴(kuò)散引起的應(yīng)力的微裂紋涂層的分層研究，表明隨著熱膨脹失配導(dǎo)致涂層中的殘余壓應(yīng)力逐漸增大，阻礙了界面擴(kuò)散，進(jìn)而減小了涂層中由于擴(kuò)散引起的應(yīng)力。

綜上所述，潤(rùn)濕是涂層在基體表面進(jìn)行結(jié)合的前提，不同的噴涂參數(shù)和工藝也是影響結(jié)合強(qiáng)度的重要因素，而實(shí)際由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)之間存在差異，導(dǎo)致涂層中存在界面缺陷和殘余應(yīng)力，均會(huì)削弱涂層的結(jié)合力，因而針對(duì)不同的基體和性能需求選擇對(duì)應(yīng)的涂層，根據(jù)涂層性能采用相配的工藝，以減少由于涂層缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響。

3 涂層界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定方法

Chalker等[22]提出測(cè)量界面結(jié)合性能需要有準(zhǔn)確的模型參量?？紤]到實(shí)際服役環(huán)境的復(fù)雜多變，測(cè)量方法還需符合工況，即涂層和基體在界面處的分離并非瞬時(shí)破壞，而是較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)作用的結(jié)果[23]。楊班權(quán)等[24]根據(jù)脆韌性材料斷裂行為不同將涂層和基體劃分為脆性和韌性并相互組合形成四大類(lèi)。不同的測(cè)試方法、力學(xué)模型、計(jì)算方法之間均會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但是如果誤差不大，則可以認(rèn)為是準(zhǔn)確的，Zhang等[25]采用基體側(cè)面壓入法和垂直拉伸法兩種方法測(cè)量Al2O3/Al 6061基體界面結(jié)合的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。

3.1 熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定

熱噴涂過(guò)程中結(jié)合強(qiáng)度的影響因素較多，如噴涂速度、噴涂溫度等，結(jié)合類(lèi)型包括機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合和冶金結(jié)合3種，其中以機(jī)械結(jié)合為主，擴(kuò)散與冶金結(jié)合也起著一定影響，要根據(jù)不同的材料體系選擇合適的測(cè)試方法，如表3為幾種涂覆方法結(jié)合強(qiáng)度，一般可采用的方法有拉伸法、壓痕法等。

拉伸法是Agrawal和Raj[26]基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的剪滯模型提出的，即涂層受到的應(yīng)力由結(jié)合界面來(lái)傳遞。對(duì)結(jié)合界面施加法向載荷，當(dāng)載荷不斷增大到達(dá)臨界值時(shí)涂層出現(xiàn)剝落，根據(jù)剝落時(shí)的瞬時(shí)載荷作為結(jié)合力強(qiáng)弱的參考。拉伸法適用于測(cè)定界面結(jié)合強(qiáng)度小于粘結(jié)強(qiáng)度且粘結(jié)性能較好的涂層[27]，但當(dāng)涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松時(shí)可能導(dǎo)致粘結(jié)劑的滲入。Xie等[28]采用此法測(cè)定了Al-5%Mg基體表面Al2O3涂層的界面剪切強(qiáng)度并進(jìn)行了有限元模擬，根據(jù)剪切應(yīng)力值對(duì)結(jié)合強(qiáng)度值進(jìn)行了估算。實(shí)際中基體與涂層的韌脆性存在差異，在載荷作用下的變形行為不盡相同，因此只根據(jù)涂層剝落的瞬時(shí)載荷來(lái)說(shuō)明結(jié)合強(qiáng)度是具有一定的局限性的。如基體的韌性較小時(shí)，在載荷作用下基體出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至被破壞時(shí)涂層尚未出現(xiàn)裂紋和剝落。但拉伸法較適用于測(cè)定彈性模量大于基體的脆性涂層，因?yàn)榇朔椒ň褪且酝繉颖旧淼拈_(kāi)裂特征來(lái)計(jì)算剪切強(qiáng)度的。不同的涂覆方法也會(huì)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生影響，表3為不同涂覆工藝下界面間的結(jié)合強(qiáng)度[29]，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8642-2002[30]采用拉伸法評(píng)價(jià)熱噴涂涂層的強(qiáng)度或熱噴涂涂層與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)出的最大載荷和和截面積計(jì)算結(jié)合強(qiáng)度，滿足靜態(tài)加載，適用于評(píng)價(jià)基體材料、噴涂材料、工件的表面預(yù)處理。

表 3 幾種涂覆方法結(jié)合強(qiáng)度

壓痕法是將維氏或洛氏壓頭以一定的載荷壓入涂層，然后根據(jù)載荷與裂紋曲線的斜率來(lái)判斷結(jié)合強(qiáng)度。王海斗等[31]研究了等離子噴涂層應(yīng)力水平對(duì)聲發(fā)射幅值的影響，結(jié)果表明，聲發(fā)射幅值與接觸應(yīng)力的大小無(wú)明顯的關(guān)系。馬增勝等[32]采用納米壓痕法研究了拉伸應(yīng)變對(duì)鎳薄膜力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，彈性模量和硬化指數(shù)與材料的變形程度無(wú)關(guān),屈服強(qiáng)度和變形階段有關(guān)。圖1為德國(guó)評(píng)價(jià)結(jié)合強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，此方法采用洛氏硬度計(jì)加載，在與壓痕邊緣相鄰的膜層破壞后卸載用光學(xué)顯微鏡觀察以評(píng)定其試驗(yàn)結(jié)果。圖中HF-1～HF-4(HF是德語(yǔ)中結(jié)合強(qiáng)度的縮寫(xiě))表示有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，而HF-5～HF-6表示結(jié)合強(qiáng)度不夠[33]。

圖1 壓痕法測(cè)結(jié)合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

3.2 表面擴(kuò)滲強(qiáng)度測(cè)定

金屬表面擴(kuò)滲主要受溫度和時(shí)間的影響，擴(kuò)散層的深度在一定范圍內(nèi)隨處理溫度增加而顯著增加，隨時(shí)間延長(zhǎng)呈拋物線關(guān)系增長(zhǎng)，但溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，滲層內(nèi)殘余壓應(yīng)力增加，滲氮層組織粗化反而使?jié)B層的硬度下降，一般用處理后的表面硬度來(lái)表征擴(kuò)滲層的性能，可采用的方法有劃痕法、壓痕法、刮剝法等。

劃痕法是將一曲率半徑很小的圓錐形端頭硬質(zhì)針與涂層表面豎直接觸，施加法向與切向載荷使劃針沿著涂層表面進(jìn)行刻劃，根據(jù)刻劃產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱、切向摩擦力變化拐點(diǎn)及劃痕形貌3種方法綜合評(píng)定臨界載荷來(lái)測(cè)量涂層-基體材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，此方法主要適用于厚度在7 μm以下的硬質(zhì)薄膜涂層(如TiN、TiC等[34])。因?yàn)槿敉繉雍穸容^大時(shí)此方法產(chǎn)生的界面應(yīng)力不足以使界面開(kāi)裂。Guojia Ma等[35]用劃痕法測(cè)定了TiN涂層在200 N載荷下摩擦系數(shù)的演變，并根據(jù)不同的磨損行為與機(jī)制將刻劃過(guò)程中摩擦系數(shù)的演變劃過(guò)程分為3個(gè)階段，低摩擦、犁削摩擦和涂層擊穿階段。Fu等[36]對(duì)304不銹鋼進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理在鋼基表面產(chǎn)生納米晶層，采用劃痕法測(cè)定表明涂層具有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度。壓痕法在測(cè)試熱噴涂結(jié)合強(qiáng)度部分已進(jìn)行描述，在此不再贅述。刮剝法是從結(jié)合面處切入并施加逐漸增大的載荷直到涂層剝落[37]，整個(gè)過(guò)程以能量的消耗作為結(jié)合強(qiáng)度的量度。刮剝法測(cè)量時(shí)須有切入的基準(zhǔn)面，且切削工具的硬度要比涂層的硬度值小[38]。

3.3 氣相沉積結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)涂層與基體界面結(jié)合狀態(tài)，氣相沉積可分為覆蓋表層與擴(kuò)散表層，主要應(yīng)用于耐磨涂層，在高溫涂層中熱穩(wěn)定性較好，涂層致密均勻且密度、純度、結(jié)構(gòu)和晶粒度易于控制，結(jié)合強(qiáng)度較高。一般采用的測(cè)試方法有彎曲法、熱沖擊實(shí)驗(yàn)法、劃痕法、壓痕法等。

彎曲法的原理是對(duì)涂層-基體體系施加載荷，在載荷作用下整個(gè)體系出現(xiàn)彎曲，或加載反復(fù)載荷使其彎曲，由于不同材料的彈性模量不同，基體和涂層之間出現(xiàn)分層并逐漸剝落，通過(guò)觀察涂層的剝離情況評(píng)定結(jié)合強(qiáng)度的高低。測(cè)定過(guò)程中根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)來(lái)判斷界面是否開(kāi)裂，但在加載過(guò)程中加載端的壓頭容易發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)影響測(cè)定結(jié)果。彎曲法適用于較厚的涂層，任鳳章等[39]采用電鍍技術(shù)在不銹鋼基體上制備Cu膜與Ni膜，用三點(diǎn)彎曲法測(cè)其彈性模量E，結(jié)果表明在7～15 μm的厚度范圍內(nèi)彈性模量不隨膜厚變化。

熱沖擊試驗(yàn)用于測(cè)試結(jié)構(gòu)材料或復(fù)合材料經(jīng)高溫及低溫的連續(xù)環(huán)境下因熱脹冷縮所引起的化學(xué)變化或物理變化。若結(jié)合強(qiáng)度較差，在動(dòng)態(tài)熱循環(huán)載荷下涂層易出現(xiàn)剝落，因此在實(shí)際中應(yīng)選擇膨脹系數(shù)較為匹配的材料，以減小界面處的熱應(yīng)力并提高涂層的抗熱震性能，實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)采用一層或多層過(guò)渡層來(lái)減小膨脹系數(shù)梯度。陳孟成等[40]對(duì)采用電子束物理氣相沉積制備進(jìn)行的MCrAlY熱障涂層進(jìn)行高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)，表明涂層具有較好的熱穩(wěn)定性。

3.4 表面復(fù)合離子處理結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定

表面復(fù)合離子處理技術(shù)通過(guò)兩種或多種表面技術(shù)制備復(fù)合涂層，提高了薄膜的致密度，消除或減輕了膜層的本征應(yīng)力，改善了膜層的結(jié)合性能，涂層的硬度較高，對(duì)于硬質(zhì)薄涂層，常采用的方法有劃痕法、壓痕法等，但這些方法是以涂層從基體剝離的瞬間對(duì)應(yīng)的臨界載荷來(lái)表征結(jié)合強(qiáng)度，而針對(duì)實(shí)際服役條件的動(dòng)態(tài)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定法是對(duì)涂層體系施加持續(xù)載荷并觀測(cè)其剝落情況，與實(shí)際應(yīng)用中涂層體系基本處于反復(fù)載荷下的條件較為接近，對(duì)工程更具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，主要包括單擺沖擊劃痕法、解除疲勞法等。

單擺沖擊劃痕法是使擺錘以一定的初速度刻劃試樣表面進(jìn)行一系列由淺入深的沖擊劃痕試驗(yàn)，整個(gè)刻劃過(guò)程經(jīng)歷彈性接觸、塑性變形、斷裂等過(guò)程。利用一維劃痕模型計(jì)算出單位長(zhǎng)度涂層-基體界面破壞時(shí)所消耗的能量，對(duì)涂層-基體界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行表征。Duan等[41]通過(guò)測(cè)量物理氣相沉積制備的硬質(zhì)TiN涂層開(kāi)發(fā)了一種高精度測(cè)量沖擊能量消耗的單擺錘沖擊劃痕試驗(yàn)，提出了評(píng)價(jià)涂層和基體之間的粘附性的新標(biāo)準(zhǔn)。

接觸疲勞法評(píng)價(jià)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的指標(biāo)包括在特定載荷下涂層疲勞剝落時(shí)的循環(huán)周次與在相同載荷和循環(huán)次數(shù)下涂層剝落面積的百分?jǐn)?shù)。接觸疲勞法根據(jù)剪切應(yīng)力表征結(jié)合強(qiáng)度，適用于測(cè)定硬質(zhì)薄膜和硬基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，但是接觸疲勞法在測(cè)結(jié)合強(qiáng)度較大的界面，最大剪切應(yīng)力值增大的同時(shí)深度也遠(yuǎn)離界面，從而導(dǎo)致實(shí)際最大剪應(yīng)力幅變化不大。邱龍時(shí)等[42]采用小直徑、髙彈性模量Al2O3球的滾動(dòng)接觸疲勞方式，對(duì)高結(jié)合強(qiáng)度的硬質(zhì)薄膜進(jìn)行評(píng)價(jià)。Song等[43]采用此法測(cè)定了通過(guò)磁控濺射在Si基體上制備CuCr涂層的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明擴(kuò)散阻擋層和轟擊能量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響可以通過(guò)此試驗(yàn)靈敏地測(cè)定，且擴(kuò)散阻擋層可以提高結(jié)合強(qiáng)度。Chen等[44]根據(jù)此法采用5×106周期的循環(huán)測(cè)定了等離子體輔助化學(xué)氣相沉積TiN涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度。Haipal等[45]通過(guò)磁控濺射在AISI 52100鋼基體表面沉積了氫化金剛石碳涂層并通過(guò)此方法測(cè)定了其摩擦學(xué)性能。

He等[46]采用界面處的切應(yīng)力來(lái)表征疲勞強(qiáng)度，然后根據(jù)高周次界面疲勞強(qiáng)度作為涂層和基體結(jié)合強(qiáng)度的量度。

綜上所述，拉伸法適用于測(cè)定彈性模量大于基體的脆性涂層，彎曲法在涂層與基體的界面上表現(xiàn)出來(lái)的主要是剪切應(yīng)力，適合于結(jié)合強(qiáng)度較弱的各類(lèi)涂層。而動(dòng)態(tài)測(cè)試方法是進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，較為符合實(shí)際服役環(huán)境中涂層與基體在載荷作用下的行為狀況，因此對(duì)于涂層-基體界面的結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定更具有參考性，但是測(cè)試方法較為復(fù)雜且測(cè)定過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)易受影響。各種測(cè)定方法表征結(jié)合強(qiáng)度的主要條件就是界面與涂層內(nèi)的應(yīng)力分布狀況，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)結(jié)構(gòu)的特殊性、復(fù)雜的載荷情況、涂層和基體的彈性和塑性性能等因素均會(huì)導(dǎo)致涂層的失效模式多種多樣，因此在測(cè)量時(shí)最好先確定涂層與基體材料的力學(xué)性能并進(jìn)行比較分析，然后需要根據(jù)不同的涂層類(lèi)型和實(shí)際需要來(lái)選擇某種或幾種合適的測(cè)定方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合強(qiáng)度是涂層在各種服役環(huán)境下保護(hù)基體的重要前提，是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定的各種測(cè)定方法具有不同的特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體的涂層和基體材料、涂層厚度、結(jié)合強(qiáng)度范圍等綜合因素來(lái)選擇合適的測(cè)定方法，以盡量避免由于測(cè)量方法和結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算方法的不同帶來(lái)的誤差。在測(cè)量某種涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在表征和評(píng)價(jià)指標(biāo)相同的情形下可以對(duì)多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量對(duì)比以減小誤差。提高基體和涂層的結(jié)合強(qiáng)度是保證涂層穩(wěn)定性的重要前提，在對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定后還應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)針對(duì)不同涂層性能需求選取的表面預(yù)處理以及噴涂工藝和噴涂參數(shù)進(jìn)一步改善涂層的組織均勻性和涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

準(zhǔn)確地表征涂層界面性能是了解界面性質(zhì)并進(jìn)而控制和改善最重要的基礎(chǔ)之一，但由于界面通常受界面斷裂韌性和應(yīng)力狀態(tài)等較多因素的影響，迄今為止對(duì)涂層界面的結(jié)合強(qiáng)度還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定方法。可以預(yù)料，隨著現(xiàn)代測(cè)定方法和噴涂設(shè)備的改進(jìn)人們對(duì)涂層界面的認(rèn)識(shí)將不斷深化，并用于指導(dǎo)和控制界面和材料性能，達(dá)到提高界面結(jié)合強(qiáng)度的目的，以滿足不同使用條件的要求。