王靈秀 項(xiàng)斌峰 張利俊 邱洪華 蔡素燕 張瑞

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100113）

0 前言

不同于眾多涂層制備工藝，熱噴涂涂層通過高速噴槍將快速熔化的熔融金屬或陶瓷片直接堆積在基材表面，撞擊在基材表面的熔滴極速凝固并通過內(nèi)聚力形成層狀微結(jié)構(gòu)涂層，在這一過程中，原材料的物理特性、熔融顆粒分布、熱源的溫度以及顆粒的溫度與噴射速度均會(huì)對(duì)涂層的性能產(chǎn)生影響，可直接造成涂層內(nèi)部產(chǎn)生孔隙和外部產(chǎn)生開裂[1]。

在熱噴涂涂層制備過程中，常使用燃燒熱源（火焰、高速氧氣噴霧（HVOF）等）、電能、超聲空氣震動(dòng)等提供熱量以融化粉末原料，在實(shí)際使用過程中需控制粒徑的分布在20-60μm，從而減小孔隙的產(chǎn)生，若使用納米顆粒作為原料，需提前將初級(jí)納米尺寸的顆粒預(yù)團(tuán)聚成微米級(jí)的原料，以提高涂層的完整性。從以上表述中可以發(fā)現(xiàn)，原料的尺寸和物理特性對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響非常明顯，孔隙率的多少往往直接影響涂層的機(jī)械性能。因此，需要對(duì)涂層存在的某些通用機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而確定熱噴涂涂層各組件的結(jié)構(gòu)完整性。本文對(duì)熱噴涂涂層硬度和剛度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便更好地理解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系[2]。

1 熱噴涂涂層的硬度測(cè)試

熱噴涂涂層硬度測(cè)試中常使用壓痕測(cè)試來衡量其硬度大小，是在涂層表面施加一定負(fù)載來測(cè)量其抗形變的能力。在眾多測(cè)試方法中，常用努氏硬度或維氏硬度這兩種壓痕測(cè)試方法。在努氏硬度中，針對(duì)陶瓷材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM C1326-08（美標(biāo)）、CEN ENV 843-4（歐標(biāo)）、JIS R1610（日標(biāo)）和ISO 4516（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）等，在維氏硬度中，常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM C1327-08（美標(biāo)）、CEN ENV 843-4（歐標(biāo)）、JIS R1610（日標(biāo)）以及ISO 4516（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）等。從這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷基涂層的測(cè)試過程更易產(chǎn)生裂紋，因此在測(cè)試過程中需降低壓痕或微壓痕的測(cè)試負(fù)載（通常小于100gf/cm2），同時(shí)需在壓痕間保留足夠的間距來預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。相關(guān)細(xì)節(jié)可在ASTM C1326 219和ASTM C1327 220測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中查看。

維氏硬度與努氏硬度兩種壓痕測(cè)試方法在表面不造成過多裂縫的條件下，測(cè)試載荷選擇應(yīng)足夠大，以允許更好地觀察壓痕。維氏壓痕測(cè)試常使用正方形的金字塔形金剛石壓頭，維氏硬度HV的計(jì)算方法如式（1）所示：

式中，P是測(cè)試載荷（N），θ是壓頭向?qū)γ嬷g的夾角（136°），d是測(cè)得的壓痕的兩個(gè)對(duì)角線的平均長(zhǎng)度（mm）。

維氏硬度使用拉伸強(qiáng)度或彈性模量的單位GPa來表示，表明硬度可能與材料的固有特性相關(guān)，因此硬度大小和彈性模量之間存在一定關(guān)系。然而，硬度涉及材料的塑性變形和脆性破壞，具有比彈性模量更復(fù)雜的參考因素，在不考慮微觀結(jié)構(gòu)變化時(shí)，分析硬度大小可能產(chǎn)生一定的偏差。

與維氏硬度測(cè)試不同，努氏硬度測(cè)試的壓痕僅需測(cè)量所得壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度，同時(shí)努氏硬度的大小通過施加的測(cè)試負(fù)載與損傷表面上投影面積的比率進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)短對(duì)角線的彈性回復(fù)可忽略不計(jì)，努氏硬度HK的計(jì)算方法如式（2）所示：

式中，P是測(cè)試載荷（N），Ap是壓痕的投影面積（mm2），a是測(cè)得的壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度（mm）。

對(duì)于相同的試樣，在相同測(cè)試載荷下，努氏壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度比維氏壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度長(zhǎng)2-8倍。維氏壓頭的壓痕深度比努氏壓頭的壓痕深度約深1-5倍，因此維氏壓痕更可能導(dǎo)致陶瓷涂層表面產(chǎn)生破裂。通常，由于凹痕尖端和邊緣處的變形，裂紋會(huì)影響對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)量，可能改變壓痕的變形過程，從而影響硬度的測(cè)試結(jié)果。由于熱噴涂涂層是一種層狀結(jié)構(gòu)涂層，這使得涂層表面的硬度比截面部分約高1-5倍，此即熱噴涂涂層的各向異性，因此在使用努氏硬度測(cè)量時(shí)，應(yīng)針對(duì)平行于噴射方向及垂直于噴射方向進(jìn)行不同的壓痕測(cè)試[3]。ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)維氏和努氏硬度測(cè)試要求進(jìn)行十次壓痕測(cè)試來降低孔隙和裂紋網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)分布對(duì)硬度結(jié)果的影響，但是考慮到熱噴涂涂層各向異性的特性，為確保數(shù)據(jù)的可信度，不應(yīng)只選擇涂層中的密實(shí)區(qū)域進(jìn)行壓痕測(cè)試，這會(huì)使得測(cè)試結(jié)果偏高，而應(yīng)在涂層表面的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，得到多條壓痕數(shù)據(jù)，將測(cè)試的硬度平均數(shù)值與計(jì)算的硬度平均數(shù)值進(jìn)行比較，才能得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[4]。

努氏硬度測(cè)試由于壓頭本身一端比較細(xì)長(zhǎng)，所以其壓痕形狀中長(zhǎng)對(duì)角線的末尾比較細(xì)長(zhǎng)，使得長(zhǎng)度測(cè)量難以精確辨別，這對(duì)于多階段熱噴涂層的影響更為明顯，有損測(cè)試精度。

從上述內(nèi)容可以看出，維氏和努氏硬度測(cè)量結(jié)果具有不同的壓頭幾何形狀，在涂層表面的壓痕不同，即努氏硬度和維氏硬度標(biāo)度之間沒有數(shù)值上的等效性，因此，討論熱噴涂涂層的硬度時(shí)不建議將二者聯(lián)系在一起討論。

2 熱噴涂涂層的剛度測(cè)試

材料的剛度大小往往通過彈性模量（Ec）進(jìn)行衡量，而熱噴涂層的彈性模量通常與相應(yīng)的塊狀材料有較大差值，尤其是對(duì)于陶瓷涂層。彈性模量常根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中初始線性部分的斜率進(jìn)行評(píng)估，超出彈性極限時(shí)樣品會(huì)發(fā)生塑性變形，屈服并最終斷裂。對(duì)于塊狀陶瓷材料，相關(guān)的彈性極限、彈性模量和斷裂強(qiáng)度都可以計(jì)算。但是，對(duì)于陶瓷基熱噴涂涂層，其彈性模量受熔滴薄片間的內(nèi)聚力、孔隙和裂紋網(wǎng)絡(luò)分布等因素影響。當(dāng)涂層受到外部載荷影響時(shí)，涂層的不均勻片狀結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致薄片相互滑動(dòng)，從而使涂層具有一定的延展性，最終影響彈性模量的測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，陶瓷基熱噴涂涂層平行于涂層表面的模量與垂直方向的彈性模量是不同的。因此，確定彈性模量的大小具有挑戰(zhàn)性。

熱噴涂涂層的彈性模量大小取決于涂層或多相涂層中不同相的濃度、形狀、連續(xù)性和空間分布?？紤]到陶瓷基熱噴涂涂層常由兩個(gè)各向同性的相所組成，當(dāng)涂層受到外部載荷時(shí)，載荷會(huì)在每個(gè)相中產(chǎn)生相等的應(yīng)變，總復(fù)合應(yīng)力的大小是每個(gè)獨(dú)立相所承受的應(yīng)力之和?；谶@一理論，目前測(cè)試熱噴涂涂層彈性模量的方法大致有微壓痕測(cè)試法、3點(diǎn)/4點(diǎn)彎曲測(cè)試法、壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、懸臂梁測(cè)試法、激光超聲波法以及共振超聲光譜測(cè)試等。在眾多測(cè)試方法中，常用的是微壓痕測(cè)試法，但與其他方法相比，微壓痕測(cè)試的結(jié)果與測(cè)試人員的主觀性相關(guān)，當(dāng)壓痕處于涂層密集區(qū)域時(shí)，得到的彈性模量數(shù)值常偏高，如果測(cè)試選取的區(qū)域不當(dāng)，測(cè)試結(jié)果可能出現(xiàn)較大偏差[5]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在涂層表面的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。

3 總結(jié)與展望

熱噴涂涂層是由層狀微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，該層狀結(jié)構(gòu)由撞擊的熔滴的快速凝固和各熔滴間的內(nèi)聚力形成。這種結(jié)構(gòu)使熱噴涂涂層存在各向異性的機(jī)械性能，在對(duì)熱噴涂層進(jìn)行機(jī)械性能表征時(shí)，必須注意此特征。在得到熱噴涂涂層的剛度或硬度數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)提前評(píng)估整個(gè)涂層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。由于涂層的微觀結(jié)構(gòu)不均勻以及孔隙和裂紋的影響，很難得到熱噴涂涂層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。但是，可對(duì)涂層中各組成成分進(jìn)行分析得到相應(yīng)結(jié)果。

目前的研究仍缺乏評(píng)估熱噴涂涂層機(jī)械性能的整體框架，常常只關(guān)注特定涂層的工藝或性能而忽略了整個(gè)熱噴涂涂層之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。盡管有大量文獻(xiàn)記錄了涂層材料或工藝的發(fā)展，但缺乏將材料結(jié)構(gòu)、工藝和性能整合在一起的系統(tǒng)評(píng)估方法。因此，需要對(duì)熱噴涂涂層中可能出現(xiàn)的特性進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，才能從完整的角度分析涂層的機(jī)械性能。