专利名称：基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料试验方法及其试样，尤其涉及一种涂层与基体的高强度结合力测试方法及试样，具体地说是一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法。
背景技术：
涂层与基体材料界面力学性能的定量表征一直是研究者和使用者追求的目标，是表面工程技术领域急需解决的关键问题之一。涂层与基体的结合强度的定量测试对评价涂层质量、优化制备工艺和发展新涂层技术具有非常重要的理论意义和现实意义。
受测试条件和方法的限制，目前关于涂层与基体结合强度的测试及试样制备方法，大多基于使用胶粘剂及拉伸进行结合力测试，这种方法由于具有操作简单灵活且不需要复杂的理论计算的特点，被世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯和我国等普遍采用，但这种方法由于受到了胶的抗拉强度(一般不超过80Mpa)的限制，不适合高结合性能涂层结合强度的测试，因此，现有的测试方法远远滞后于涂层制备技术的发展。针对这一问题，国内外先后开展研究，着眼于开发不采用胶(消除胶抗拉强度的限制)的测试方法。划痕法最先受到青睐，后来发现该法物理意义不明确，所得到的数据比较分散，难以有效评价涂层结合性能。之后出现球压法、印痕法、界面压入法等方法，但由于这些试验方法中，试样的受力状态复杂，涂层和基体结合性能的评定参数难以计算，这些方法尚在讨论中。在开发不采用胶的测试方法的进程中，试件预埋法引起了世界各国的重视，如俄罗斯科学家提出的顶推法(图1)和ZL00107205.6提出的双锥法(图2)等，但这些方法普遍存在组合试样不能够充分反应涂层真实状态以及受到涂层自身剪切强度的限制不能用于薄涂层测试等等不足。而且，由于试样制备不合理，存在结构上的缺陷，如过定位、配合缺陷无法消除以及使用拉伸机拉伸过程中会出现偏心力而影响测试准确性，试验的重复性不高等等而限制了其推广应用。
因此，到目前为止，尚未得到一种切实可行、影响因素小、表征参数简便且物理意义明确的可用于高结合性能涂层结合强度的定量测试方法及相关的试样可供推广，无法适应涂层技术的发展，并在一定程度上制约了涂层技术的进步。
发明内容
本发明的目的是针对现有的高结合性能涂层结合力测试中存在的误差大，试样结构不合理等问题，发明一种可广泛用于高结合性能涂层结合力测试的基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法。
本发明的技术方案是一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法，其特征是首先取与基体材料相同的试样并将其加工成一由锥体和圆柱体组成的试样毛坯，其中圆柱体与锥体的小端整体相连，锥体的锥角介于2倍的基体材料摩擦角与120度之间；其次，将上述试样毛坯置于一个带有相同锥角锥孔的台阶式支撑圈中，使试样毛坯的锥体部分与该锥孔相配合，该台阶式支撑圈的大台阶直径为其中的锥孔小端直径的2～4倍，小台阶直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶的高度为1～8mm；第三，将上述配合好的试样毛坯及支撑圈置于车床或磨床上进行机械加工，切除试样毛坯伸出小台阶端面的部分，使试样毛坯的表面与小台阶端面相齐平，得到试样半成品；第四，在上述试样半成品被加工过的表面上制备涂层，使涂层全部、同时覆盖支撑圈小台阶端面和试样毛坯锥体大端端面，得到试样；第五，当涂层的厚度符合规定值时将上述试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力；当涂层的厚度低于规定值时，首先在涂层的表面上涂上胶层，然后再在胶层上粘贴一厚度为1～3mm的加强金属板，待其粘结牢固后再将其直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力。
一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试用试样，其特征是它主要由台阶状支撑圈、锥-柱结合体和涂层组成，所述的支撑圈中设有一锥孔，锥孔的大端位于小台阶体上，小台阶体的直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶体的高度为1～8mm，大台阶体的直径为锥孔小端直径的2～4倍，锥-柱结合体的锥体部分的锥角与支撑圈中锥孔的锥角相同，它的锥体部分位于台阶状支撑圈中，它的柱体部分与锥体的小端相连并位于台阶状支撑圈外，锥-柱结合体的锥体大端端面与小台阶体的端面位于同一平面上，在该平面上制备有涂层。
在所述的涂层上设有胶层，胶层上粘结有金属加强板。
本发明的有益效果(1)本发明测量方法不采用胶，其测量结果不受胶的抗拉强度的限制，可用于高结合性能涂层结合强度的测量；(2)本发明测量方法物理意义简单明确，操作简便灵活，而且不需要复杂的理论计算；(3)本发明测量方法在测量过程中涂层以压应力为主要应力，涂层在压应力作用下内聚强度一般为拉应力的3～5倍，同时涂层和基体剥离的有效面积较小，且针对薄涂层增加了加强板，测量基本不受涂层厚度的限制；(4)本发明测量方法使用的试样采用全锥面配合结构，消除了推压过程中摩擦力对测量结果的影响，提高了测量结果的准确性；(5)明确给出了锥角的确定方法，对于不同基体材料采用更为合理的锥角，增强了测试方法对不同基体材料的适应性。
(6)本发明通过大量的试验，给出了锥角、锥孔小端直径与支撑圈大台阶直径、锥孔大端直径与小台径直径之间的关系。采用本发明所揭示的配比关系所制备试样的重复性好，充分表明了其测量的准确性，可用于实际工程作业。
(7)本发明首次提出了直接利用压力试验装置作为测试加力工具，它具有装夹方便，作用力均匀，不会产生偏心力，更不会在施力过程中产生摩擦力而影响测度的准确性。
(8)本发明通过将试样设计成锥体加柱体的结构，消除了现有测试方法(详见对比文件1、2)所存在的过定位及需反复涂覆的问题，且通过常规的机械加工方法即可消除因配合需要而产生的端面不平的现象，这是现有技术中从未揭示的，它从根本上解决了配合面的密封问题，从而使试样更接近于整体试样。
图1是现有的试样结构示意图之一。
图2是现有的试样结构示意图之二。
图3是本发明的试样的结构示意图之一。
图4是本发明的试样的结构示意图之二。
图5是本发明的试样摩擦角测试原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图3所示。
一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法，它主要由以下步骤组成首先取与基体材料相同的试样并将其加工成一由锥体和圆柱体组成的试样毛坯，其中圆柱体与锥体的小端整体相连，锥体的锥角介于2倍的基体材料摩擦角与120度之间；其次，将上述试样毛坯置于一个带有相同锥角锥孔的台阶式支撑圈中，使试样毛坯的锥体部分与该锥孔相配合，该台阶式支撑圈的大台阶直径为其中的锥孔小端直径的2～4倍，小台阶直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶的高度为1～8mm；第三，将上述配合好的试样毛坯及支撑圈置于车床或磨床上进行机械加工，切除试样毛坯伸出小台阶端面的部分，使试样毛坯的表面与小台阶端面相齐平，得到试样半成品；第四，在上述试样半成品被加工过的表面上制备涂层，使涂层全部、同时覆盖支撑圈小台阶端面和试样毛坯锥体大端端面，得到试样；第五，当涂层的厚度符合规定值时将上述试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力；当涂层的厚度低于规定值时，首先在涂层的表面上涂上胶层，然后再在胶层上粘贴一厚度为1～3mm的加强金属板，待其粘结牢固后再将其直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力。
一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试用试样，是它主要由台阶状支撑圈1、锥-柱结合体2和涂层3组成，所述的台阶状支撑圈1中设有一锥孔，锥孔的大端位于小台阶体上，小台阶体101的直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶体101的高度为1～8mm，大台阶体102的直径为锥孔小端直径的2～4倍，锥-柱结合体2的锥体201的锥角与支撑圈1中锥孔的锥角相同，它的锥体201位于台阶状支撑圈1中，它的柱体部分202与锥体201的小端相连并位于台阶状支撑圈1外，锥-柱结合体2的锥体201的大端端面与小台阶体101的端面位于同一平面上，在该平面上制备有涂层3，如图3所示。当涂层较薄时，还可在涂层3上涂上胶层4，再在胶层4上粘结一金属加强板5，如图4所示。
以下是按照本发明的方法和试样所进行的氧乙炔火焰喷焊涂层的结合强度测试实例，但不仅仅限于此实例，对于前述的相关参数可根据实际情况进行选定，只要满足本发明前述所标示的参数范围，均可达到本发明的目的，完成准确的测试工作。
例支撑圈的小台阶体直径为Φ18mm，大台阶体直径为Φ30mm，其中的锥孔的大端直径为Φ15mm，锥角为20°，锥孔的小端直径为Φ11.47～11.52mm(实测值)，小台阶体的高度3mm；锥-柱结合体的总长为16mm，其中锥面长度为11mm；支撑圈和锥-柱结合体的配合锥面长度为10mm；基体材料为45钢，涂层材料为Ni60，涂层厚度为1mm。基于上述参数在相同条件下制备6件试样，在多功能力学实验装置上进行试验，涂层全部随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，测得涂层的结合强度分别为151.2MPa、160.5MPa、148.6MPa、155.4MPa、158.3MPa、152.5MPa，数据分散度仅为7.7％，远低于相关文献报道的胶粘及拉伸方法，取6个试样的平均值154.4MPa作为结合强度指标，其远高于目前在胶粘及拉伸方法中广泛使用的E-7胶的抗拉强度。
权利要求
1.一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法，其特征是首先取与基体材料相同的试样并将其加工成一由锥体和圆柱体组成的试样毛坯，其中圆柱体与锥体的小端整体相连，锥体的锥角介于2倍的基体材料摩擦角与120度之间；其次，将上述试样毛坯置于一个带有相同锥角锥孔的台阶式支撑圈中，使试样毛坯的锥体部分与该锥孔相配合，该台阶式支撑圈的大台阶直径为其中的锥孔小端直径的2～4倍，小台阶直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶的高度为1～8mm；第三，将上述配合好的试样毛坯及支撑圈置于车床或磨床上进行机械加工，切除试样毛坯伸出小台阶端面的部分，使试样毛坯的表面与小台阶端面相齐平，得到试样半成品；第四，在上述试样半成品被加工过的表面上制备涂层，使涂层全部、同时覆盖支撑圈小台阶端面和试样毛坯锥体大端端面，得到试样；第五，当涂层的厚度符合规定值时将上述试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力；当涂层的厚度低于规定值时，首先在涂层的表面上涂上胶层，然后再在胶层上粘贴一厚度为1～3mm的加强金属板，待其粘结牢固后再将其直接置于压力试验装置上进行推压试验，直到涂层随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，即可测得基体与涂层的结合力。
2.一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试用试样，其特征是它主要由台阶状支撑圈、锥-柱结合体和涂层组成，所述的支撑圈中设有一锥孔，锥孔的大端位于小台阶体上，小台阶体的直径与锥孔大端直径之差为3～8mm，小台阶体的高度为1～8mm，大台阶体的直径为锥孔小端直径的2～4倍，锥-柱结合体的锥体部分的锥角与支撑圈中锥孔的锥角相同，它的锥体部分位于台阶状支撑圈中，它的柱体部分与锥体的小端相连并位于台阶状支撑圈外，锥-柱结合体的锥体大端端面与小台阶体的端面位于同一平面上，在该平面上制备有涂层。
3.根据权利要求2所述的试样，其特征是在所述的涂层上设有胶层，胶层上粘结有金属加强板。
全文摘要
本发明给出了一种基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样。本发明的试样由台阶状支撑圈(1)、锥－柱结合体(2)和涂层(3)组成。本发明方法测试涂层结合强度的步骤是1.采用与基体相同的材料制造锥－柱结合体(2)和台阶式支撑圈(1)，将两者配合后，通过机械加工使锥－柱结合体(2)的锥体大端端面与台阶式支撑圈(1)小台阶体端面位于同一平面上；2.在该平面上制备被测涂层(3)，当涂层较薄时，还可在涂层(3)上涂上胶层(4)，再在胶层(4)上粘结一金属加强板(5)；3.将试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，测量涂层的结合强度。本发明测试方法具有物理意义简单明确，操作简便灵活，试验的重复性好等一系列优点。
文档编号G01N19/00GK101074918SQ200710024610
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者左敦稳, 王宏宇, 黎向锋, 孙业斌, 徐锋, 余亚平 申请人:南京航空航天大学