11--涂层设计篇

2、功能梯度涂层
• 功能梯度涂层可使基体到涂层的成分逐渐变化，能形成一
个缓和应力的过渡层。这样既保证了涂层与基体的结合，
又保证了涂层在使用环境中的特殊性能。 • 热喷涂 • 离子束辅助沉积
小晶粒到大晶粒过渡的晶面使材料更强和更韧
• 多次喷涂＋激光熔覆获得镍基合金＋WC涂层
3、多层复合涂层
• 合理地设计和制备多层复合涂层可以使其获 得高的膜基结合强度、高耐磨性、高耐蚀性、 高的综合塑性和强度等特殊性能。 • 注意：
• 原来的单一的表面技术由于其固有的特点
和局限性．往往不能满足这些苛刻要求。 • 将两种或多种表面技术以适当的顺序和方 法加以组合，或以某种表面技术为基础制 造复合涂层或改性层的一些技术，即复合 表面技术。
2.1.1
以增强耐磨性为主的复合表面技术
• 1、电镀、化学镀复合涂层： • 使金属和不溶性固体微粒共沉积，可以 获得各种微粒弥散金属基复合镀层。
腐蚀等级 定性分析：采用目测法或3-5倍放大镜，对腐蚀产物的 颜色和状态进行观察分析。根据保存的原始试样与腐蚀 后的试样颜色/光泽度对比，可将涂层的腐蚀等级分为5 级： 1级腐蚀：涂层表面基本上无变化或仅光泽微暗； 2 级腐蚀：涂层出现腐蚀点或膜状氧化物或光泽暗淡 ，但无基体金属腐蚀点； 3级腐蚀：出现基体金属腐蚀点，但少于总面积10%； 4级腐蚀：基体金属腐蚀点面积小于总面积30%，或涂 层开裂面积达到同样程度； 5级腐蚀：基体金属腐蚀点面积/涂层开裂面积超过总 面积30%。 定量分析：根据涂层在单位时间、单位面积上的重量变 化来计算腐蚀速率。
成分面分析
1.9 涂层相分析
250
★
★
★
▲
★ α-Al2O3
▲ γ-Al2O3
◆ TiO2
Intensity(Counts)
X射线衍射仪
200
★ ★
150
★ ★
▲
★
100
★
50
◆
▲
◆ ◆
50 60 70 80
0 20 30 40
2-Theta
等离子喷涂纳米AT13涂层XRD分析
a
2

b
微米AT13涂层中 的Al2O3形态及选 区电子衍射图样 a.α-Al2O3 [223]， b.η-Al2O3[211]， c.α-Al2O3多晶与 非晶衍射环
•
• • • • • • •
2 表面工程技术设计 以系统的观点对表面工程诸多方面进行总体 优化、综合运用，并实施科学的技术管理。 主要内容： 1.所采用的材料设计 2.表面涂层结构设计 3.表面工程的工艺设计 4. 工艺过程控制(参数的确定) 5. 测试方法与检验标准 6. 寿命的估算
2.1 复合表面涂层设计
动态/回弹压痕硬度测量是将一个具有标准重量和尺寸的物 体从一定的高度下落到被测材料的表面并从其表面弹起，根据回 弹的高度来测定被测材料的硬度值。 划痕硬度测量是通过被测物体去刻划已知硬度的另一种物体 或用已知硬度的一种物体去刻划被测物体，根据所产生的划痕大 小来评价硬度值，属于一种半定量测定方法。
（1）涂层显微硬度测量 显微硬度计测量，膜厚应大于压痕所产生的塑 性形变区及影响区深度，如维氏硬度，膜厚至少要 为压痕深度的10倍，当镀膜非常薄时，基片的硬度 会影响膜的硬度。
冲蚀磨损试验 冲蚀磨损试验的试样放入橡胶保护板上并固定，在 喷砂室内，用射吸式喷砂枪喷砂冲蚀。试验完毕后，根 据涂层质量减少量来评定涂层耐冲蚀磨损能力，冲蚀磨 损实验特别适用于由气体或液体携带一定尖锐度的硬质 颗粒冲刷造成的冲蚀磨损。 喷砂试验示意图 1-喷砂枪 2-喷嘴 3-试样 4-橡胶保护板 5-电磁盘
表面技术
表面分析方法及表面技术设计篇
山东科技大学材料科学与工程学院 2015
1 表面分析技术
涂层的分析与检测有共性和特性之分
涂层的共性检测包括外观、厚度、硬度、残余 应力、界面结合力、孔隙率测量和显微组织观 察等 特性分析包括耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、 导电性检测等。
1.1 涂层外观的检测 涂层外观的检测包括表面缺陷、粗糙度、 光泽度和覆盖性，通常采用肉眼观察和仪器 测量的办法。
• (1)涂层与基体、涂层与涂层在结构上的合理匹配能得到低 的界面能和高的结合强度。 • (2)涂层与基体元素亲和力好，在制膜工艺条件下如能相互 扩散形成间隙或无限固溶体，可大大提高结合强度。
• (3)涂层与基体(或涂层)的热膨胀系数值应相近。
• (4)对重载工况下的涂层，要求基体有足够的支承
强度、足够高的硬度和韧性。
为了评价涂层高温抗氧化效果或者一种金属的高温氧化程
度，经常要进行高温氧化试验。 评价高温氧化速率可以采用以下三种主要指标之一： 一是金属的消耗量； 二是氧的消耗量； 三是生成的氧化物量。 测定这三个指标归结为两种方法：失重法和增重法。
失重法 确定单位时间内单位面积的重量损失，用以表示氧化速率。
增重法 用单位时间单位面积上涂层重量的增加表示平均氧化速率。
测量涂层中孔隙率的方法很多，主要有排水法、 滤纸/涂膏法和金相分析法。
金相法 金相法是将涂层截面臵于光学显微镜下，在一定 放大倍数下观察或拍成显微照片，计算机对图象进行处 理，定义一孔隙门槛值，将显微图片上某一衬度组织似 为孔隙，计算程序采用积分的方法将视域内各个孔隙面 积累积起来，再除以视域总面积，从而获得涂层孔隙率 大小。
（1）表面缺陷 表面缺陷主要有鼓泡、起皮、斑点、疏松、毛刺、 针孔等，鼓泡是涂层表面隆起的小泡，大小、疏密 程度不一，严重时与基体分离，脱皮是涂层与基体 剥离的开裂状或非开裂状缺陷，通常是涂/镀层常见 的缺陷。
分析方法： 目测 体视显微镜 扫描电镜
（2）表面粗糙度
可采用轮廓算术平均值Ra和轮廓微观不平度Rz来 表示。 测量仪器：粗糙度测量仪
涂层的结合强度是指涂层与基体结合力的大小， 即单位面积涂层从基体上剥落下来所需要的力。测 量涂层结合强度的方法可分为两大类： 定性检验，如弯曲试验、冲击试验、杯突试验等 定量检验，如划痕试验、抗拉试验、压缩试验等
弯曲试验
弯曲试验通常为三点弯曲试验，其做法是将涂层试样 臵于一定距离的两个支点上，涂层面向支点，将一定曲率 半径的压头作用于基体材料的中点，在一作用力下，试样 发生弯曲，随着力的不断增大，涂层会开裂，直至从基体 上剥离，弯曲角的大小说明涂层结合强度的大小。
g/m 2. h mass gain △W
0.03 0.02 0.01 0 0 100 200 300 400 500 oxidation time h Sample 1 Sample 2 Sample 3
(3) 涂层的耐磨性试验 涂层的耐磨性试验在机械行业非常重要，主要有磨 料磨损试验、粘着磨损试验和砂粒冲蚀实验。
湿沙橡胶轮磨粒磨损试验机原理
CrCB 涂层磨粒磨损后形貌
销盘式磨料磨损： 将砂纸或砂布装 在圆盘上，作为实验 机磨料。试样做成销 钉式，在一定负载压 力下压在圆盘砂纸上， 试样涂层表面与圆盘 砂纸相接触，圆盘转 动，试样沿圆盘的径 向做直线运动，经一 定摩擦行程后测定试 样的失重。
销盘式磨料磨损试验工作原理示意图 1-垂直轴； 2-金属圆盘； 3-纱布（纸)； 4-试样； 5-夹具； 6-加载砝码
镍溶液加入1～3μm的SiC的微粒，可获得Ni—SiC 复合镀层，用于镀覆发动机气缸内壁，缸壁的磨损 量为普通钢缸套汽缸的60％。
Co-Cr3C2：镀层在800℃以下仍能保持高的耐磨
性wk.baidu.com在400-600℃时其耐磨性远优于镍基复合镀层 。 经热处理后的化学镀Ni-P-Si镀层的耐磨性比未热 处理的化学镀镍层高15-20倍。
不同测量方法测得的粗糙度不同
1.2 涂层厚度的测量
涂层厚度的检验方法很多，可分为无损检测和破 坏性检测两大类。 无损检测主要有磁性法、涡流法、和X－射线荧光 测厚法等。
破坏性检验方法有金相显微法、多束光干涉法和化 学溶解法等。
1.3 硬度的测量
硬度的测量可归纳为三种主要的类型： 静态压痕硬度测量是通过球体、金刚石锥体或其它锥体将力 施加到被测材料上，使被测材料发生塑性变形，产生压痕，再依 据载荷与压痕面积/深度之间的关系，求出其硬度值。
1.4 残余应力的测量
宏观应力：因热膨胀系数差异而导致涂层中的残余应 力为，不仅取决于热膨胀系数差异的大小，而且取决 于薄膜/涂层制备时，基体温度的高低。 微观局部应力：由于相变、变形不均、涂层中的缺陷 等因素引起的。 测量方法： X射线衍射仪 残余应力测量仪 应力应变仪测量
1.5 涂层结合强度的测量
• 如TiC涂层变形量达2％时即发生破裂，其基体材
料的硬度应在50HRC以上，含碳量应＞0.5％。硬
质合金和高碳高合金钢是制做冷作模具和刀具涂 层的良好基体材料。
TiC、TiN、TiCN和α-Al203都是面心立方晶格， 具有相近的热膨胀系数、良好的互溶性和化学稳 定性。 在CVD中，TiC与基体元素在高温下能发生强烈相 互扩散，可得到很高的结合强度，很适于做复合 涂层的底层； TiN具有良好的化学稳定性和抗粘着磨损的能力， 又呈美丽的金黄色，是最适宜的一种外表层； 而TiCN的性能介于两者之间，故设计多层复合涂 层时，常以TiC做底层，TiN为表层，TiCN做过渡 层。 基体＋TiC+TiCN+ TiC+TiCN+ TiC+TiCN+TiN
将一块金属板粘结在涂层表面并在施加垂直载荷 的条件下，切向单拉金属板，将涂层由基片上剥离所 需的力除以粘结面积可求得剪切应力值。
剪切测量法测量 涂层结合强度 1-基片； 2-涂层； 3-粘结剂
1.6
涂层孔隙率的检测
涂层中孔隙率的多少直接影响到涂层的使用性能， 对于大多数涂层来说，比如耐腐蚀、耐高温氧化、耐 磨涂层等，都要求涂层中的孔隙率越低越好，相反， 对一些热障涂层和可磨耗密封涂层，则要求涂层中存 在一定的孔隙率。因此，孔隙率是检验涂层合格的重 要指标之一。
2．2 表面工程工艺设计
表面工程工艺设计包括对工件、材料进行表面预 处理及工程施工全过程中的表面技术的选择，所用 材料的选择，工艺装备的选用或设计，涂层结构和 性能设计，工艺规程的制定等内容。
2.2.1 表面工程技术的选择原则 一、适应性原则 ---- 适合的工艺 二、耐久性原则 ---- 高寿命 三、经济性原则 ---- 低成本
（2）宏观硬度测量
常用的是表面洛氏硬度计。最硬的耐磨涂层采用C刻度，载 荷有15N，30N，45N，一般的耐磨涂层也可采用B刻度或A刻度。 试样表面与背面平行，涂层表面光滑、洁净，每个试样至少 测定5个压点，其中两个测点或任一测定点距试样边缘的距离 不小于3mm，为了保证测试的准确性，涂层厚度应为压入深度 的10倍以上。
拉伸测量法 拉伸测量法是使用粘结剂把棒状、板状或带状零 件粘附在涂层表面，通过测量使涂层从基片上剥离所 需力的大小，求得涂层的结合强度。直接拉伸测量法 ，如图所示，圆形棒利用粘结剂垂直地粘贴在涂层表 面，对涂层垂直施加拉力。若涂层剥离时的力为F，剥 离的涂层面积为S，则涂层的结合强度为F/S。
剪切测量法
透射电镜
c
1.10 涂层特性的分析与检测
涂层耐蚀性的检测
涂层高温抗氧化性的检测 涂层的耐磨性试验
(1)
涂层耐蚀性的检测
涂层的耐蚀性指的是涂层抵抗环境腐蚀，延长基体 使用寿命的能力。涂层的耐蚀性检验包括大气暴露试验 、使用环境试验、人工模拟/加速腐蚀试验。 大气暴露试验： 将待测涂层试样放在大 气环境中，进行各种大气环 境下的腐蚀试验，定期观察 腐蚀过程的特征，测定腐蚀 速度，检验涂层在大气环境 下的腐蚀速度。
1.7 显微组织分析
涂层的显微组织观察通常包括孔隙大小、分布、未 熔/凝固颗粒夹杂物、氧化物、涂层厚度、界面结合、 表面粗糙程度，是对涂层更直观、更深入的检测分析。 常见的显微组织观察分析手段有光学显微镜、扫描电子 显微镜、原子力显微镜等。
b a b a
1.8 涂层成分分析
光谱分析仪 电子探针 X射线荧光光谱仪 能谱仪
盐雾试验 盐雾试验包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验和铜盐加速 盐雾试验，用以确定金属或金属涂层的耐蚀性能，评价涂层
厚度的均匀性和孔隙率。
评价的方面有试样外观，除去表面腐蚀产物后的外观，点 蚀、裂纹、气泡等腐蚀缺陷的数量和分布，开始出现腐蚀的 时间，质量变化，显微镜观察，力学性能变化等等。
(2) 涂层高温抗氧化性的检测