涂层设计篇

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： 一类为定性检验，如弯曲试验、冲击试验、杯突 试验等；
另一类为定量检验，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 置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。
• •
注意： (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。因此， 应尽量使涂层间的晶体结构相同或相近、晶格常数相近。
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(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；涂层间如具有优良的互溶性，能使涂层间没有明显的分界面，则层间结 合力高。
失重法
失重法测定高温氧化就是把称好重量的试样ห้องสมุดไป่ตู้进已加 热到一定温度的加热炉中，保持一定时间后，冷却去除 氧化物再称重，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来表示平均氧化速 率。
(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。
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、动态/回弹 压痕硬度及划痕硬度。 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。 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。
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.表面合金涂层设计 • 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 复合表面技术及其设计
金相法 金相法是将涂层截面置于光学显微镜下，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。
1.7 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。
(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。
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
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
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
表面技术概论
表面分析方法及表面技术设 计篇
LOREM IPSUM DOLOR LOREM
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
• (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。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。
心立方晶格，具有相近的热膨胀系数、良好的互溶
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）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。
腐蚀等级 大气暴露试验结果的评价有定性和定量之分。 定性分析主要采用目测法或 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%。 大气腐蚀结果的定量描述是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。
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 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。此法由于使用 了粘结剂，可测得涂层结合强度附着力范围受粘结剂 强度所限，通常小于100MPa。 剪切测量法测量 涂层结合强度 1-基片； 2-涂层； 3-粘结剂
性和化学稳定性，可作为复合涂层的子涂层以供选
择：
• 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，
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
• 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。
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
湿沙橡胶轮磨粒磨损试验机原理
CrCB 涂层磨粒磨损后形貌
销盘式磨料磨损工作 原理 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
盐雾试验
盐雾试验包括中性盐雾试验、乙酸盐雾试验和铜加速盐雾试验 ，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，被认为是最有用的实验室加速腐蚀试验。 试样取出经清洗干燥后，对试验结果进行评价。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。
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
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。
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。 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。
（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。
（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。
(2) 涂层高温抗氧化性的检测 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，可通过测定试样的重量损失或残留金属的 厚度来确定； 二是氧的消耗量，可通过测定试样的重量增加来确定，通过连 续测定，可得到完整的氧化动力学曲线； 三是生成的氧化物量，可以通过测量生成氧化物重量或厚度来 确定。 测定这三个指标归结为两种方法：失重法和增重法。
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
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
透射电镜
★
50
◆
▲
◆ ◆
50 60 70 80
0 20 30 40
• 镍溶液加入1～3μm的SiC的微粒，可获得Ni—SiC(质量分 数2.3％~4.0%)复合镀层，用于镀覆发动机气缸内壁，缸壁 的磨损量为普通铁套汽缸的60％；电镀Ni-SiC复合镀层的 耐磨性比普通镀镍层提高70%；
• Co-Cr3C2：镀层在800℃以下仍能保持高的耐磨性．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。
• 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。