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如何评估耐高温涂层的结合强度?

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以下是一些评估耐高温涂层结合强度的常见方法: 一、拉伸试验法 原理:通过对带有涂层的试样施加垂直于涂层表面的拉伸力,直至涂层从基底上脱离,记录下相应的拉力数值,再根据试样的尺寸等参数计算得出结合强度。这种方法直观地反映涂层与基底之间的黏附能力。 操作示例:通常会将涂层试样制备成特定的形状,比如圆柱形或矩形,一端固定,另一端连接到拉伸试验机的夹具上,然后以一定的加载速率施加拉力,慢慢增加拉力直至涂层出现剥落,根据试验机记录的最大拉力值和试样的截面积等数据来计算结合强度。例如,在检测金属基底上陶瓷涂层的结合强度时,按照标准规范制备好试样后,在拉伸试验机上以合适的速度加载,若最大拉力为 F 牛,试样有效截面积为 S 平方米,结合强度就可大致按公式 “结合强度 = F/S” 来计算(单位为帕斯卡)。 二、剪切试验法 原理:对涂层与基底的界面施加平行于界面的剪切力,使涂层沿界面发生剪切破坏,以此来衡量两者之间的结合强度。在实际应用中,很多部件承受的是剪切应力,所以该方法对于评估涂层在实际工况下的结合性能很有意义。 操作示例:可以制备专门的剪切试样,比如采用搭接形式的试样,将带有涂层的部分与另一块基底材料进行搭接,然后通过专门的剪切试验装置对搭接部位施加剪切力,当涂层从基底上被剪切下来时,记录此时的最大剪切力,再根据试样的相关尺寸参数(如搭接面积等)来计算剪切结合强度。像在航空航天领域一些薄板结构上的耐高温涂层,就常用这种方法来评估其结合性能,看涂层在承受飞行过程中的剪切力时是否牢固。 三、划痕试验法 原理:用一个硬度较高的压头在涂层表面划过,同时逐渐增加载荷,观察涂层在划痕过程中的起裂、剥落等情况,通过分析划痕处涂层的破坏形式以及对应的临界载荷等参数,来间接判断涂层与基底的结合强度。一般来说,临界载荷越高,意味着涂层的结合强度相对越好。 操作示例:把带有涂层的试样放置在划痕试验仪的工作台上,调整好压头(如金刚石压头),设定好划痕的长度、加载的速率等参数,然后启动试验仪,压头会在涂层表面划过并不断增加压力,试验人员观察涂层何时开始出现剥落、裂纹扩展等现象,记录下对应的临界载荷值,不同的涂层材料和基底组合,其临界载荷表现不同,借此可对比评估结合强度情况。例如在检测发动机叶片表面耐高温涂层时,利用划痕试验能快速了解涂层结合的大致好坏程度,为后续改进提供依据。 四、热震试验结合观察法 原理:让带有涂层的试样经历反复的快速加热和冷却过程,也就是热震过程,模拟实际高温环境下的温度交变情况,由于涂层和基底热膨胀系数等差异,在热震过程中若结合强度不足,涂层容易出现剥落、开裂等现象,通过观察热震后涂层的完整性来评估结合强度。 操作示例:将试样放入高温炉中加热到设定的高温值,保持一定时间后迅速取出在常温或低温环境下冷却,如此反复多次(比如循环 10 次、20 次等),然后利用光学显微镜、电子显微镜等设备观察涂层表面及界面处是否有裂纹、剥落等损伤情况,损伤越严重往往说明结合强度越低。例如对于一些高温炉衬里的耐高温涂层,经过多次热震循环后,若涂层依然保持良好的完整性,基本可以判断其结合强度能够满足该高温环境下的使用要求。 五、超声检测法 原理:利用超声波在涂层与基底界面处的反射、折射、散射等特性变化来检测界面的结合情况。当涂层与基底结合良好时,超声波传播相对稳定;若结合不佳,在界面处会出现异常的声学信号,通过分析这些信号来评估结合强度。 操作示例:将超声探头放置在涂层表面合适位置,向涂层内部发射超声波,接收并分析反射回来的超声波信号,专业人员可以根据信号的幅值、相位、频率等特征变化来判断涂层与基底之间是否存在脱粘、孔隙等影响结合强度的缺陷,不过这种方法需要专业的超声检测设备以及操作人员具备一定的分析解读能力,常用于对一些大型、复杂结构部件上的耐高温涂层结合强度的无损检测,像大型化工反应釜内部的耐高温涂层检测等。 六、压入法 原理:使用特定的压头对涂层表面进行压入,通过分析压入过程中涂层的变形、剥落以及对应的载荷 - 位移曲线等,来推断涂层与基底的结合强度。不同结合强度下,涂层在压入时的表现不同,比如结合强度高的涂层更不容易出现剥落等情况。 操作示例:采用硬度测试设备(如洛氏硬度计、维氏硬度计等改装后的装置),选择合适的压头,在涂层表面缓慢压入,同时记录下压入过程中的载荷变化和压头的位移情况,绘制载荷 - 位移曲线,观察涂层在压入时是否出现局部剥落、周边起翘等现象,结合曲线特征和现象来综合评估结合强度,例如在一些精密机械部件上的耐高温涂层检测中,压入法可以在不破坏整个部件的情况下,对涂层结合强度做初步的定性判断。
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