JIANG Y, LIU M, DU L Z, et al. Evaluation of Impact Indentation Adhesion Test of Thermal Spray Coatings[J]. China Surface Engineering, 2017, 30(3): 131-138.
2. 海军工程大学 勤务学院，天津 300450;
3. 装甲兵工程学院 再制造技术重点实验室，北京 100072;
4. 陆军驻沈阳军代室，沈阳 110031
2. Logistics Academy, Naval University of Engineering, Tianjin 300450;
3. Science and Technology on Remanufacturing Laboratory, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072;
4. Shenyang Military Representative Office of PLA, Shenyang 110031
热喷涂技术作为表面工程和再制造工程技术的核心技术之一，近年来随着产业技术升级的迫切需求，在航空航天、石油化工、矿山、电力等行业得到了越来越广泛的应用[1]。无论是在防腐、耐磨、耐高温等应用条件下，热喷涂层与基体材料的结合性能都是决定热喷涂层服役寿命的关键参数之一，因此关于热喷涂层的结合性能的研究始终是热喷涂技术领域的研究重点、热点和难点。最普遍使用的是基于相关标准的垂直拉伸法测试涂层结合强度，该方法通过施加外载荷使涂层与基体分离，计算方法简单清晰，实验数据采集便捷，因此在工业领域得到普遍应用。但是其测试结果选用的是拉伸载荷的最大值，整个拉伸断裂过程并没有记录，对涂层的损伤失效机制研究来说并不充分，而且测试结果误差和分散性也相对较大[2-3]。因此，又发展了剪切法、弯曲法、划痕法、压入法等多种方法测试结合强度。剪切法针对涂层性能中的剪切效应开展研究，但是测试过程中不断产生的应力集中会改变涂层的失效模式，影响测试结果；弯曲法(三点弯、四点弯法、悬臂梁法等)与声发射等方法结合，利用涂层开裂时的能量释放作为判据，测试分析比较综合全面，但是试样的准备要求较之其他方法更为复杂[4]；划痕法施加的应力不受限制，可以在较小的试样上获得可重复的结果，但划痕测试的结果与结合强度之间的关联比较复杂[5]；压入法通过在涂层截面、结合界面、表面处施加载荷，并通过涂层的失效分析，对涂层的结合性能进行评估[6-7]。该方法较前述方法操作上都更简单快捷、通用及实用性强，但目前在失效分析上并没有形成完整的理论体系，只能半定量地测量涂层的结合强度。
在前期静载压入法+声发射法测试涂层结合强度的相关研究基础上[8]，针对静载式压入法的加载过程较为缓和，难以迅速有效的诱导涂层失效，致使所提取的信号具有较大的离散性的问题，文中采用冲击载荷诱导涂层失效，利用声发射法评价涂层的结合强度，并进行分析。
1 材料与方法 1.1 试验材料为利于同相关研究比较分析，涂层材料选用直径45 μm的NiCr(Ni80-Cr20，质量分数/%)、Cr2O3和CoCrAlY商用喷涂粉末，喷涂方法选用能获得涂层组织更为致密，涂层基体结合强度更高的超音速等离子喷涂技术。基体材料为45钢(调质处理)，尺寸为95 mm×40 mm×5 mm。
1.2 设备和方法采用高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJ)制备涂层，选用氩气为主气和送粉气，氢气为次气。喷涂前先表面除油除锈并清洗，然后进行喷砂处理，具体喷涂工艺如表1所示，喷涂后测得涂层厚度在200 μm左右。
| Parameters | NiCr | Cr2O3 | CoCrAlY |
| Argon flow rate / (L·min−1) | 130 | 110 | 150 |
| Hydrogen flow rate / (L·min−1) | 6.4 | 12.3 | 7.3 |
| Current / A | 380 | 400 | 360 |
| Voltage / V | 150 | 155 | 175 |
| Distance / mm | 110 | 90 | 105 |
| Powder feed rate / (g·min−1) | 30 | 30 | 30 |
利用JSM-7001F&X-Max场发射扫描电子显微镜对涂层表面和涂层截面进行扫描电镜(SEM)分析，其中涂层截面在SEM分析前利用电火花线切割和金相制样机的金刚石砂轮分别切割金属和陶瓷涂层，并采用环氧树脂冷镶嵌试样，对截面进行打磨和抛光处理。利用WE-10A万能试验机根据《GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》的垂直拉伸法测试了涂层的结合强度。试样及拉伸棒的直径为Ф 25 mm。首先将试样背面和拉伸棒表面进行喷砂处理，然后用FM1000胶将试样粘在两个拉伸棒之间，并垂直放入电热恒温干燥箱内，在200 ℃下保温3 h。将拉伸棒的两端固定在试验机上，设定拉伸速度为1 mm/min，进行拉伸实验，每组试样测试3次，取平均值。采用落锤冲击+声发射法测试涂层结合强度，如图1所示，其中压头顶端与落锤底端都设计了缓冲层，既避免落锤在冲击过程中产生噪音信号对声发射采集造成干扰，同时也避免发生如肖氏硬度计的回弹，影响后续理论计算。试验中可通过改变落锤质量、高度来调整冲击能量，改变压头形状和材料来调整压痕形态。采用美国PAC公司生产的PCI-2型声发射监测仪进行实时监测，传感器探头与冲击点之间距离15 mm，探头与试样用真空耦合剂将紧密贴合。所设计的落锤式压入设备实验原理简单，能够实现准确调节冲击载荷和落锤的质量。为研究冲击式压入法测涂层结合强度的可行性，选定落锤质量为1 000 g，先分析压头材料和形状对压痕形貌的影响，判断适合NiCr涂层在内的热喷涂层的压头，然后分别从落锤的坠落高度分析冲击能量对涂层结合强度在测量上的作用机制，并对几种典型涂层的结合强度的测试结果进行评价，为下一步设计及完善便携式压入设备提供理论依据及数据支撑。
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| 图 1 落锤式压入设备结构示意图 Figure 1 Schematic of falling weight indentation system |
NiCr等涂层显微形貌如图2所示。从3种涂层的表面形貌可以看出，喷涂粉末在超音速等离子焰流的高温作用下熔融良好，涂层表面比较均匀平整。而涂层截面形貌表明，涂层内部组织致密均匀，从涂层-基体界面情况来看，超音速等离子喷涂层的结合方式仍然是以机械结合为主。采用垂直拉伸法测试了几种厚度相近的超音速等离子喷涂层的结合强度，如表2所示。发现NiCr金属涂层具有最高的结合强度，而Cr2O3涂层直接喷涂在工件表面，结合强度较低，加入CoCrAlY结合层后，结合强度有较大提高，达到30 MPa以上，但是较之金属涂层有较大差距。
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| 图 2 不同涂层的表面和截面形貌 Figure 2 Surface and cross section morphologies of different coatings |
| No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Average |
| NiCr | 59.5 | 60.4 | 61.7 | 64.1 | 66.1 | 62.36 |
| Cr2O3+CoCrAlY | 33.7 | 34.8 | 35.0 | 35.6 | 37.3 | 35.35 |
| Cr2O3 | 15.8 | 19.1 | 17.3 | 20.1 | 21.7 | 18.8 |
常用的洛氏(Rockwell-C)静载压痕法虽然加载载荷较大(最大达1 471 N)，但是加载缓慢，难以实现涂层的快速失效和测量，同时也会产生噪音干扰，影响AE测量精度。肖氏硬度计测量原理是通过冲(压)头的回弹能量(高度)测量硬度，其冲击载荷(冲头质量和高度)都有限，不适合测量涂层结合强度。因此，为了研究冲击法测量涂层结合强度的可行性，首先采用90°和120°的两种金刚石压头、120°及Φ 2 mm球形的两种形状的碳化钨硬质合金压头以自由下落的方式分别对NiCr涂层进行冲击试验，落锤高度为400 mm，质量为1 000 g。测试中有压头套固定压头，保证压头在试验过程中的位置不发生侧滑，在涂层表面均匀选取五点做冲击试验，试验结果如图3所示。图3(a)采用90°金刚石压头的压痕形貌不规则，这是因为该压头在冲击过程中发生了折断。尽管肖氏硬度试验(GB/T 4341.1−2014)也采用了金刚石压头，但是其冲击载荷较小(肖氏硬度目测型测试仪的高度为254 mm，质量2.5 g)，且冲头顶端为1 mm的球形。图3(b)采用120°金刚石压头，压头没有出现折断，且压痕比较规则，说明压头角度不能过于尖锐，但是120°金刚石压头的压痕尺寸较小，而图3(d)的球形压头对涂层没有形成明显压痕，无法诱导涂层失效。
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| 图 3 不同压头下NiCr涂层的压痕表面形貌 Figure 3 Surface morphologies of NiCr coating indented with different indentation heads |
通过声发射信号采集4种压头冲击过程的声发射能量计数和幅值，如表3所示(a~d分别表示90°和120°金刚石、120°及Ф 2 mm球形硬质合金压头)。
| No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| a | 918/81 | 1 306/79 | 1 070/80 | 1 117/75 | 946/82 |
| b | 1 269/85 | 1 164/83 | 1 344/83 | 1 022/81 | 1 060/79 |
| c | 1 390/80 | 1 307/81 | 996/80 | 1 080/79 | 1 431/83 |
| d | 140/72 | 406/97 | 634/75 | 406/88 | 624/81 |
| * Two groups of data are AE energy count and amplitude | |||||
可以发现，Φ 2 mm球形压头的能量计数较低，测试结果波动大；而采用金刚石压头的声发射信号比较杂乱，其能量计数和幅值强度也较低；120°硬质合金钢压头的能量计数和幅值最高，且能量幅值的数值都比较接近，具有较好的重复性，而能量计数的数据相对分散，但是较之其他3种压头其数值最高。表中所采集的声发射的幅值信号变化均不明显，可能是冲击载荷造成的振动波遮蔽了涂层内部塑性变形和开裂产生的信号。因此，在静载压入试验中最典型的幅值信号并不适合冲击法。而利用能量计数作为判据，压头形式为120°的硬质合金钢压头的信号最强，因此文中选用120°的硬质合金钢压头，信号采用能量计数。但如何在冲击过程提取更有效的声发射信号将是下一步研究的方向。
2.3 冲击能量对涂层冲击的影响采用120°硬质合金钢压头分别自200、300、400及500 mm的高度自由坠落以冲击NiCr涂层，每个高度在涂层表面均匀选取五点做冲击试验，压痕典型表面形貌如图4所示。
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| 图 4 不同落锤高度下NiCr涂层的压痕表面形貌 Figure 4 Surface morphologies of NiCr coating indented with different indentater fall height |
随着高度的增加，涂层表面压痕形貌的尺寸依次增大，压痕周围没有出现开裂或剥落现象。当落锤高度较小时(200 mm)，压痕形貌只是一个浅的压痕坑，压痕周围没有明显的开裂或剥落现象。随着落锤高度的逐渐增大，压痕的尺寸和深度也越来越大，并且压痕周围逐渐出现开裂及剥落现象。落锤高度达到400 mm时，压痕坑周围涂层发生翘曲和分层失效。分析原因，NiCr涂层与基体相比，其硬度较大，韧性和塑性较差，当冲击载荷较小时，涂层不会发生开裂或断裂，但当冲击较大时，涂层与基体之间会发生开裂，涂层与涂层之间会发生断裂。采取如静载压入的目测法[9]即可定性的判断涂层的结合强度。分析不同落锤高度所采集的声发射信号，如表4所示。
| No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 200 mm | 923 | 945 | 978 | 842 | 878 |
| 300 mm | 887 | 1 186 | 896 | 837 | 1 065 |
| 400 mm | 1 390 | 1 307 | 996 | 1 080 | 1 431 |
| 500 mm | 1 302 | 1 296 | 1 178 | 1 369 | 1 241 |
可以看出，不同冲击高度时，能量计数变化较为明显。随着落锤高度的增加，能量计数也随之增加，能量计数均值从900增加到1 200，但是落锤冲击高度在400和500 mm之间区别不大。分析造成400和500 mm落锤高度差别不大的原因，可能是在落锤高度达到400 mm以后，冲击能量已经超过了涂层基体的结合强度，涂层和基体已经发生开裂，释放能量产生的弹性波达到最大值。继续增加冲击能量(落锤高度达到500 mm时)，400 mm的冲击势能破坏了涂层与基体的结合，多余的能量将作用于基体，由于基体的弹塑性产生的信号较弱，因此能量计数变化与400 mm时差别不大。因此，根据不同涂层失效时的冲击势能(高度)，结合观察，就可以快速定性判断涂层的结合强度的好坏。
2.4 几种典型涂层结合强度的冲击法检测在分别对压头形式和计量标准进行分析后，为了检验冲击法、结合目测方式快速评测涂层结合强度的能力，对基体材料及Cr2O3陶瓷涂层(加打底结合层和不加结合层)分别进行了测量。根据前面测试结果，NiCr涂层为与基体结合强度较好的金属涂层，Cr2O3涂层+CoCrAlY结合层结合强度也较高，而纯不加打底结合层的陶瓷涂层结合强度较低。采用120°硬质合金钢压头自400 mm的高度自由坠落以冲击基体，每种材料各做5次冲击试验，其能量计数峰值信号采集如表5所示，其压痕表面和截面形貌如图5所示。
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| 图 5 不同材料涂层的压痕表面和截面形貌 Figure 5 Indentation morphologies of surface and cross section of different coatings |
| No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Substrate | 703 | 745 | 598 | 714 | 563 |
| NiCr | 1 390 | 1 307 | 996 | 1 080 | 1 431 |
| Cr2O3+CoCrAlY | 3 789 | 4 015 | 3 970 | 4 155 | 3 806 |
| Cr2O3 | 9 488 | 7 468 | 8 788 | 10 065 | 9 320 |
由表5可以看出，在相同的试验条件下，结合强度最差的涂层其冲击能量计数的峰值信号最高，随着结合强度的提高，能量计数逐渐下降。基体压痕及截面形貌如图5(a)(b)所示，基体塑性韧性较好，在冲击载荷下发生的塑性变形吸收了大部分能量，因此声发射采集到的能量值也最低。NiCr涂层在冲击载荷作用下在压痕边缘处由于塑性变形而产生了翘曲(Buckling[10])，如图5(c)(d)所示。根据经典Hertz弹性接触理论，压痕内部为压应力分布，在压痕边缘分布的为拉应力，而拉应力分布则造成了涂层-基体界面产生了分层裂纹(Delamination[10])。进而，其冲击释放的能量被AE设备所采集，因此能量计数较之纯基体界面有所提高；CoCrAlY为结合层的Cr2O3陶瓷涂层硬度较高，但是塑性较差，其压痕形貌如图5(e)(f)所示。
除了基体-界面在压痕坑边缘因翘曲发生了分层裂纹外，受拉应力的作用，压痕边缘表面/近表面也产生了大量垂直于表面方向的开裂，在接触半径的最大切应力位置，裂纹方向改变，沿涂层内部形成平行裂纹，形成涂层内部的分层裂纹。同时，根据Hertzt弹性半空间动力学加载相关理论，产生的冲击波的能量以纵波、横波和表面波形式作用于涂层，其中表面波能量最大，造成涂层压痕处受到冲击能量形成的表面压应力，并产生了很多胀裂(Spalling[10])裂纹。而这些垂直贯通涂层的裂纹与其他失效方式相结合，最终会导致涂层-基体的结合强度的失效。而开裂释放的能量除了细微裂纹由于声发射信号采集精度问题无法获取外，大部分为声发射信号所采集，较之NiCr金属涂层有进一步增强；Cr2O3陶瓷涂层在没有结合层的情况下，结合强度很差，在冲击载荷作用下，压痕边缘处大面积剥落，如图(g)(h)所示。其释放的能量集中，因此其能量计数较之具有结合层的Cr2O3涂层还要高出不少。
综上所述，尽管不同涂层在冲击载荷作用下的失效形式各不同，但声发射技术都能很好的获取各种失效形式所释放的能量，并且能量计数峰值随着涂层结合强度的降低而增高，说明两者之间有一定的对应关系。通过测试条件下的能量计数大小，再结合目测法即可快速定性判断涂层的结合性能的好坏。
3 结 论(1) 利用自制的自由落体的落锤冲击设备，采用不同形式的压头分别对NiCr涂层进行冲击试验，并利用声发射技术进行动态监测，发现120°硬质合金压头更适合冲击法测试涂层结合强度。
(2) 分析了冲击能量对NiCr涂层冲击的效果。发现随着冲击能量的提高，声发射的能量计数也不断提高，但是落锤高度超过400 mm后，能量计数变化不大，说明在400 mm时涂层发生了破坏，根据此时的冲击势能，可以快速定性的判断涂层的结合强度。
(3) 采用冲击法分别对基体材料、有无CoCrAlY结合层的Cr2O3陶瓷涂层对比测试发现，声发射能量计数峰值随着涂层结合强度的增强而降低，这种变化趋势为冲击法快速定性判断涂层结合强度提供了一定的实际依据。
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