简介概要

低压等离子喷涂涂层膜基界面结合能的研究

来源期刊：稀有金属2002年第5期

论文作者：李东飞王福生刘安生邵贝羚朱其芳安生

关键词：涂层; 断裂表面能; 努氏界面印痕;

摘要：用努氏界面印痕法, 对铁基Ni/Fe、镍基Cu/Ni低压等离子喷涂涂层的膜基界面进行界面结合能的研究, 分析得到涂层界面的断裂表面能. 分析得出铁基纯镍Ni/Fe涂层界面的断裂表面能比镍基铜Cu/Ni涂层的断裂表面能高. 界面微观分析表明, 镍基铜Cu/Ni涂层材料疏松, 膜基界面存在较多裂纹, 另外涂层和基体观察不到元素扩散层. Ni/Fe涂层界面结合致密, 约有2～3 μm的元素扩散层.

稀有金属 2002,(05),373-375 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.05.012

低压等离子喷涂涂层膜基界面结合能的研究

邵贝羚刘安生安生王福生李东飞

北京有色金属研究总院分析测试所,北京有色金属研究总院分析测试所,北京有色金属研究总院分析测试所,北京有色金属研究总院分析测试所,北京有色金属研究总院分析测试所,北京有色金属研究总院分析测试所北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京

摘要：

用努氏界面印痕法 , 对铁基Ni/Fe、镍基Cu/Ni低压等离子喷涂涂层的膜基界面进行界面结合能的研究 , 分析得到涂层界面的断裂表面能。分析得出铁基纯镍Ni/Fe涂层界面的断裂表面能比镍基铜Cu/Ni涂层的断裂表面能高。界面微观分析表明 , 镍基铜Cu/Ni涂层材料疏松 , 膜基界面存在较多裂纹 , 另外涂层和基体观察不到元素扩散层。Ni/Fe涂层界面结合致密 , 约有 2～ 3 μm的元素扩散层。

关键词：

涂层;断裂表面能;努氏界面印痕;

中图分类号： TG174.4

收稿日期：2001-04-29

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 997 10 13 );

Interfacial Bonding Energy between Coating and Substrate for Low-Pressure Plasma Sprayed Materials

Abstract：

The Interfacial bonding energy between coating and substrate for low-plasma sprayed materials was analyzed. The plastic deformation energy, superficies modification energy and interfacial fracture surface energy consumed by samples in interfacial indentation experiment were determined by Knoop interfacial indentation method. Knoop interfacial indentation energy testing method was newly established. The interfacial fracture surface energy was obtained through the research on interfacial bonding energy between coating and substrate for low plasma sprayed Fe based Ni/Fe and Ni based Cu/Ni materials. Microanalysis for interface shows that the coating of Ni based Cu/Ni material is porous and there exist many cracks in the interface between coating and substrate, moreover, no element diffusion layer is found in the coating and substrate. The bonding between the coating and substrate for Ni/Fe material is dense and there is an element diffusion layer with the thickness of about 2～3 μm.

Keyword：

coating; fracture; surface energy; Knoop interfacial indentation;

Received： 2001-04-29

低压等离子喷涂技术是从火焰喷涂技术发展起来的一种新型喷涂技术, 由于几乎可以喷涂于任何材料, 所以被广泛应用于工业和科研领域。如何评价喷涂质量的优劣, 即喷涂涂层与基体的本征结合行为已成为研究等离子喷涂技术的重要课题。本文拟提出界面印痕能量法来研究低压等离子涂层膜基结合性能, 采用努氏压痕法于膜基界面加载, 用高精度位移计和连续负荷感应器, 精确地采集努氏压头载荷作用下, 膜基界面的塑性变形能、弹性变形能和开裂能, 经过数、力学分析, 对低压等离子喷涂涂层膜基结合行为有明确的了解, 进而结合膜基界面的微观分析, 如界面元素扩散层分析、界面相分析和界面裂纹形态分析等, 为喷涂技术工艺改进和深入的研究提供有力的依据。

1 实验

采用真空低压真空等离子喷涂技术制备金属基喷涂试样。喷涂材料为高纯球形雾化Ni, Cu 金属粉, 粉末平均粒度50 μm; 基体为工业纯铁和纯镍。采用DYDP-1型低压等离子喷涂设备进行喷涂。预抽真空度为2.6 Pa, 氩气保护。喷涂前, 采用反向转移弧对基体表面进行清理。涂层和基体材料分别为铁基合金涂覆金属镍和镍基合金涂覆金属铜。试样形状努氏印痕形状和位置见图1。

图1 努氏印痕形状和位置

Fig.1 Shape and position of Knoop indentation

实验采用本课题自行研制的努氏界面印痕连续加载装置, 实验将努氏印痕长对角线与界面线通过显微测微仪调整使之重合 (图1) , 而后施加压痕载荷至试样界面开裂。实验时同步记录压头下降位移信号和压痕载荷信号, 绘出载荷-位移曲线。

利用JSM-840扫描电镜 (SEM) 和JEM-2000FX透射电镜及VOYAGER3105 X射线能谱仪观察和分析涂层及界面形貌和结合状态。

2 努氏界面结合能实验原理分析

以压痕断裂力学研究中采用的弹/塑性压痕模型为基础进行讨论 ^[4] 。弹/塑性Knoop印痕模型见图2。图中, P为载荷; d为压痕半长对角线尺寸; h为压入深度; ρ为塑性屈服区; a为压痕半椭圆裂纹深度; c为压痕半椭圆裂纹长度。

图2 弹塑性Knoop印痕模型

Fig.2 Eastic/plastic Knoop indentation model

压痕过程中载荷所作功W分别消耗于3个方面: 材料自由表面能变化导致的能耗E_s; 材料发生压痕微开裂所消耗的能量E_c; 材料发生塑性屈服所消耗的能量E_p。

其中,

式中,

γ_s为材料单位面积的自由表面能, α′₁为比例常数 (≈0.3) , ΔS为压痕下的表面面积。

γ_F为材料单位面积的断裂表面能, S_c为裂纹面面积, α″₁ 为比例系数。E_p=α′d³ (4)

载荷作功

由 (2) ～ (5) 式, 得 (6) 式,

将 (5) 式代入 (1) 式得 (7) 式

从 (7) 式可以看出, 材料发生压痕开裂的能量近似等于载荷作功减去材料塑性变形能和自由表面变化能耗。

在实验中对低压等离子喷涂试样垂直于涂层和基体界面处用努氏界面印痕系统进行了压痕加载实验, 记录得到如下努氏压痕载荷与压头下降位移曲线 (图3) 。

图3 努氏界面印痕实验曲线示意图

Fig.3 Curve of Knoop interface indentation experiment

根据压痕断裂力学的弹塑性压痕理论 ^[6,7] , 试样内储存的弹性应变能与断裂能之和消耗于界面裂纹启裂和裂纹开裂。外力作功P·d分别消耗于E_c, E_s, E_p, 这里压痕开裂所消耗的能量E_c为U_Ⅱ和U_Ⅲ能量之和。有如下关系:

根据公式 (3)

公式 (9) 中的试样断裂表面能, 可以通过实验中试样开裂时存储的弹性能和断裂能以及断裂面积计算得出。

3 结果分析

所研究的两个喷涂材料中, 对其涂层和基体的界面用奴氏印痕法和公式 (9) 进行了实验测定, 见表1。结果表明Ni/Fe喷涂样品的试样断裂表面能较Cu/Ni喷涂样品界面断裂表面能γ_F高。对涂层和基体界面进行了扫描电镜分析结果表明, Ni/Fe样品的涂层较致密, 涂层和基体的连接紧密; Cu/Ni样品的涂层中含有较多的孔洞和疏松, 界面上有明显裂纹存在, 影响了涂层与基体的结合, 使得其界面结合能降低, 见图4。对界面区两侧的成分分析表明, 在Ni/Fe喷涂界面区存在Fe, Ni元素扩散, 扩散层厚度约2～3 μm, 而Cu/Ni喷涂界面未发现明显的扩散, 由图5所示。 Ni/Fe界面区Fe, Ni元素扩散并相互反应生成部分化合物, 形成冶金结合, 会阻止微裂纹形成和扩展, Ni/Fe界面是较强结合面。透射电镜分析表明, Ni/Fe涂层界面非晶相上弥散分布着纳米细晶的结构, 纳米细晶对非晶层起到强化作用它可以吸收一部分应力, 当微裂纹形成并通过纳米晶粒时, 裂纹会受到纳米晶粒的阻碍而停止或改变方向, 从而减少对界面的破坏作用。

表1 实验结果

Table 1 Result of experiment

材料	ΔE_c/ (N·mm)	ΔS/ (mm²)	γ_F/ (N·mm^-1)
Ni/Fe	24.6	12.5	3.86
Cu/Ni	2.9	25	0.24

图4 Cu/Ni SEM横截面形貌

Fig.4 Cu/Ni SEM section morphology

图5 Ni/Fe SEM 界面线扫描成分曲线

Fig.5 SEM scanline pattern perpendicular to Ni/Fe interface

4 结论

努氏印痕法以其较明确的物理量表示了金属基低压等离子喷涂界面Ni/Fe, Cu/Ni涂层与界面开裂时试样界面断裂表面能。 Ni/Fe试样的喷涂界面结合良好, 界面层含有弥散分布纳米细晶的非晶结构, 界面区存在明显的元素扩散, 这种界面微结构可提高界面结合强度, Cu/Ni试样界面区无明显的元素扩散, 并且有大量微裂纹, 是一种弱结合区, 对界面结合性能有不利影响。