CN109870406B

CN109870406B - 一种材料表面涂层附着力测试方法及系统

Info

Publication number: CN109870406B
Application number: CN201910185226.6A
Authority: CN
Inventors: 吴丽雄; 刘卫平; 马志亮; 韦成华
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: CN109870406A

Abstract

本发明涉及一种材料表面涂层附着力测试方法及系统。本发明的设计实现了不同温升率和温度下材料表面涂层附着力的快速精确测量且温升率可调。该系统包括附着力测试仪力加载锭子、固定台面、多个转接板、第一热像仪、第二热像仪以及加热光源，通过以下摘要步骤实现发明目的：1)制作多个待测试样；2)通过任意待测试样标定不同加热参数下涂层面的温度曲线和温度平衡时间；3)对其余待测试样进行涂层附着力检测。

Description

一种材料表面涂层附着力测试方法及系统

技术领域

本发明属于物理测试方法领域，涉及一种材料表面涂层附着力测试方法及系统。

背景技术

金属、复合材料等在各领域被广泛应用，其中在不少领域应用时表面需涂装涂层，且在某些场合还会涉及到高温条件下的应用。通过高温下的涂层附着力测试，可以模拟特定工况下材料表面涂层附着特性的变化情况，为涂层损伤机理研究、性能优化、工艺改进等提供参考。现有涂层附着特性测试方法主要有划痕法、划格法、压痕法、拉开法等，这些测试方法各有所长，但主要用于常温下的涂层附着力测试。对不同温度下的涂层附着力测试，现有方法均采用将试样放置在高温炉中加热且经过长时间热平衡后取出进行测试的方法。

但是现有的方法温升率低，长时间加热可能会使涂层发生改性，无法表征涂层在高温升率下的特征；同时试样在取出以及测试过程中温度持续下降，导致实际测试温度低于设定温度，从而导致测试精度差且不稳定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种材料表面涂层附着力测试系统及方法，采用非接触式加热方式，实现了不同温升率和温度下材料表面涂层附着力的快速精确测量且温升率可调。

本发明的技术解决方案为：

本发明提供了一种材料表面涂层附着力测试方法，包括以下步骤：

1)制作多个待测试样；

1.1)将基板切割成规则形状，定义基板的上表面为待测试样的涂层面；基板的下表面为待测试样的第一加热面；侧壁为待测试样的第二加热面；

1.2)对所述第一加热面和第二加热面进行处理，在其表面形成若干均布小坑；

1.3)在第一加热面和第二加热面上喷涂耐高温吸收涂层；

1.4)在涂层面喷涂待测涂层，制作完成待测试样；

1.5)采用步骤1.1-1.4制作多个待测试样；

2)标定不同加热参数下涂层面的温度曲线和温度平衡时间；

2.1)选取任意一个待测试样，并将其固定；

2.2)在待测试样涂层面上粘接附着力测试仪力加载锭子；

2.3)通过加热光源对待测试样的第一加热面和第二加热面进行持续加热，分别利用两个热像仪测量第一加热面以及涂层面的温度，从而获得涂层面的温度曲线以及温度平衡时间；

2.4)调节加热光源输出功率，获取不同加热参数条件下的涂层面温度曲线和温度平衡时间；

温度平衡时间为涂层面最大温度T_max趋于稳定所需的时间；

温度平衡时间的判定依据为涂层面以及第一加热面的温度偏差均满足实验要求；

所述温度偏差小于5％T_max；

3)对其余待测试样进行涂层附着力检测；

3.1)在待测试样涂层面上粘接附着力测试仪力加载锭子；

3.2)根据标定获得的温度曲线，设定加热光源输出功率与出光时间，对第一、第二加热面进行持续加热，采用两个热像仪分别测量第一加热面和涂层面的温度分布，并通过数据采集仪实时监测记录温度信号；

当测得的涂层面以及第一加热面的温度偏差均小于规定幅度时，启动附着力测试仪，进行涂层附着力测试，获得的附着力值即为当前设定条件下的附着力。

进一步地，上述加热光源包括激光器或石英灯阵。

此处需要说明的一点是：

若待测试样为金属材料或者具有金属基底的复合材料，则无需对待测试样进行表面处理以及喷涂耐高温吸收涂层，可直接采用电磁感应加热装置对待测试样进行加热。

进一步地，上述步骤1.2)具体的处理方式为喷砂处理，但不限于喷砂处理的方式。

进一步地，上述1.3)耐高温激光吸收涂层的材质为石墨，但不限于石墨材料。

进一步地，上述规则形状为正方形或圆形。

基于上述方法，本发明还提供了一种用于实现该方法的测试系统，该测试系统包括：附着力测试仪力加载锭子、固定台面、多个转接板、第一热像仪、第二热像仪以及加热光源；

固定台面的中部开设有与待测试样形状相适配的通孔；待测试样为正方形或圆形，待测试样上表面为涂层面，下表面为第一加热面，侧壁为第二加热面；

每个转接板的一端与待测试样固定连接，另一端与固定台面连接，从而将被测试样固定在所述通孔的正下方；

加热光源用于对被测试样进行加热；

附着力测试仪力加载锭子固定粘接在被测试样的涂层面，且位于被测试样涂层面的中心；

第一热像仪安装在被测试样的上方用于检测被测试样涂层面的温度；

第二热像仪安装在被测试样的下方用于检测被测试样第一加热面的温度。

进一步地，上述加热光源包括激光器或石英灯阵。

此处需要说明的一点是：

进一步地，为了提高加热光源的加热效率，使待测试样温度更快达到均匀平衡，上述系统还包括全反射镜，所述全反射镜安装在被测试样周围，用于将加热光源出射的加热光反射至被测试样的侧壁上，当待测试样为圆形时全反射镜为环锥形，当待测试样为正方形时全反射镜为四块且分别位于待测试样前、后、左、右四个方向。

进一步地，为避免未被吸收的加热光对系统中的连接电线等造成影响，该系统还包括挡光板，所述挡光板安装在全反射镜与待测试样之间，用于吸收漏出待测试样和全反射镜的加热光。

进一步地，上述第一加热面和第二加热面均喷涂石墨材料。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于拉开法，采用非接触式加热方式，实现了不同温升率和温度下材料表面涂层附着力的快速精确测量且温升率可调，避免了现有方法先在加热炉中加热、后进行附着力测试所带来耗时长且温度不稳定等问题。

2、本发明的系统，结构简单、易于搭建，并且便于操作。

附图说明

图1为材料表面涂层附着力测试系统的布局图；

图2为被测试样在固定台面上固定的主视图；

图3为被测试样在固定台面上固定的俯视图。

附图标记如下：

1－附着力测试仪力加载锭子；2-固定台面；3-转接板、4-第一热像仪；5-第二热像仪；6-加热光；7-待测试样；8-涂层面；9-第一加热面；10-正方形通孔；11-全反射镜；12-挡光板；13-螺纹盲孔；14-紧固螺钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，首先本实施例中先构建了一套测试系统，其包括附着力测试仪力加载锭子1、固定台面2、多个转接板3、第一热像仪4、第二热像仪5以及加热光源；

加热光源可以选择激光器或石英灯阵；本例中加热光源选用激光器。

待测试样7为正方形或圆形，本例中待测试样7的形状为正方形；正方形待测试样7的上表面为涂层面8，下表面为第一加热面9，侧壁为第二加热面，第一加热面9和第二加热面上均喷涂有石墨材料。

参见图2、3，固定台面2的中部开设有与正方形待测试样7形状相适配的正方形通孔10(正方形通孔边长略大于待测试样边长)；每个转接板3的一端通过与待测试样7固定连接，另一端与固定台面2连接(以上两侧的固定均采用螺纹连接的方式)，从而将被测试样7固定在所述通孔10的正下方；

激光器用于向被测试样7提供加热光6；

附着力测试仪力加载锭子1固定粘接在被测试样的涂层面8，且位于被测试样涂层面8的中部；

第一热像仪4安装在被测试样7的上方用于检测被测试样涂层面8的温度；第二热像仪5安装在被测试样7的下方用于检测被测试样中第一加热面9的温度(第一热像仪4和第二热像仪5都应具有在线测温能力)。

基于上述基本结构，上述系统还做出了以下优化：

1、为了提高激光的加热效率，使待测试样温度更快达到均匀平衡，该系统还包括全反射镜11，全反射镜11安装在被测试样7周围，用于将激光反射至被测试样的侧壁(即第二加热面)上；当待测试样为圆形时全反射镜为环锥形，当待测试样为正方形时全反射镜为四片且分别位于待测试样前、后、左、右四个方向。

2、为了避免未被吸收的激光对系统中的连接电线等造成影响，该系统还包括挡光板12，挡光板12安装在全反射镜11与待测试样7之间，用于吸收漏出待测试样7和全反射镜11的激光。挡光板12为耐激光烧蚀材料，本例中选用石墨材料。

基于本实施例中的测试系统，现对采用该系统进行材料表面涂层附着力测试的方法进行详细描述：

步骤1)制作多个待测试样7；

步骤1.1)将基板切割成正方形(切割后的正方形边长是附着力测试仪力加载锭子1直径的2倍以上，以保证附着力测试仪力加载锭子1粘接在待测试样7中间时，待测试样7表面留有足够的空间用于涂层温度测量与待测试样固定)，定义基板的上表面为涂层面8；基板的下表面为待测试样的第一加热面9；侧壁为待测试样的第二加热面；

步骤1.2)对所述第一加热面9和第二加热面进行表面处理(本实施例中的处理方式为喷砂处理，但不限于喷砂)，从而在第一加热面9和第二加热面形成若干均布小坑，以消除热膨胀系数差异引起的耐高温激光吸收涂层破坏问题；

步骤1.3)在激光吸收面9上喷涂耐高温激光吸收涂层(本实施例中的耐高温激光吸收涂层为石墨，但不限于石墨)；

步骤1.4)在涂层面喷涂待测涂层，制作完成待测试样；

步骤1.5)采用步骤1.1-1.4)制作多个待测试样7；

步骤2)将任意一个待测试样7安装在上述测试系统上；

步骤2.1)在被测试样7四个角上开设螺纹盲孔13，用紧固螺钉14将被测试样7固定在耐高温且热导率低的转接板3上；

步骤2.2)通过转接板3，将待测试样7固定在固定台面2上；

步骤3)标定不同加热参数下涂层面的温度曲线和温度平衡时间；

步骤3.1)在待测试样涂层面8上粘接附着力测试仪力加载锭子1；

步骤3.2)将激光器出射的激光6匀化整形，对待测试样的第一加热面9和第二加热面进行持续加热，分别利用第二热像仪和第一热像仪测量第一加热面9以及涂层面的温度，从而获得涂层面的温度曲线以及温度平衡时间；

步骤3.3)调节激光功率密度，获取不同加热参数下的涂层面温度曲线和温度平衡时间；

温度曲线温度平衡时间为某一激光功率P下，涂层面最大温度T_max趋于稳定所需的时间；温度条件满足与否的判定依据为涂层面以及第一加热面9的温度偏差均小于规定值；优选地，温度偏差小于5％T_max；

步骤4)对其余待测试样7进行涂层附着力检测；

步骤4.1)按照步骤2)将待测试样7安装至测试系统内；

步骤4.2)在待测试样7涂层面上粘接附着测力试仪力加载锭子1；

步骤4.3)根据标定获得的温度曲线，设定激光输出功率与辐照时间，利用激光对待测试样第一加热面9和第二加热面进行持续加热，采用两个热像仪分别测量待测试样第一加热面9和待测试样涂层面8的温度分布，并通过数据采集仪实时监测记录温度信号；

当测得的涂层面8以及第一加热面9的温度偏差均小于规定幅度时，启动附着力测试仪，进行涂层附着力测试，获得的附着力值即为当前设定条件下的附着力。

若待测试样为金属材料或者具有金属基底的复合材料，则无需对待测试样喷涂耐高温吸收涂层，加热光源可采用电磁感应加热装置，利用电磁感应加热装置直接对待测试样进行加热。

Claims

1.一种材料表面涂层附着力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作多个待测试样(7)；

1.1)将基板切割成规则形状，定义基板的上表面为待测试样(7)的涂层面(8)；基板的下表面为待测试样(7)的第一加热面(9)；侧壁为待测试样(7)的第二加热面；

1.2)对所述第一加热面(9)和第二加热面进行处理，在其表面形成若干均布小坑；

1.3)在第一加热面(9)和第二加热面上喷涂耐高温吸收涂层；

1.4)在涂层面(8)喷涂待测涂层，制作完成待测试样(7)；

1.5)采用步骤1.1-1.4制作多个待测试样(7)；

2)标定不同加热参数下涂层面(8)的温度曲线和温度平衡时间；

2.1)选取任意一个待测试样(7)，并将其固定；

2.2)在待测试样(7)涂层面(8)上粘接附着力测试仪力加载锭子(1)；

2.3)通过加热光源对待测试样(7)的第一加热面(9)和第二加热面进行持续加热，分别利用两个热像仪测量第一加热面(9)以及涂层面(8)的温度，从而获得涂层面(8)的温度曲线以及温度平衡时间；

2.4)调节加热光源输出功率，获取不同加热参数条件下的涂层面(8)温度曲线和温度平衡时间；

温度平衡时间为涂层面(8)最大温度T_max趋于稳定所需的时间；

温度平衡时间的判定依据为涂层面(8)以及第一加热面(9)的温度偏差均满足实验要求；

所述温度偏差小于5％T_max；

3)对其余待测试样(7)进行涂层附着力检测；

3.1)在待测试样(7)涂层面(8)上粘接附着力测试仪力加载锭子(1)；

3.2)根据标定获得的温度曲线，设定加热光源输出功率和出光时间，对第一加热面(9)、第二加热面进行持续加热，采用两个热像仪分别测量第一加热面(9)和涂层面(8)的温度分布，并通过数据采集仪实时监测记录温度信号；

当测得的涂层面(8)以及第一加热面(9)的温度偏差均小于规定幅度时，启动附着力测试仪，进行涂层附着力测试，获得的附着力值即为当前设定条件下的附着力。

2.根据权利要求1所述的材料表面涂层附着力测试方法，其特征在于：所述加热光源包括激光器或石英灯阵。

3.根据权利要求1所述的材料表面涂层附着力测试方法，其特征在于：步骤1.2)具体的处理方式为喷砂处理。

4.根据权利要求1所述的材料表面涂层附着力测试方法，其特征在于：所述耐高温吸收涂层的材质为石墨。

5.根据权利要求1所述的材料表面涂层附着力测试方法，其特征在于：所述规则形状为正方形或圆形。

6.一种用于实现权利要求1所述的测试方法的材料表面涂层附着力测试系统，其特征在于：包括附着力测试仪力加载锭子(1)、固定台面(2)、多个转接板(3)、第一热像仪(4)、第二热像仪(5)以及加热光源；

固定台面(2)的中部开设有与待测试样(7)形状相适配的通孔；待测试样(7)为正方形或圆形，待测试样(7)上表面为涂层面(8)，下表面为第一加热面(9)，侧壁为第二加热面；

每个转接板(3)的一端与待测试样(7)固定连接，另一端与固定台面(2)连接，从而将被测试样固定在所述通孔的正下方；

加热光源用于对被测试样进行辐照加热；

附着力测试仪力加载锭子(1)固定粘接在被测试样的涂层面(8)，且位于被测试样涂层面(8)的中心；

第一热像仪(4)安装在被测试样的上方用于检测被测试样涂层面(8)的温度；

第二热像仪(5)安装在被测试样的下方用于检测被测试样第一加热面(9)的温度。

7.根据权利要求6所述的材料表面涂层附着力测试系统，其特征在于：所述加热光源包括激光器或石英灯阵。

8.根据权利要求7所述的材料表面涂层附着力测试系统，其特征在于：还包括全反射镜(11)，所述全反射镜(11)安装在被测试样周围，用于将加热光源出射的加热光反射至被测试样的侧壁上。

9.根据权利要求8所述的材料表面涂层附着力测试系统，其特征在于：还包括挡光板(12)，所述挡光板(12)安装在加热光源与待测试样(7)之间，用于吸收漏出待测试样(7)和全反射镜(11)的加热光。

10.根据权利要求9所述的材料表面涂层附着力测试系统，其特征在于：所述第一加热面(9)和第二加热面均喷涂石墨材料。