涂層分析與檢測

1、涂層分析與檢測 第十三章涂層的分析與檢測第十三章涂層的分析與檢測 涂層的分析與檢測有共性和特性之分，涂層的共性檢測包括外 觀、厚度、硬度、殘余應(yīng)力、界面結(jié)合力、孔隙度測量和顯微組織 觀察等，特性分析包括耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、導(dǎo)電性檢測 等。 涂層分析與檢測 1. 涂層共性的分析與檢測涂層共性的分析與檢測 涂層外觀的檢測 涂層厚度的測量 涂層硬度的測量 涂層殘余應(yīng)力的測量 涂層結(jié)合強(qiáng)度的測量 涂層孔隙率的檢測 涂層顯微組織分析 涂層分析與檢測 1.1 涂層外觀的檢測涂層外觀的檢測 涂層外觀的檢測包括表面缺陷、粗糙度、光澤度和覆蓋性，通 常采用肉眼觀察和儀器測量的辦法。 涂層分析與檢測 表面

2、缺陷表面缺陷 表面缺陷主要有鼓泡、起皮、斑點(diǎn)、疏松、毛刺、針孔等，鼓 泡是涂層表面隆起的小泡，大小、疏密程度不一，嚴(yán)重時(shí)與基體分 離，脫皮是涂層與基體剝離的開裂狀或非開裂狀缺陷，通常是涂/鍍 層常見的缺陷。 涂層分析與檢測 表面粗糙度表面粗糙度 涂層表面粗糙度的幾何形狀特征是凹凸不平，凸起處為波峰， 凹處為波谷，兩相鄰波峰與波谷的間距為波距（L），相鄰波峰與 波谷的水平差為波幅(H)。根據(jù)波峰與波谷的比值大小，可將表面形 狀分為三類： 第一類是在L/H1000時(shí)，稱為表面形狀誤差； 第二類是在50L/H1000時(shí)，稱為表面波紋度； 第三類是在0L/H50時(shí)，稱為表面粗糙度。 涂層分析與檢測 不

3、同測量方法測得的粗糙度不同 涂層分析與檢測 表面粗糙度的測量表面粗糙度的測量 為了能真實(shí)地反映表面粗糙度，測量通常沿噴涂的垂直方向 （A向）進(jìn)行。粗糙度可采用輪廓算術(shù)平均值Ra和輪廓微觀不平度 Rz來表示。 Ra是指被測輪廓上各點(diǎn)至輪廓中線距離總和的平均值，代表涂 層表面層截面的輪廓曲線。Ra值可直接通過專用粗糙儀測得，故工 程上通常采用Ra值。 Rz是指在取樣范圍內(nèi)5個(gè)最大輪廓峰高的平均值與5個(gè)最大輪廓 谷深的平均值之差。 涂層分析與檢測 表面粗糙度的測量方法表面粗糙度的測量方法 檢測表面粗糙度的方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。 接觸式比如觸針法，機(jī)械觸及到被測件的表面，對于高精度和 軟材

4、質(zhì)表面容易引起劃傷。觸針法是一種表面輪廓儀測量方法，觸 針尖端在被測涂層表面順著波峰與波谷上下移動時(shí)，產(chǎn)生一定的上 下振動變化，這一機(jī)械變化可轉(zhuǎn)換成某種信號記錄下來，用來表征 表面粗糙度，這種方法有機(jī)械式、電動式和光電式。 非接觸式如光學(xué)法與被測表面沒有機(jī)械接觸，因而不會存在表 面劃傷問題。光學(xué)法是利用光學(xué)原理來測量表面粗糙度，有光干涉 法、光切斷法和光反射法。光干涉法實(shí)際上是干涉儀和顯微鏡的組 合，用光波波長作為基準(zhǔn)尺寸來測量表面的深度變化，再用顯微鏡 進(jìn)行高倍放大后觀察 。 涂層分析與檢測 光澤度光澤度 涂層表面光澤度是指涂層表面在一定照度和一定入射光作用下 反射光的強(qiáng)度或反射光強(qiáng)度與入射

5、光強(qiáng)度之比。反射光的強(qiáng)度越大 或比率越高，涂層的光澤度越高。涂層表面光澤度的測量方法有目 測法、樣板對照法和光度計(jì)法三種。 涂層分析與檢測 目測法目測法 目測法是在照度為300lx（相當(dāng)于40W日光燈在500mm處的照度） 條件下，將表面光澤度分為鏡面光亮（1級）、光亮（2級）、半光 亮（3級）和無光亮（4級）。 1級光澤度涂層光亮如鏡，能清晰地看出人的五官和眉毛； 2級光澤度涂層表面光亮，能看出人的五官和眉毛，但眉毛部分 不夠清晰； 3級光澤度表面光亮較差，但能看出人的五官輪廓，眉毛部分模 糊； 4級光澤度涂層基本上無光澤，看不清人的面部五官輪廓。 涂層分析與檢測 樣板對照法樣板對照法 樣板

6、對照法將不同級別的標(biāo)準(zhǔn)光亮樣板與待測涂層進(jìn)行比較。 1級光澤度的標(biāo)準(zhǔn)樣板粗糙度定為0.04m Ra 0.08m， 2級光澤度定為0.08m Ra 0.16m， 3級光澤度定為0.16m Ra 0.32m， 4級光澤度定為0.32m Ra 0.64m。 涂層分析與檢測 1.2 涂層厚度的測量涂層厚度的測量 涂層厚度的檢驗(yàn)方法很多，可分為無損檢測和破壞性檢測兩大 類。 無損檢測主要有磁性法、渦流法、和X射線熒光測厚法等。 破壞性檢驗(yàn)方法有金相顯微法、多束光干涉法和化學(xué)溶解法等。 涂層分析與檢測 磁性法磁性法 磁性法通常用來確定磁性基片上非磁性鍍膜/涂層的厚度，電磁 法還可測量非磁性基片上的磁性涂層

7、厚度。由于涂層厚度變化，與 閉合磁路中磁通量的變化成線形關(guān)系，由此測出涂層厚度。這種方 法速度快，精度高（1），其測量范圍在5微米到750微米之間。 磁性法測量之前應(yīng)在標(biāo)樣上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，以確保測量精度。 一般對有效面積大于1cm2的工件要做3-5點(diǎn)測量，對有效面積大于 1m2的表面，要做9點(diǎn)10次測量，第一次與第十次重合。 涂層分析與檢測 渦流法渦流法 渦流測厚儀是根據(jù)涂層與基材導(dǎo)電性有足夠的差異來進(jìn)行的， 與涂層是否為磁性材料無關(guān)。測厚儀的工作原理是靠表面趨膚效應(yīng)， 當(dāng)頻率改變時(shí)，產(chǎn)生渦流的表面層厚度發(fā)生變化。對于給定的頻率， 表面層渦流的大小，取決于通過電流表面層材料的導(dǎo)電性。 如圖所示

8、，將內(nèi)置高頻電流線圈置于涂層上，在被測涂層內(nèi)部 產(chǎn)生高頻磁場，由此引起基體金屬內(nèi)部渦流，此渦流產(chǎn)生的磁場又 反作用于探頭內(nèi)線圈，使線圈阻抗發(fā)生變化。隨著涂層厚度的變化 ，探頭與基體金屬表面的間距改變，反作用于探頭線圈的阻抗亦發(fā) 生相應(yīng)的改變，由探頭線圈阻抗值的變化可間接反映出涂層厚度。 渦流法測厚與磁性測厚儀一樣，測量速度快，其測量精度可達(dá) 1%，測量范圍為1-1000m。 涂層分析與檢測 渦流測厚儀原理圖 1-感應(yīng)線圈； 2-非導(dǎo)電膜； 3-導(dǎo)電基材 涂層分析與檢測 1.3 硬度的測量硬度的測量 材料的硬度是指抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力。 硬度的測量可歸納為三種主要的類型：靜態(tài)壓痕硬

9、度、動態(tài)/回 彈壓痕硬度及劃痕硬度。 靜態(tài)壓痕硬度測量是通過球體、金剛石錐體或其它錐體將力施 加到被測材料上，使被測材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生壓痕，再依據(jù)載 荷與壓痕面積/深度之間的關(guān)系，求出其硬度值。 動態(tài)/回彈壓痕硬度測量是將一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)重量和尺寸的物體從 一定的高度下落到被測材料的表面并從其表面彈起，根據(jù)回彈的高 度來測定被測材料的硬度值。 劃痕硬度測量是通過被測物體去刻劃已知硬度的另一種物體或 用已知硬度的一種物體去刻劃被測物體，根據(jù)所產(chǎn)生的劃痕大小來 評價(jià)硬度值，屬于一種半定量測定方法。 涂層分析與檢測 涂層顯微硬度測量涂層顯微硬度測量 涂層顯微硬度測量有兩種途徑：直接法和間接法。 直接

10、法可以直接地獲得薄膜/涂層本身真實(shí)的顯微硬度，要求膜 厚大于壓痕所產(chǎn)生的塑性形變區(qū)及影響區(qū)深度，比如維氏硬度，膜 厚至少要為壓痕深度的10倍，當(dāng)鍍膜非常薄時(shí)，基片的硬度會影響 膜的硬度。 間接法測量用一種模擬近似確定薄膜硬度和壓痕的尺寸效應(yīng)， 從而間接地獲得硬度值。直接法和間接法測量薄膜硬度示意圖如圖 所示，可以看出，間接法測量薄膜硬度值偏低。 涂層分析與檢測 測量厚膜硬度的直接法和間接法示意圖 (a) 直接法 (厚膜和塊狀試樣)； (b) 間接法（薄膜） 涂層分析與檢測 薄膜的厚度要求薄膜的厚度要求 試樣制備時(shí)，首先要考慮薄膜的厚度。被測試樣表面經(jīng)施載壓 頭壓入后形成壓痕，壓痕周圍受到形變的

11、影響，影響范圍包括彈性 形變和塑性形變的區(qū)域。雖然被測薄膜材料不同，其壓痕形變影響 區(qū)也有差別，但一般如半球形所示。 由圖可知，維氏硬度深度方向形變影響區(qū)是壓痕對角線的1.5倍 以上，也就是說，為了消除壓痕形變的影響，鍍膜的厚度應(yīng)為壓痕 對角線的1.5倍以上。根據(jù)維氏硬度壓痕深度與其對角線之比為1:7 關(guān)系來推算，則受壓痕形變影響的深度為實(shí)際壓痕深度的10倍以上。 當(dāng)膜厚為壓痕深度10倍以上時(shí)，可用直接法直接獲得鍍膜本身的顯 微硬度。 涂層分析與檢測 球形壓頭和維氏硬度壓頭的壓陷變形區(qū)域 涂層分析與檢測 宏觀硬度測量宏觀硬度測量 對于耐磨涂層來說，測量涂層表面硬度也非常重要，常用的是 表面洛氏

12、硬度計(jì)。最硬的耐磨涂層采用C刻度，載荷有15N，30N， 45N，一般的耐磨涂層也可采用B刻度或A刻度。 用于宏觀硬度測量的涂層試樣準(zhǔn)備較為簡單，只需試樣表面與 背面平行，涂層表面光滑、潔凈，每個(gè)試樣至少測定5個(gè)壓點(diǎn)，其 中兩個(gè)測點(diǎn)或任一測定點(diǎn)距試樣邊緣的距離不小于3mm，為了保證 測試的準(zhǔn)確性，涂層厚度應(yīng)為壓入深度的10倍以上。 涂層分析與檢測 1.4 殘余應(yīng)力的測量殘余應(yīng)力的測量 通常在薄膜/涂層制備過程中，基體要加熱到一定溫度，冷卻下 來時(shí)，因基體材料和涂層材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，而在涂層中存 在著殘余應(yīng)力。當(dāng)涂層材料的熱膨脹系數(shù)小于基體材料的熱膨脹系 數(shù)時(shí)，涂層中存在著壓應(yīng)力，相反則存

13、在著拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力作用 下，涂層中易產(chǎn)生裂紋。無論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，都會在涂層/基 體界面間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力大到能克服涂層與基體界面間 結(jié)合力時(shí)，涂層就會沿著界面從基體上剝落下來。 因熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致涂層中的殘余應(yīng)力為宏觀應(yīng)力，不僅 取決于熱膨脹系數(shù)差異的大小，而且取決于薄膜/涂層制備時(shí)，基體 溫度的高低。除了宏觀熱應(yīng)力外，涂層中還會存在微觀局部應(yīng)力， 局部應(yīng)力往往由于相變、變形不均、涂層中的缺陷等因素引起的。 涂層分析與檢測 從基片應(yīng)變中測量宏觀殘余應(yīng)力從基片應(yīng)變中測量宏觀殘余應(yīng)力 由基片變形測量應(yīng)變的主要方法有： 固定基片測量自由端的移動； 采用不固定的圓形基片，由光學(xué)干涉

14、法測量基片的變形。 在自由端位移測量方法中，普遍采用懸臂梁法，基片長寬比通 常大于25，薄膜/涂層厚度在25-250微米之間。自由端位移測量可采 用光學(xué)顯微鏡直接讀取或采用光學(xué)杠桿放大方法以提高測量精度。 園盤法采用探針輪廓儀或?qū)@盤放在厚度為25-250um的光學(xué)玻璃平 板上由牛頓環(huán)測出。 涂層分析與檢測 X射線衍射法測量局部殘余應(yīng)力射線衍射法測量局部殘余應(yīng)力 用X射線衍射法測量涂層內(nèi)應(yīng)力/殘余應(yīng)力的原理是建立在對晶 體面間距測量的基礎(chǔ)上，由所測晶體面間距的變化，計(jì)算出點(diǎn)陣應(yīng) 變及應(yīng)力。比如，在有殘余應(yīng)力的涂層中，hkl晶面的衍射角為hkl, X射線波長為，則面間距為： 在無內(nèi)應(yīng)力的該涂層材

15、料中，hkl的正常間距為d0hkl，于是該面 上的應(yīng)變： 涂層內(nèi)應(yīng)力為： 其中E為彈性模量，為泊松比。 可以看出，X射線衍射法測量的是非常局部微觀應(yīng)力，由此可 了解涂層中微觀應(yīng)力分布。 2sin hkl hkl d 0 0 hklhkl hkl dd d 2 涂層分析與檢測 1.5 涂層結(jié)合強(qiáng)度的測量涂層結(jié)合強(qiáng)度的測量 涂層的結(jié)合強(qiáng)度是指涂層與基體結(jié)合力的大小，即單位面積涂 層從基體上剝落下來所需要的力。涂層結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層性能的 一個(gè)重要指標(biāo)，若結(jié)合強(qiáng)度低，涂層容易從基體上剝落，嚴(yán)重影響 涂層的使用性能和使用壽命。 測量涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法很多，但可分為兩大類，一類為定性 檢驗(yàn)，如彎曲試驗(yàn)、

16、沖擊試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)等，另一類為定量檢驗(yàn)， 如劃痕試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)等。 涂層分析與檢測 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)通常為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，其做法是將涂層試樣置于一定 距離的兩個(gè)支點(diǎn)上，涂層面向支點(diǎn)，將一定曲率半徑的壓頭作用于 基體材料的中點(diǎn)，在一作用力下，試樣發(fā)生彎曲，隨著力的不斷增 大，涂層會開裂，直至從基體上剝離，彎曲角的大小說明涂層結(jié)合 強(qiáng)度的大小。 涂層分析與檢測 杯突試驗(yàn)杯突試驗(yàn) 類似于彎曲試驗(yàn)，杯突試驗(yàn)同樣可以用來觀察涂層變形后涂層 開裂或剝離情況，間接衡量涂層結(jié)合強(qiáng)度，杯突試驗(yàn)是將涂層樣品 放置杯突實(shí)驗(yàn)機(jī)上，鋼球直徑為20mm，杯口直徑為27.5mm，以 10mm/min的速度

17、由試樣背面/基體面將鋼球向有涂層方向壓入，壓 入深度因基體和涂層不同而異，一般為7mm，觀察突出變形部分涂 層的開裂情況，若涂層無剝落現(xiàn)象，說明涂層結(jié)合強(qiáng)度高。 涂層分析與檢測 劃痕試驗(yàn)劃痕試驗(yàn) 劃痕試驗(yàn)是將一具有很小曲率半徑，圓錐形端頭硬質(zhì)材料針置 于薄膜表面，施加一法向力使針沿涂層表面刻劃，逐步增加測量針 的法向載荷，并重復(fù)進(jìn)行刻劃，恰好能使涂層與基片發(fā)生剝離的載 荷來衡量涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度，該載荷被稱之為涂層剝離的臨界 載荷。 為了準(zhǔn)確確定這一臨界載荷，通常采用聲發(fā)射檢測法。劃痕過 程中，涂層在壓頭的刻劃作用下發(fā)生破裂或與基片剝離時(shí)都會發(fā)出 聲發(fā)射信號，在聲發(fā)射檢測法中，在劃痕測量裝置

18、的壓頭施力桿或 底座上安裝有聲發(fā)射傳感器，當(dāng)在劃痕過程檢測到聲發(fā)射信號的急 劇變化時(shí)，即認(rèn)為涂層與基體間出現(xiàn)了剝離，與此相對應(yīng)的法向載 荷被確定為臨界載荷。 涂層分析與檢測 劃痕試驗(yàn)時(shí)涂層硬度隨載荷的變化劃痕試驗(yàn)時(shí)涂層硬度隨載荷的變化 涂層分析與檢測 拉伸測量法拉伸測量法 拉伸測量法是使用粘結(jié)劑把棒狀、板狀或帶狀零件粘附在涂層 表面，通過測量使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的結(jié) 合強(qiáng)度。直接拉伸測量法，如圖所示，圓形棒利用粘結(jié)劑垂直地粘 貼在涂層表面，對涂層垂直施加拉力。若涂層剝離時(shí)的力為F，剝 離的涂層面積為S，則涂層的結(jié)合強(qiáng)度為F/S。此法簡單，結(jié)果含義 明確，但應(yīng)用范圍受粘結(jié)劑自

19、身的強(qiáng)度和涂層結(jié)合強(qiáng)度所限。在直 接測量法中，使粘結(jié)桿垂直于膜面以及嚴(yán)格沿粘結(jié)桿軸向施加載荷 是獲得可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。當(dāng)加載偏離粘結(jié)桿軸線時(shí)，桿上出現(xiàn)橫向 作用力，涂層會在小于原來所需的軸向力下剝離。為了克服直接拉 伸法這一缺點(diǎn)，必須制作特殊的加載裝置，以保證粘結(jié)桿與涂層表 面垂直并嚴(yán)格沿粘結(jié)桿軸線加載。 涂層分析與檢測 直接拉伸法測量涂層結(jié)合強(qiáng)度 1-基片； 2-涂層； 3-粘結(jié)劑 涂層分析與檢測 剪切測量法剪切測量法 剪切測量法能較好地模擬涂層實(shí)際應(yīng)用條件，在摩擦學(xué)領(lǐng)域有 較廣的應(yīng)用，如圖所示。將一塊金屬板粘結(jié)在涂層表面并在施加垂 直載荷的條件下，切向單拉金屬板，將涂層由基片上剝離所需的力

20、除以粘結(jié)面積可求得剪切應(yīng)力值。此法由于使用了粘結(jié)劑，可測得 涂層結(jié)合強(qiáng)度附著力范圍受粘結(jié)劑強(qiáng)度所限，通常小于100MPa。 涂層分析與檢測 剪切測量法測量涂層結(jié)合強(qiáng)度 1-基片； 2-涂層； 3-粘結(jié)劑 涂層分析與檢測 契形嵌入測量涂層界面結(jié)合強(qiáng)度示意圖契形嵌入測量涂層界面結(jié)合強(qiáng)度示意圖 涂層分析與檢測 1.6 涂層孔隙率的檢測涂層孔隙率的檢測 涂層中孔隙率的多少直接影響到涂層的使用性能，對于大多數(shù) 涂層來說，比如耐腐蝕、耐高溫氧化、耐磨涂層等，都要求涂層中 的孔隙率越低越好，相反，對一些熱障涂層和可磨耗密封涂層，則 要求涂層中存在一定的孔隙率。因此，孔隙率是檢驗(yàn)涂層合格的重 要指標(biāo)之一。 測

21、量涂層中孔隙率的方法很多，主要有排水法、濾紙/涂膏法和 金相分析法。 涂層分析與檢測 排水法排水法 排水法是利用阿基米德原理來測定密度的。將一定質(zhì)量的涂層 從基體上剝離下來，清洗烘干后，在天平上稱取其干重(W1)，然后 用細(xì)金屬絲懸吊于水中，獲得其濕重(W2)，若室溫下水的密度為w ，涂層材料的理論密度為c，則涂層的孔隙率為： 1 12 1 100% () w c W P WW 涂層分析與檢測 濾紙濾紙/涂膏法涂膏法 該法的試驗(yàn)原理是金屬被腐蝕產(chǎn)生離子，離子透過孔隙，由指 示劑在試紙上產(chǎn)生特征顯色作用，即在待測涂層表面刷上試驗(yàn)液后 貼上濾紙，試驗(yàn)液沿涂層孔隙抵達(dá)基體/中間結(jié)合層金屬表面引起腐

22、蝕產(chǎn)生離子，金屬離子沿孔隙并在試驗(yàn)液中指示劑作用下在濾紙上 留下斑點(diǎn)，根據(jù)斑點(diǎn)多少，即可算出涂層的孔隙率。 試驗(yàn)溶液由腐蝕劑和顯示劑組成。腐蝕劑一般為氯化物，只腐 蝕基體金屬或中間層金屬，而不腐蝕涂層材料。顯示劑常用的是鐵 氰化鉀，與被腐蝕的金屬離子產(chǎn)生特征顯示作用?？紫堵实亩嗌倏?由單位面積上斑點(diǎn)的數(shù)目和大小來計(jì)量。 涂膏法的試驗(yàn)原理與濾紙法相同，只是將濾紙用膏狀物代替。 無論是采用濾紙還是涂膏，只能測量薄層中的開孔率。 涂層分析與檢測 金相法金相法 金相法是將涂層截面置于光學(xué)顯微鏡下，在一定放大倍數(shù)下觀 察或拍成顯微照片，計(jì)算機(jī)對圖象進(jìn)行處理，定義一孔隙門檻值， 將顯微圖片上某一襯度組織似

23、為孔隙，計(jì)算程序采用積分的方法將 視域內(nèi)各個(gè)孔隙面積累積起來，再除以視域總面積，從而獲得涂層 孔隙率大小。 涂層分析與檢測 1.7 顯微組織分析顯微組織分析 涂層的顯微組織觀察通常包括孔隙大小、分布、未熔/凝固顆粒 夾雜物、氧化物、涂層厚度、界面結(jié)合、表面粗糙程度，是對涂層 更直觀、更深入的檢測分析。常見的顯微組織觀察分析手段有光學(xué) 顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等。 涂層分析與檢測 光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 光學(xué)顯微鏡用可見光作照明源獲得細(xì)微物體放大圖象，有體視 顯微鏡和普通金相顯微鏡。體視顯微鏡放大倍數(shù)較低，景深較大， 可直接觀察涂層的自由表面和無需拋光的斷口截面。金相顯微鏡觀 察經(jīng)過制

24、樣處理的樣品，放大倍數(shù)可達(dá)5000倍，最大分辨率可達(dá) 0.2m顯微組織可以拍照或直接輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖象處理。 涂層分析與檢測 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 掃描電鏡將經(jīng)過聚焦的極細(xì)電子束，在試樣表面來回掃描，從 試樣表面反饋的背散射電子或從樣品內(nèi)部激發(fā)出來的二次電子作為 信號，被接收、處理、放大后，顯示在熒光屏上。與電視圖象相似 ，可逐點(diǎn)逐行地顯示試樣的顯微組織。掃描電鏡放大倍數(shù)可達(dá)30萬 倍，分辨率可達(dá)3nm。優(yōu)點(diǎn)是景深長，視野調(diào)節(jié)范圍寬，制樣極為 簡單，只要試樣清潔，導(dǎo)電即可，是一種很實(shí)用的顯微組織分析工 具。 涂層分析與檢測 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 原子力顯微鏡是由一個(gè)一端固定而另

25、一端裝有針尖的彈性微懸 臂和檢測器等組成，當(dāng)針尖掃描樣品時(shí)，同距離有關(guān)的針尖與樣品 間相互作用力會引起微懸臂的形變，當(dāng)用一束激光經(jīng)微懸臂背面反 射到光電檢測器，檢測器不同象限接收到的激光強(qiáng)度差值與微懸臂 的形變量之間形成一定的比例關(guān)系，并產(chǎn)生可測量的電壓差。反饋 系統(tǒng)根據(jù)檢測器電壓的變化不斷調(diào)整針尖與樣品在垂直方向的位置 ，以保持針尖與樣品間作用力不變，這樣通過測量檢測器電壓與對 應(yīng)樣品位置的變化，就可得到樣品表面圖象。原子力顯微鏡適用于 包括絕緣體在內(nèi)的所有材料。 涂層分析與檢測 2. 涂層特性的分析與檢測涂層特性的分析與檢測 涂層耐蝕性的檢測 涂層高溫抗氧化性的檢測 涂層的耐磨性試驗(yàn) 涂層

26、分析與檢測 2.1 涂層耐蝕性的檢測涂層耐蝕性的檢測 涂層的耐蝕性指的是涂層抵抗環(huán)境腐蝕，延長基體使用壽命的 能力。涂層的耐蝕性檢驗(yàn)包括大氣暴露試驗(yàn)、使用環(huán)境試驗(yàn)、人工 模擬/加速腐蝕試驗(yàn)。 涂層分析與檢測 大氣暴露試驗(yàn)大氣暴露試驗(yàn) 大氣暴露試驗(yàn)是將待測涂層試樣放在大氣環(huán)境中，進(jìn)行各種大 氣環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)，定期觀察腐蝕過程的特征，測定腐蝕速度， 檢驗(yàn)涂層在大氣環(huán)境下的腐蝕速度。 大氣環(huán)境有基本上沒有受到工業(yè)性介質(zhì)或海洋鹽霧污染的鄉(xiāng)村 大氣，有被工業(yè)性介質(zhì)輕微污染的城郊大氣，有被SO2、H2S、NH3 、煤灰等污染較重的工業(yè)性大氣，還有近海邊被鹽霧污染的海洋性 大氣。在不同大氣環(huán)境下，涂層的腐

27、蝕速率是不一樣的。 涂層分析與檢測 腐蝕等級腐蝕等級 大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)有定性和定量之分。定性分析主要采 用目測法或3-5倍放大鏡，對腐蝕產(chǎn)物的顏色和狀態(tài)進(jìn)行觀察分析。 根據(jù)保存的原始試樣與腐蝕后的試樣顏色/光澤度對比，可將涂層的 腐蝕等級分為5級。 1級腐蝕，涂層表面基本上無變化或僅光澤微暗； 2級腐蝕，涂層出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)或膜狀氧化物或光澤暗淡，但無基 體金屬腐蝕點(diǎn)； 3級腐蝕，出現(xiàn)基體金屬腐蝕點(diǎn)，但少于總面積10%； 4級腐蝕，基體金屬腐蝕點(diǎn)面積小于總面積30%，或涂層開裂面 積達(dá)到同樣程度； 5級腐蝕，基體金屬腐蝕點(diǎn)面積/涂層開裂面積超過總面積30% 。 大氣腐蝕結(jié)果的定量描述是根據(jù)涂層

28、在單位時(shí)間、單位面積上 的重量變化來計(jì)算腐蝕速率。 涂層分析與檢測 鹽霧試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)包括中性鹽霧試驗(yàn)、乙酸鹽霧試驗(yàn)和銅加速鹽霧試驗(yàn) ，用以確定金屬或金屬涂層的耐蝕性能，評價(jià)涂層厚度的均勻性和 孔隙率，被認(rèn)為是最有用的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)。 鹽霧試驗(yàn)裝置包括噴霧氣源、噴霧系統(tǒng)、鹽水槽、鹽霧收集器 和鹽霧箱。中性鹽霧試驗(yàn)采用pH為7左右的NaCl (5%)水溶液，鹽霧 箱的溫度為35o，上下不超過2o，鹽霧試驗(yàn)時(shí)間視樣品不同改變，從 2 小時(shí)到1000小時(shí)，在規(guī)定的試驗(yàn)周期內(nèi)噴霧不得中斷。 試樣取出經(jīng)清洗干燥后，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)的方面有 試樣外觀，除去表面腐蝕產(chǎn)物后的外觀，點(diǎn)蝕、裂

29、紋、氣泡等腐蝕 缺陷的數(shù)量和分布，開始出現(xiàn)腐蝕的時(shí)間，質(zhì)量變化，顯微鏡觀察 ，力學(xué)性能變化等等。 涂層分析與檢測 腐蝕缺陷分級腐蝕缺陷分級 對酸性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的評估大致與中性乙酸鹽霧相同。根據(jù)試 樣外觀，將缺陷面積小于0.1%的試樣人為地規(guī)定為9級，即 1級，外觀無變化； 2級，輕微到中度變色； 3級，嚴(yán)重變色或極輕微的失光； 4級，輕微失光或出現(xiàn)較輕微的腐蝕產(chǎn)物； 5級，嚴(yán)重失光或在試樣局部表面上分布有薄層腐蝕產(chǎn)物； 6級，有腐蝕產(chǎn)物或點(diǎn)蝕且其中一種分布在整個(gè)試樣表面上； 7級，整個(gè)表面上有厚的腐蝕產(chǎn)物或點(diǎn)蝕，并有深的點(diǎn)蝕； 8級，整個(gè)表面有非常厚的腐蝕產(chǎn)物和點(diǎn)蝕，并有深的點(diǎn)蝕； 9級，出現(xiàn)

30、基體金屬腐蝕。 當(dāng)腐蝕缺陷面積大于0.1%，根據(jù)腐蝕缺陷面積大小可定量評定 腐蝕程度。 涂層分析與檢測 氧化硫工業(yè)氣體腐蝕試驗(yàn)氧化硫工業(yè)氣體腐蝕試驗(yàn) 城市工業(yè)大氣中主要的腐蝕氣體是SO2，模擬SO2腐蝕試驗(yàn)是一 種常用的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)，是一種人工加速腐蝕試驗(yàn)，其測試結(jié)果與涂 層在工業(yè)性大氣環(huán)境中的實(shí)際腐蝕極其接近，主要用于金屬基體上 鉻涂層的耐蝕性試驗(yàn)。 SO2腐蝕試驗(yàn)是將清洗過的涂層樣品懸掛于玻璃棒上，然后放 入專用腐蝕試驗(yàn)箱中，通過0.1%濃度的SO2氣體，在溫度為35-50 ，相對溫度為95-100%的恒溫恒濕狀態(tài)下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，測試時(shí)間 一般為8-24小時(shí)。測試結(jié)束后，取出試樣自然風(fēng)干觀察

31、涂層并進(jìn)行 評級。 涂層分析與檢測 2.2 涂層高溫抗氧化性的檢測涂層高溫抗氧化性的檢測 為了評價(jià)涂層高溫抗氧化效果或者一種金屬的高溫氧化程度， 經(jīng)常要進(jìn)行高溫氧化試驗(yàn)。評價(jià)高溫氧化速率可以采用以下三種主 要指標(biāo)之一： 一是金屬的消耗量，可通過測定試樣的重量損失或殘留金屬的 厚度來確定； 二是氧的消耗量，可通過測定試樣的重量增加來確定，通過連 續(xù)測定，可得到完整的氧化動力學(xué)曲線； 三是生成的氧化物量，可以通過測量生成氧化物重量或厚度來 確定。 測定這三個(gè)指標(biāo)歸結(jié)為兩種方法：失重法和增重法。 涂層分析與檢測 失重法失重法 失重法測定高溫氧化就是把稱好重量的試樣放進(jìn)已加熱到一定 溫度的加熱爐中，保

32、持一定時(shí)間后，冷卻去除氧化物再稱重，確定 單位時(shí)間內(nèi)單位面積的重量損失，用以表示氧化速率。 高溫氧化試驗(yàn)后去除氧化物，特別是厚氧化皮的方法，最好是 將帶氧化皮試樣多次浸入熔融(400左右)的NaNO3 鹽中，或者浸入 50%Na2CO3+50%KCN熔鹽中處理。為確定氧化皮是否去除，可每 隔一定時(shí)間取出試樣，冷卻后用刷子擦洗表面，用10倍放大鏡觀察 表面。如果看不到氧化皮痕跡，即認(rèn)為已完全去除。 失重法必須中斷試驗(yàn)，破壞試樣，不能連續(xù)測量氧化動力學(xué)曲 線。 涂層分析與檢測 增重法增重法 增重法測定高溫氧化的最簡單裝置如圖所示。把掛在天平一端 的試樣放進(jìn)到加熱至一定溫度的加熱爐中，試樣被不斷地氧化，重 量不斷增加，每次記錄到的試樣重量減去原始重量即可得到試樣增 重。取出試樣冷卻后得到最后增重值，用單位時(shí)間單位面積上涂層 重量的增加來表示平均氧化速率。 涂層分析與檢測 測定空氣中高溫氧化動力學(xué)的簡單裝置示意圖 1-坩堝爐； 2-試樣； 3-熱電偶； 4-溫度控制器；5-鎳鉻合金吊絲； 6-分析天平； 7-隔熱板；8-帶雙孔的拼接爐蓋； 9-信號燈 涂層分析與檢測 阻抗法測量熱障涂層界面氧化層厚度示意圖阻抗法測量熱障涂層界面氧化層厚度示意圖 涂層分析與檢測 熱障涂層界面氧化膜阻抗隨氧化膜厚度而變化熱障涂層界面氧化膜阻