PVD物理气相涂层的热耐疲劳测试

PVD涂层的疲劳试验也没有相应的标准可以参考,他是可以参照既有的热障涂层(如用:航空发动机叶片表面的耐热涂层)的疲劳试验方法。

PVD涂层除了应满足涂层的一般要求,还必须满足某些特殊要求,热疲劳抗力就是其中一圳重要指标。因为有时PVD涂层经常在较高的温度下工作,反复经历高低温的作用,承受持久的热疲劳应力的作用。如铝合金压铸模具表面的涂层,就承受若常温-700℃交变温度的影响,需要涂层具有较高的热疲劳抗力才不至于脱落。有文献曾采用多种方法测定热障涂层的热疲劳抗力,加热-冷却方式包括感应加热-压缩空气冷却、感应加热-水气冷却和电炉加热-水冷等。所用试件有圆筒状、矩形板状及实物。从试验条件与零、部件实际工作环境的接近程度,感应加热-压缩空气冷却的方式与实际工作环境较为接近,但试验设备复杂,试验时间长,试验成本高;电炉加热-水冷的方式则正好相反;感应加热-水气冷却的优缺点介于两者之间。考虑此类试验主要是用于不同涂层材料、不同工艺问热疲劳性能的比较,电炉加热-水冷的方式完全可以达此目的。另外,采用电炉加热-水冷方式的另一优势是其试验过程可部分参照标准HB6660-1992,在现有试验机上进行,为试验工作带来方便。

试样设计是涂层试验的一项关键性工作,试样设计是否合理,将极大影响试验结果。以往试验表明,由于矩形板状试样边角处存在较大的应力集中和试验过程中试样各部位受热不均匀产生的热应力,涂层往往首先在边角附近发生破坏。圆筒状试样较好地避免了上述问题,是一种较为合理的试样。

PVD物理气相涂层的热耐疲劳测试 金属表面处理 PVD

PVD真空镀膜涂层的耐蚀性测试

PVD涂层很多情况下是用在腐蚀环境中,有时是接触腐蚀材料和介质,有时在腐蚀的大气环境中工作。如很多塑料模具接触的酸性塑料都具有很强的腐蚀性(如PVC,即聚氯乙烯),如果汽车零部件涂层后在沿海或者热带地区工作腐蚀性也比较厉害。因为无处不在的腐蚀可能性,所以研究、开发以及应用涂层必须考虑其工作环境,要是存在腐蚀的可能性必须做腐蚀试验。

耐蚀性检测最常用的就是盐雰试验,使用通用的盐雰试验箱。盐雰试验箱是采用盐雾腐蚀的方式检测被测样品的可靠性,盐雾是指大气中由含盐微小液滴所构成的弥散系统,是人工环境三防系列中的一种,很多企业产品需模拟海洋周边气候对产品造成的破坏性,所以盐雾试验箱应运而行。盐雾试验箱分中性盐雾和酸性盐雾两种,其区别在于符合的标准与试验方法不同,又名NSS和CASS试验,是人工三防气候中最常见的一种测试方法。如果做盐雰试验,需要按照有关的国家标准(GB/T2423.17-2008)。

PVD涂层的腐蚀试验不是强制性的国家标准,只是为了定性地掌握涂层的耐腐蚀情况,所以很多情况下并不一定进行盐雰试验,可以因地制宜根据现有的腐蚀情况进行测试。如某文献为了研究复合涂层(TiN+(Ti,Cr)N+Ti)的耐腐蚀性,采用电化学方法进行测试。磨损、腐蚀实验在0.lmol/L的氯化钠溶液中进行,用Ag/AgCl做参比电极,用铂丝做辅助电极。将EG&GPAR 273A电位仪和1250Hz变频分析仪连接起来用于数据采集。使用一个装有溶液和传送轴的PMMA盒子、传送轴和摩擦片及马达相连。另外,一支可移动棒支撑着样品,整个系统施加载荷在摩擦片上。样品的位置是可调整的,以获得最佳的试验条件。被测样品要装在聚酯树脂里,只露出试验部分,而边缘要密封,以避免裂缝腐蚀问题。通电用的导线也要放到树脂中,铜焊在样品的背面。磨损——腐蚀试验是盘——块形式的,摩擦片的旋转速度为40rpm,载荷是0.08~0.15kgf,摩擦片是43mm的氧化铝盘或钠钙玻璃盘。实验周期是1h,累积的磨损路线长度大约为325m。通过监控腐蚀电压观察涂层的完整性;两极化电阻通过阻抗谱法获得。试验后采用分析天平得到失重值。磨损条件下电化学试验后,用光学仪器和扫描电镜(SEM)观察样品,以研究磨损形貌。下图所示为测量得到的磨损腐蚀曲线。

PVD真空镀膜涂层的耐蚀性测试 金属表面处理 PVD

PVD涂层的耐磨性测试

PVD涂层的耐磨性测试 金属表面处理 PVD

磨损是致使PVD涂层破坏、失效的主要形式之一,评价涂层薄膜耐磨性的优劣对于控制涂层产品的质量至关重要,因此在研发和应用涂层技术方面占有举足轻重的地位。涂层耐磨性系指涂层表面抵抗某种机械作用的能力,通常采用砂轮研磨或砂粒冲击的试验方式测定,它是使用过程中经常受到机械磨损的涂层的重要特征之一,而且与涂层的硬度、附着力、柔韧性等其他物理性能密切相关。

工业发达国家对于不同材料均有相应的磨损试验方法,如日本工业标准JISH8503规定了有关金属镀膜耐磨性试验方法;ISH8615叙述了铬电镀层的耐磨性试验。我国目前还没有PVD涂层的耐磨性试验标准,所以只能借用类似的标准进行测试。建议参照国际标准IS08251-87和日本标准JISH8682进行PVD涂层的耐磨性评价。这两个标准中都规定了用摩擦轮磨耗试验机测定铝和铝合金阳极氧化膜的耐磨性。测试PVD涂层时,只是把持测试的标准试样上的涂层换成PVD涂层即可。这种试验方法是在规定的试验条件下,使涂镀层与胶接在摩擦轮外缘上的研磨砂纸作平面往复运动,每双行程后摩擦轮转动二小角度(0.9),经规定的若干次研磨后,以涂层厚度或涂层质量的减少,并通过计算其磨损阻力评价涂层的耐磨性。由于该方法的试验条件易于控制,而无其他方法所存在的如磨轮修整、老化,砂流速率、砂束形状等较难控制的问题,因此试验结果的重复性较好。

PVD真空镀膜涂层的内应力与测量

PVD真空镀膜涂层的内应力与测量 金属表面处理 应力

一、应力简介

物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长,对于某一种材料,应力的增长是有限度的,超过这一限度,材料就要破坏。对某种材料来说,应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低,规定出材料能安全工作的应力最大值,这就是许用应力。材料要想安全使用,在使用时其内的应力应低于它的极限应力,否则材料就会在使用时发生破坏。

在应力中有一种称为内应力,即当没有外力作用时,物体内部所存在的应力就是内应力。PVD涂层中存在内应力。内应力的危害非常大,所以在生产中应当掌握内应力的大小及其程度。PVD涂层的主要用途是作为耐磨防护涂层,这要求具有一定的厚度和使用寿命,但是涂层中的内应力限制了涂层的厚度。如果由于内应力而产生的单位体积的弹性能超过单位面积的断裂能,则涂层脱落,因此沉积涂层的厚度受到了限制。一般情况下,涂层的内应力、弹性模量和硬度彼此成正比。所以,生产过程中要通过物理气相沉积工艺条件控制涂层的应力特别是内应力,涂层后要检测涂层的内应力,使其在可接受范
围之内。

二、应力测试方法

应力测试方法主要包括X射线和电子衍射法、试样变形分析法和光干涉法。

1、X射线和电子衍射法

当涂层处于应力状态下,其晶格会产生畸变,从而使晶格常数发生变化,所以用X射线和电子衍射方法测出晶格常数的衍射谱线宽度的变化,可以按一定公式计算出涂层的应力。

2.试样变形分析法

将很薄的平直长方形玻璃片的一端固定在涂层设备的真空室内,然后在薄片
的一个表面上涂层,涂层应力会使薄片的自由端产生变形,用长焦测量显微镜测出薄片自由端的位移量,再根据材料力学公式计算出涂层的应力。

3.光干涉法

利用光干涉法测量涂层应力是先在干涉仪上测量出标准平板与未涂层基片之
间形成的干涉条纹,然后在基片上涂层,由于涂层应力的作用,基片表面产生变形,再在干涉仪上测量出标准平板与已涂层基片之间形成的干涉条纹,依据干涉条纹的变化量,用材料力学公式计算出涂层应力。

PVD镀膜涂层的结合力检验

涂层结合力是指涂层与被涂层基体表面的相互黏附能力,也就是将涂层从基体上剥离的难易程度。越难剥离,涂层结合力越好。一般情况下,如果涂层与基体的界限不明显,则表明涂层的结合力非常好,使用扫描电镜下观察涂层基体界面图标,可以看出,涂层基体界面越模糊,实测也证明涂层的结合力非常好。

涂层结合力的检测方法有弯曲测试法、画线画格后急热急冷热循环测试法、 黏接剥离测试法、黏接拉伸测试法、划痕测试法、压痕测试法、球痕测试法。对于PVD涂层,使用比较多的通常是后三种方法,下面进行介绍:

一、划痕测试法

用三个加有金刚石圆球状的针头在涂层表面按一定速度连续划行同时在针头上逐渐增加载荷,涂层被完全划穿那一刻所加载的载荷就是涂层的结合力。涂层在被划穿的那一瞬间,会发出不同的“声音” ,当然这个声音很小,人的听觉很难准确感觉到。为了提高测量精度,在被测件和针头之间安装能接收微弱声音的传感器,然后将信号放大。通过此传感器,可以将针头在整个划行过程中的声音记录下来,并自动画出所加载荷、声音信号强度曲线。曲线上出现的第一个声谱峰值所对应的载荷,就是该涂层对基体的结合力临界值。

二、压痕测试法

压痕测试法在洛氏硬度计上进行,对于不同材料的基体,采用不同的测试方法。对于钢基体,采用HRC方法,其测试加压载荷为15okgf;对于硬度高的基体,如硬质合金等,采用HRA方法,其测试加压载荷为60kgf。

测试时将洛氏硬度计的圆锥形压头(圆锥夹角为120,尖顶半径为0.2mm),在一定测试压力下压人被测涂层表面,保持定时间(硬度计程序自动设定,约为6s)后卸除压力,压头会在试样表面压出一网锥形凹陷(压痕),从正面观察,压痕为一圆形。

工件或试验片(随涂层工件在同一炉次涂层)经过洛氏硬度计测量后,放在投影仪下检查涂层黏结度,如图为压痕边缘裂纹判定参考图,编号HF0~HF6依次由好到差。

PVD镀膜涂层的结合力检验 金属表面处理 涂层

通过投影仪放大观察痕迹边缘的涂层状况,与裂纹判定标准参照对比,从而确定涂层结合力的等级。这种涂层结合力测量方法目前在生产企业使用比较多。

三、球痕测试法

球痕测试法是用一定直径的钢球在涂层表面上研磨将涂层磨穿在涂层和基体上留下一个圆形(涂层表面为平面时)或椭圆形(涂层表面为圆柱面时)凹坑。研磨的时间要掌握好,凹坑的深度一定要超过涂层的厚度。另外,由于涂层很硬,钢球很难直接将涂层磨穿,所以研磨时,要先在钢球上研磨区域涂上些许金钢石粉末(粒度在7um以下),并喷上酒精以稀释金铜石粉末和研磨时润滑。在显微放大镜下将凹坑放大50~100倍,会看见涂层与基体之间有一条分界线,观察这条分界线的形状判断涂层与基体之间结合力的状况。“如果这条界线非常清晰整齐,则涂层结合力不好;如果这条分界线犬齿交错或出现断层。则涂层结合力好。

PVD涂层厚度与检测

PVD涂层厚度与检测 金属表面处理 PVD

涂层厚度是指涂层的外表而到涂层下基体表面的距离,一般在0~15um,其检测方法有很多种,下面介绍目前应用比较普遍的几种方法:断面法、球痕法和无损检测法。

1.断面法

断面法是一种破坏性检测方法,被检测的工件极可能不能再使用。它将要检测工件或试样沿涂层截面切断,在显微镜下放大1000~10000倍进行测量,放大倍数越大,人为因素影响越小,精度越高。涂层和基体的界限非常明显,通过扫描电镜中的标尺进行测量比较方便。标尺起始点和终点的距离就是涂层的厚度。测量准确与否就是正确判断涂层与基体的界限,否则就会带来误差。如果涂层与基体的结合处比较模糊,最好不要用该种测量方法。从总体上看,这种测量方法比较直观、精确。另外,这种方法测量时观察而是截面,最好比较平整,否则要进行人工处理,让截面平齐便于观察测量。

也可以使用油镜观察涂层断面进行测量。将被切断样件置于塑料粉末中进行压制、烧结成块状试样,然后研磨被测表面,将被测表面研磨平整。测量时在物镜与被测表面间滴人测量油抽空空气以减少干扰。

2.球痕法

球痕法是用一定直径的钢球在涂层表面上研磨,将涂层和基体磨出一个凹坑,球磨仪器的断面为一圆弧形。研磨的操作要求与测量涂层结合力的球痕测试法的研磨操作要求相同。球磨后在显微镜下通过成像系统观察,在显示器下观察到的图像。

球痕法检测对工件外观会产生一定损坏,如果检测点不在功能区,通常不会影响其再使用。但是为避免错误的发生,在用该法检测前,要与工件所有者讨论并征得其同意方可进行检测。

3.无损检测法

无损检测法就是在不破坏工件的前提下检测工件上的涂层厚度。无损检测方
法有多种,一般情况下,无损检测法需要提供基体和涂层的构成成分,或提供涂层样块来分析制作基准数据,在检测时,将被测件和涂层的构成成分与基准样块的构成成分进行比对来推断出涂层的理论厚度,这样,对于不同的基材和涂层都要进行成分分析、制作测量程序,然后才可以进行实际的测量。当然,有些仪器可以不制作样块而直接测量,但误差大。本节主要介绍X射线荧光法(X-Ray
Fluorescence, XRF).

XRF仪器主要由X射线激发源与探测系统组成。X射线管产生X射线(一放射线或基础射线),撞击被测工件,被测工件中的每一种元素受到激发放射出二次X射线,并且不同的元素所放射出的二次射线具有特定的能量特征(也就是说,依据二次射线的能量特征可以获知元素的种类和含量)。探测系统测量这些被激发放射的二次射线的能量及数量,探测系统软件将检测到的能量及数量信息转换成相应的元素及含量,这样被测工件中的元素种类及其含量就被检测出来了。利用X射线荧光原理,理论上可以测量元素周期表的每一种元素。但在实际应用中,有效的元素测量范围为11号元素钠(Na)~92号元素铀(U)。

依据以上原理,测量样件上涂层厚度时,XRF分别分析出基体和涂层的元
素组成。一般情况下,涂层的元素构成与基体的元素构成有很大差别,据此,计算软件可以计算出涂层的厚度。如果事先分别检测出各种基体和涂层的元素构成并存储在计算机数据库中作为标准,当XRF检测时,将检测出的元素构成与标准相比对找到对应的基体和涂层种类,判断涂层与基体的分界面,从而可以更准确地测出涂层的厚度。

PVD涂层的外观检验内容

PVD涂层的外观检验内容 金属表面处理 PVD

    PVD涂层外观影响涂层工件的销售,光亮、完整、美观的涂层外观给人一种视觉上好的印象。功能区域的外观缺陷不仅影响涂层外观,同样影响涂层的寿命。涂层的外观缺陷主要是剥落和色差。

一、剥落

    这是由涂层工艺过程特点决定的。上一次涂层过程中沉积在炉壁、卡具上的旧涂层会不断崩裂并且有些碎片覆着到工件上。新涂层覆盖其上而不是与基体结合。这样在冷却或后续过程中,旧涂层带着新涂层一起脱落。涂层脱落的严重性与脱落点的位置和大小有关。涂层脱落可以通过显微放大镜检查。严重的可见典型的非常明显的涂层脱落。

二、色差

    色差指的是同一种涂层的颜色差别,主要有两种情况:一种是同一炉次中不同位置工件的涂层颜色差别,另一种是不同炉次之同的涂层颜色差别。色差的产生与基体材料、炉内反应气体分布、靶材重量以及真空度不同等有关。一般情况下.轻微的色差并不影响涂层的使用性能。可用成分分析仪器分析不同颜色的涂层成分之间的差异,对色差程度对涂层性能的影响严重性进行判断。在实际生产中不是大的色差不会影响产品的性能,所以关注并不大。如果色差非常明显,肉眼就能明显地看出来,这时就要引起重视,查找原因。

    在检验彩色不锈钢屏风等产品时,要特别留意上述两种外观瑕疵。

PVD纳米涂层未来需要解决的问题

PVD纳米涂层未来需要解决的问题 金属表面处理 PVD

纳米涂层的研究时间还不长,许多问题还有待深人研究和探讨。

问题一:涂层厚度及界面结合问题。传统涂层的参考厚度大致为单面2~6um,纳米涂层则不同,它要求材料颗粒必须是纳米级的,要求涂层能够与基体密实地结合,共同起到结构和功能作用。

问题二:热喷涂纳米结构颗粒原料的制备。对于涂层技术,制约热喷涂纳米涂层技术发展的障碍是纳米粉末不能直接用于热喷涂,需经造粒技术将纳米颗粒重新形成微米级颗粒(即喂料),才能用热喷涂技术喷涂到基体上。美国是把纳
米形成微米以后,利用大气等离子喷涂技术制得氧化锆纳米涂层,显微结构和物相组成测定发现,基体与涂层二者结合得很好。若采用先进的封闭场不平衡磁溅射法,工序很多,而直接对纳米陶瓷涂料进行热喷涂,则难以保证纳米陶瓷微粒的稳定分散,故必须研究纳米陶瓷料浆稳定分散的机制及调控措施。

问题三:工序多、成本高。如美国Rutgers大学和海军研究室利用金属与陶瓷所共同开发的纳米WC/Co涂层材料和涂层技术,以及上述特别的涂层方法,同样存在着工序复杂、成本高的问题。

纳米涂层及其制备技术正随着纳米材料的发展而发展。在纳米材料的制备技术不断取得进展和基础理论研究日益深人的基础上,纳米功能涂层将会有更快、更全面的发展,制备方法也将不断创新和完善,其应用将遍及多个领域,并将迅速形成相关的庞大产品群和企业群,不仅在高科技领域有不可替代的作用,也能为传统产业带来生机和活力。

PVD制备纳米涂层的特点

PVD制备纳米涂层的特点 金属表面处理 PVD

物理气相沉积纳米涂层的基本方法主要有三种:真空蒸镀、溅射镀和离子镀。真空蒸镀是用电子束加热、激光加热等方式使蒸发源材料蒸发成为粒子(原子或离子),沉积到工件表面形成涂层,涂层气孔相对较多,与基材附着力一般。溅射镀以工件为阳极,靶为阴极,利用氩气电离产生的氩离子的溅射作用将靶材原子击出而沉积在工件表面,涂层气孔较少,与基材结合较好。离子镀是用蒸发、溅射或化学的方法使材料成为原子并被基材周围的等离子体离子化后,在电场作用下以更大的动能飞向基材而形成涂层这种涂层均匀密致,基本无气孔,
与基材结合良好。

Gutarra采用直流磁控溅射技术制成了氧化钛纳米薄膜。溅射室压力抽至1.3×10-4Pa,随后充入Ar、O2和CF4后总压力为1.3Pa(溅射过程中控制它们的注人量)。薄膜的厚度是通过在恒定溅射电压(700V)下改变其溅射条件控制,溅射时基板温度控制在100~400℃。并在LiC1O4和丙烯碳酸中发现了电变色特性。但是膜面受到气体和带电粒子的冲击,膜的性能受等离子体状态的影响很大,溅射条件也不易严格控制,这也是它的最大缺点。

为了进一步提高纳米涂层的质量,通过各种技术相结合,发展和衍生出了各种先进的PVD技术。将磁场引入以电场作用为主的溅射技术中,发展了各种磁控溅射技术。为了强化薄膜形成中的化学过程,在蒸发、溅射、离子镀成膜过程中引人活性反应气体,从而涌现出活性反应蒸发技术、活性反应溅射技术与活性反应离子镀技术。此外,还有脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射脉冲激光沉积(MSPLD)、离子化磁控溅射(ionized
magnetron sputtering)、分子束外延(MBE)、迁移增长等新的制膜技术。

可以看出,随着科学技术的发展,CVD和PVD的界限已不分明,两者相互渗透,从而使这两种涂层制备技术更加完善。

关于PVD的微纳米涂层的优点

关于PVD的微纳米涂层的优点 金属表面处理 PVD

涂层作为一种对固体表面强化、改性手段,在机械、电子、化工、航空航天等领域获得了广泛的应用。随着科学技术的发展,要求材料在特殊工况下服役,如超高温、超低温、超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以及存在辐射、声吸收信号屏蔽、承受点载荷等条件,对传统的涂层提出了更高的要求。

研究表明,材料中某个相的某一几何尺寸(颗粒度、直径、膜厚、晶粒度)为纳米级时,材料的特性往往会发生突变。由于表面效应、小尺寸效应和量子效应的影响,纳米材料在物理性能、力学性能等方面都出现许多不同于宏观物质的特性表现为高强高韧、高比热、高热膨胀率、高电导率、高导磁性、高吸波性等,成为21世纪科技发展前沿的重要研究领域将纳米材料与表面涂层技术相结合制备纳米涂层,有利于扩大纳米材料的应用,同时给涂层技术的进一步提高提供了条件。

纳米材料涂层是在表面涂层中添加纳米材料,获得纳米复合体系涂层。纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体,也可以是粉末颗粒或纤维。它是近年来国际上纳米材料科学研究的热点之一,主要的研究集中在功能涂层上,包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层。纳米涂层性能体现在以下几个方面:

(1)添加纳米相,可提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性;
(2)提高材料的耐高温、抗氧化性;
(3)提高基体的防腐蚀性能,达到表面修饰、装饰的目的;
(4)达到减小摩擦系数的效果,形成R润滑材料;
(5)纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能、优异的电磁性能。

根据纳米涂层的组成可将其分为以下几类:

(1)0-0复合,即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体,通常采用原位压块、相转变等方法实现,具有纳米非均匀性结构,也称为聚集型。

(2)0-3复合,即纳米粒子分散在常规三维固体中。另外,介孔固体亦可作为复合母体通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中,形成介孔复合的纳米复合材料。

(3)0-2复合,即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中,它又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类,称为纳米复合薄膜材料。

0-0复合、0-3复合完全的纳米材料涂层离商业化尚有一段距离。0-2复合借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可以获得纳米复合体系涂层,使传统涂层的功能得到飞跃提高,技术上无需增加太大的成本,近年来得到迅速发展。