一种涂层剪切强度测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。装置包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机、减速器、丝杠、导轨和压头组成，该伺服电机、减速器、导轨固定在支座上，伺服电机与减速器水平连接，减速器与丝杠水平连接，丝杠通过两个自带支撑置于导轨上，压头固定在丝杠上。本发明专利技术具有可施加大载荷的能力，可对较大尺寸、较大剪切强度的试样进行测试，可以避免小尺寸试样引入的尺寸效应和较大剪切强度难以界面分离的问题。本测试装置检测的涂层界面结合面积不小于100mm

【技术实现步骤摘要】
一种涂层剪切强度测试装置
本专利技术涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别设计一种涂层界面剪切强度测试方法和装置。可用于硬质涂层、封严涂层、热障涂层等厚度在50um之上的涂层。
技术介绍
涂层与基体的界面力学性能是表征涂层使用性能的关键评价对象，界面力学性能包括界面结合强度和截面剪切强度，其中界面结合强度是指抵抗涂层与基体法向分离的能力，界面剪切强度是抵抗涂层与基体切向滑移分开的能力。涂层界面力学性能优劣直接影响涂层承载能力，是涂层性能评价的重要对象。对于涂层界面剪切强度，国外均有标准形成了检测方法，主要有2种检测方法，第一种为压入法，试验加载装置为万能试验机或相同功能设备，通过借助特定的圆柱形夹具辅才能开展实验，规定的可检涂层厚度为0.8mm～1.1mm，无法实施对涂层厚度或结构尺寸较大的产品涂层的结合性能进行检测；另一种粘接剂将涂层粘结在对偶件上，在置于万能试验机或相同功能设备然后进行拉伸试验，通过涂层发生剪切破坏测定剪切强度。沈肖镇研究说明使用E-7胶作为粘接剂时对涂层的影响深度达到0.13mm，研究介绍当涂层厚度大于0.15mm时不受粘结剂影响，而且涂层厚度对涂层界面力学性能存在影响，涂层约厚，涂层结合性能越差；因此对于测试涂层剪切强度的第二种方法而言也存在明显劣势，即在涂层厚度小于0.15mm不适宜用第二种方法进行测试。非涂层类材料剪切强度测试标准多采用三点弯曲方法进行试验或采用压入法使用特殊几何形状试样进行试验，但是这些方法均适用于整体较均匀的材料或复合材料，不适合涂层材料的测试。温州大学的廖宁波等人申请了“一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法”(申请号为CN106202747A)通过基于不同的势函数表征基体内部、涂层内部和基体与涂层之间的原子相互作用，使用大规模MD模拟计算裂纹附近的应力和位移参数，获得涂层和基体各自的界面TSL函数。但是该方法主要用于涂层结构的初始理论设计，不是用于涂层界面力学性能的评价。江苏大学的朱建国等人申请了“一种热障涂层界面结合强度的测量方法”(申请号为CN107345898A)使用微型加载机开展三点弯曲试验获取应力应变数据，结合数字图像相关法表征裂纹状态，通过揉度法计算能量释放率，是通过界面裂纹能量释放率来评价截面结合强度。但是界面裂纹能量释放率是一种间接手段表征涂层界面结合性能，是对结合强度和剪切强度的间接综合表征，不能单独给出剪切强度的具体值，而且对所需的辅助检测设备和理论分析能力要求较高，且可靠性需要进一步评估验证，工程可应用能力较低。深圳高品检测设备有限公司的陈光明等人申请了“一种涂层力学性能试验装置”(申请号为CN2783316Y)，装置利用维氏硬度原理即对试样进行施加预载荷、主载荷、保持总载荷及卸载荷历程，实现机械压痕、扭转、拉伸、弯曲、双拉和剪切等力学性能，其中未明确说明剪切性能的测试方法，但结合设备结构图可知其试验设备仅包括四点弯曲装置和扭转装置，说明专利中设备是采用四点弯曲装置或者扭转装置进行的剪切性能测试，难以对界面剪切强度进行直接测量，另外专利中也介绍需要光学摄像仪和声发射动态监测仪记录试验过程中的各种参数，说辅助试验设备也比较负载，且给出的结果仅为试验参数，要获得涂层界面力学性能尤其是界面剪切强度更需要扎实的理论知识基础，不适用于涂层界面性能的快速评价。南华大学的邱长军等人申请了“涂层截面结合强度测试件”(公开号为CN205483844U)，通过设备带槽的夹具与涂层构件组成十字交叉试样，能够比较好的是载荷传递给界面，但是夹具有涂层构件之间通过粘结剂粘结，对于薄涂层不能排除粘结剂对涂层的作用，另外不易控制粘结后涂层界面与夹具槽边界的对应转台，对测试结果产生一定影响。航天科工防御技术研究试验中心的辛燕等人申请了“防热涂层拉伸剪切强度测试模型及其制作方法”(公布号为CN102954910B)其介绍的测试模型与涂层粘结后搭接状态测试剪切应力的试验过程相似，区别在于涂层为有机物，通过固化具有粘结作用，及涂层形成过程中即形成粘结能力，不适用于无固化环节的涂层。中国供方横物理研究院材料研究所的邱志聪申请了“一种测试涂层结合强度的试验装置”(公布号为CN104764692A)介绍了分别用于测试涂层拉伸强度和剪切强度的装置，其中用于剪切强度的测试装置是将涂层与粘结件通过粘结方式连接，并留出压块加载台阶，此夹具也能够使涂层处于剪切受力状态下测试剪切强度，但是实际涂层构件均是直接涂覆与构件表面无法单独实现涂层与粘结件的粘结连接，调节螺钉与粘结件之间在受剪切载荷作用时处于悬臂状态，难免产生变形，在变形状态下涂层承受的载荷即不仅为剪切载荷，也会有部分拉伸载荷，另外涂层在剪切破坏过程中由于内部残余应力的存在而且无表面约束还可能会在法向产生变形，影响试验结果。中国建材检验认证集团股份有限公司的包亦望等人申请了“涂层剪切装置”(公开号为CN205844157U)通过特殊模具加持试样，并通过刀具对涂层施加剪切作用力，并能通过改变刀具的垫片的数量来控制测试涂层的厚度，此专利比较介绍了比较明确的装置使用方法，操作上整体较容易，但是由于通过改变垫片的数量来控制测试涂层的厚度，所以垫片的厚度直接制约着测试涂层的梯度变化，但专利中未介绍垫片的厚度，专利介绍通过对涂层试件试验载荷使其垫片件贴紧，这是这个载荷也会传递给涂层试件本身，对测试结果产生一定影响，另外，此装置仅能测试平面式样，不适用于圆柱形试样。国外专利公布号分别为DE60304761D1、DE60304761T2、US6766696B2、US20030172749A1的四项专利为对同一装置的描述，此装置通过相互连接的水平载荷传感器和竖直载荷传感器，可同时接受剪切载荷和拉脱载荷，装置采用特殊的刀具可对涂层进行剥离处理，在剥离过程中刀具受到的力可以传递给传感器，并将载荷分为剪切载荷和拉脱载荷，根据涂层面积进一步获得涂层的粘接强度和剪切强度。但是在涂层剥离过程中涂层难免发生变形，涂层变形会对测试结果产生附加载荷作用，影响测试结果。国外专利公布号为SU1497515A1通过两个相同涂层试样将涂层面用粘结剂粘结在一起，然后上下分别开槽，槽底部分别超过对侧试样涂层底部，在施加拉力载荷时涂层产生剪切破坏，测出涂层的剪切强度，但是受力过程中两个槽间位置难免变形，这样就会使测试结果不仅仅是剪切载荷作用，还会有涂层拉脱载荷作用。因此，现有涂层界面剪切强度测试装置存在不适合厚度较薄、尺寸较大零件表面涂层的测试，存在不能直接给出界面剪切强度、并需要复杂观察、检测装置和理论分析辅助等问题；现有涂层界面剪切强度测试方法主要有压入法、粘结对偶件法、三点/四点弯曲法，其中压入法不适合不适合厚度较薄、尺寸较大零件表面涂层的测试，粘结对偶件法不适合厚度小于0.15mm的涂层检测，三点/四点弯曲法需要特殊辅助装置以及理论分析，均不适合涂层剪切强度检测的广泛应用。部分专门测试涂层剪切强度的装置也仍存在仅能测试平面涂层等限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种涂层截面剪切强度测试装置，可以测试涂层界面剪切破坏过程中的载荷及位移数据。本专利技术的技术解决方案是，涂层剪切强度测试装置，包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机(1)、减速器(2)、丝杠(3)、导轨(4)和压头(5)组成，该伺服电机(1)、减速器(2)、导轨(4)固定在支座(14)上，伺服电机(1)与减速器(2)水平连接，减速器(2)与丝杠(3)水平连接，丝杠(3)通过两个自带支撑(15)置于导轨(4)上，压头(5)固定在丝杠(3)上；所述样品夹具组件包括上夹具外套(6)、上夹具压头(7)和下夹具(8)，上夹具压头(7)置于夹具外套(6)内，夹具外套(6)侧面开有螺纹孔(16)，上夹具压头(7)侧面开有通孔(17)，下夹具(8)上表面带有U字型台阶(18)，台阶的深度与样品涂层的厚一致，台阶上表面与夹具外套(6)贴合，上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘开有同轴孔(19)，其中上夹具外套(6)上的为光孔，下夹具(8)上的为螺纹孔，上夹具外套(6)上表面与下夹具(8)下表面分别存在两排滚道(20)，样品(31)置于上夹具压头(7)之间夹具外套(6)，样品涂层(31‑2)置于下夹具(8)的台阶内；所述试样台组件包括载物台(9)、压盖(10)、滚子(11)、压力检测台(12)和位移检测器(13)，载物台(9)固定于压力检测台(12)，压力检测台(12)固定在支座(14)上，位移检测器(13)固定于压力检测台(12)内，样品夹组件置于载物台(9)内，压盖(10)将样品夹组件压紧在载物台(9)内，载物台(9)底部的上表设置有与下夹具(8)下表面对应的两排滚道(21)，下表面存在四个螺纹孔(22)，上部两侧面中部各村在一处凹槽(23)，压盖(10)的下面设置有与上夹具外套(6)上表面对应的两排滚道(24)，滚子(11)放置在滚道内，两侧面各存在一个凸耳(25)，压盖10的上表面开有两组光孔，分别为与上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘开孔相对应的孔(26)以及与载物台下表面螺纹孔对应的孔(27)。...

【技术特征摘要】
1.一种涂层剪切强度测试装置，其特征在于：包括载荷加载组件、样品夹具组件、试样台组件和支座；所述载荷加载组件包括伺服电机(1)、减速器(2)、丝杠(3)、导轨(4)和压头(5)组成，该伺服电机(1)、减速器(2)、导轨(4)固定在支座(14)上，伺服电机(1)与减速器(2)水平连接，减速器(2)与丝杠(3)水平连接，丝杠(3)通过两个自带支撑(15)置于导轨(4)上，压头(5)固定在丝杠(3)上；所述样品夹具组件包括上夹具外套(6)、上夹具压头(7)和下夹具(8)，上夹具压头(7)置于夹具外套(6)内，夹具外套(6)侧面开有螺纹孔(16)，上夹具压头(7)侧面开有通孔(17)，下夹具(8)上表面带有U字型台阶(18)，台阶的深度与样品涂层的厚一致，台阶上表面与夹具外套(6)贴合，上夹具外套(6)和下夹具(8)两侧边缘开有同轴孔(19)，其中上夹具外套(6)上的为光孔，下夹具(8)上的为螺纹孔，上夹具外套(6)上表面与下夹具(8)下表面分别存在两排滚道(20)，样品(31)置于上夹具压头(7)之间夹具外套(6)，样品涂层(31-2)置于下夹具(8)的台阶内；所述试样台组件包括载物台(9)、压盖(10)、滚子(11)、压力检测台(12)和位移检测器(13)，载物台(9)固定于压力检测台(12)，压力检测台(12)固定在支座(14)上，位移检测器(13)固定于压力检测台(12)内，样品夹组件置于载物台(9)内，压盖(10)将样品夹组件压紧在载物台(9)内，载物台(9)底部的上表设置有与下夹具(8)下表面对应的两排滚道(21)，下表面存在四个螺纹孔(22)，上部两侧面中部各村在一处凹槽(23)，压盖(10)的下面设置有与上夹具外套(6)上表面对应的两排滚道(24)，滚子(11)放置在滚道内，两侧面各存在一个凸耳(25)，压盖10的上表面开有两组光孔，分别为与上夹具外套(6)和下夹具...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春江，孔焕平，姜涛，陈星，刘昌奎，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11