熱噴涂涂層質量控制：核心測試方法與評估詳解

熱噴涂技術憑借其靈活性，在裝備修復、功能涂層制造等領域應用廣泛。涂層質量直接決定其服役性能與壽命，科學系統的測試評估不可或缺。以下為熱噴涂涂層的主要測試項目及關鍵要點：

一、 涂層制備基礎：基體處理與噴涂過程監控

• 基體預處理驗證：
  • 清潔度檢測： 目視檢查、溶劑擦拭法（白布無可見污漬）、接觸角測試（評估表面能）確保基體無油污。
  • 粗化質量評估： 噴砂后表面粗糙度測量（輪廓儀或粗糙度儀，常用Ra、Rz值），宏觀與微觀形貌觀察（確認均勻性及錨固效果）。
  • 遮蔽保護檢查： 目視確保非噴涂區域有效遮蔽，無過度覆蓋或遺漏。
• 噴涂過程參數記錄與監控：
  • 關鍵參數記錄： 精確記錄并實時監控電弧/火焰功率、氣體壓力與流量、送粉速率、噴涂距離、噴槍移動速度、基體溫度（紅外測溫）等，確保工藝穩定性和可追溯性。
  • 環境控制： 監測噴涂環境溫濕度，必要時進行控制（如除濕）。

二、 涂層基本物理與力學性能測試

• 結合強度測試（涂層-基體界面強度）：
  • 粘結拉伸法 (ASTM C633)： 最常用方法。將涂層噴涂在特定端面的試樣上，使用高強度膠粘劑與對偶件粘接，在萬能試驗機上進行拉伸直至破壞。測試結果需注明破壞模式（界面破壞、膠層破壞、涂層內聚破壞或混合破壞）。嚴格制樣與選擇高強膠粘劑是關鍵。
• 涂層自身結合強度/內聚強度：
  • 評估挑戰： 直接測量困難。
  • 間接評估： 主要通過彎曲試驗、杯突試驗觀察涂層開裂、剝落情況定性評估；或通過結合強度測試中涂層內聚破壞模式的出現來間接反映。
• 涂層硬度：
  • 顯微硬度測試： 主流方法（常用維氏HV或努氏HK標尺）。在涂層橫截面上選擇多個點，用小載荷（通常0.3 kgf - 1 kgf）測試，計算平均值及標準差反映涂層整體硬度及均勻性。需注意避免基體或孔隙影響壓痕讀數。
• 涂層厚度測量：
  • 破壞性測量：
    • 橫截面金相法： 最準確可靠。制備涂層橫截面金相樣本，在光學或電子顯微鏡下直接測量多點厚度，計算平均值及范圍。
  • 非破壞性測量：
    • 磁性測厚法 (ASTM B499)： 適用于非磁性涂層（如陶瓷、塑料）噴涂在磁性基體（鋼）上。需校準。
    • 渦流測厚法 (ASTM B244)： 適用于非導電基體（如塑料、陶瓷）上的導電涂層（如金屬），或導電基體上的非導電涂層。需校準。
    • 超聲波測厚法： 需要專門探頭，對涂層表面粗糙度及內部結構敏感，應用相對較少。結果需謹慎解讀。

三、 涂層結構缺陷與致密性分析

• 孔隙率與氧化物含量分析：
  • 金相圖像分析法： 核心方法。制備高質量的涂層橫截面拋光樣本（避免拖尾、孔隙擴大），利用帶圖像分析軟件的光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡，對特定區域的孔隙和氧化物進行閾值分割、統計計算面積百分比。需保證樣本代表性和足夠大的視場/多點測量。
  • 水浸透法 (ASTM B328)： 適用于具有一定連通孔隙的涂層（如部分金屬涂層）。通過測量涂層飽和吸水前后的重量差計算開孔孔隙率。對閉孔和致密涂層不適用。
• 裂紋評估：
  • 顯微觀察法： 在金相樣本或涂層表面（尤其經過彎曲、熱震等試驗后），利用顯微鏡觀察裂紋的數量、長度、分布及走向（界面裂紋、垂直裂紋、網狀裂紋等）。

四、 涂層特殊性能評估

• 耐磨性測試：
  • 常用方法： 銷盤式磨損、橡膠輪磨粒磨損、沖蝕磨損等。選擇與預期服役條件相近的試驗方法和參數（載荷、速度、磨料、介質），測量涂層在特定行程后的體積損失或重量損失。
• 耐腐蝕性能測試：
  • 鹽霧試驗： 評估涂層在含鹽霧大氣環境下的耐蝕性（如ASTM B117）。定期觀察涂層表面腐蝕產物、起泡、剝落等情況，記錄出現腐蝕的時間或等級。
  • 電化學測試： 如動電位極化、電化學阻抗譜，在實驗室電解液中定量評估涂層的腐蝕電流密度、極化電阻等參數，揭示腐蝕機理。
  • 浸泡試驗： 將涂層試樣浸泡在特定化學介質中，定期觀察形貌變化并測量重量變化或溶液成分變化。
• 熱性能與熱震性能測試：
  • 熱障性能： 測量涂層的熱導率（如激光閃射法）。
  • 抗熱震性： 將涂層試樣在高溫爐中加熱至設定溫度保溫，然后快速放入室溫水或空氣中淬冷。循環多次后，檢查涂層開裂、剝落情況，直至失效。記錄失效循環次數。
• 電學性能測試： 針對導電或絕緣涂層，測量其體積電阻率、表面電阻率或介電常數等。

五、 涂層服役性能模擬試驗

根據涂層的具體應用場景（如軸承、密封、葉片等），設計并執行模擬實際工況的臺架試驗或加速試驗，綜合考察涂層的摩擦磨損、疲勞、高溫氧化或腐蝕等行為，為實際應用提供最終驗證。

關鍵要點總結：

1. 標準遵循： 優先采用國際（ISO）、國家（GB）或行業（ASTM）標準測試方法，確保結果可比性和權威性。
2. 樣品代表性： 測試樣品必須能代表實際噴涂工藝和工件狀態。必要時需制備專用試樣。
3. 結果分析與解讀： 結合具體工藝參數、涂層材料、預期應用環境等因素，綜合分析各項測試結果，做出客觀評價。單一測試指標往往不足以全面評估涂層質量。
4. 質量控制體系： 將關鍵測試項目納入生產過程的質量控制體系，實施抽檢或在線監控，確保涂層質量的穩定性和一致性。

科學嚴謹的熱噴涂涂層測試是連接工藝開發與實際應用的橋梁，為優化工藝參數、保障涂層可靠服役提供堅實的數據支撐。持續的測試數據積累與分析，是推動熱噴涂技術進步與應用拓展的關鍵驅動力。