劃痕儀如何識別DLC涂層的損傷機(jī)制

涂層是提高系統(tǒng)摩擦學(xué)性能的一種廣泛應(yīng)用的表面改性方法。耐久性和對基體的附著力是重要參數(shù)，Ducom劃痕試驗機(jī) 是快速篩選和了解材料表面涂層行為的一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)。雖然聲發(fā)射（AE）和摩擦力（FF）的明顯變化表明了劃痕過程中的損傷事件，但使用顯微鏡進(jìn)行目視檢查是確定涂層失效機(jī)制的最可靠方法。在這項研究中，我們報告了劃傷損傷機(jī)制的商業(yè)類金剛石涂層使用Ducom Unitest。scratch模塊具有稱重傳感器（0.1至200N）、摩擦力傳感器、聲發(fā)射傳感器、深度掃描和在線光學(xué)成像（放大倍數(shù)高達(dá)500倍）。

圖1. 與光學(xué)成像系統(tǒng)集成的用于劃痕測試的線性運(yùn)動臺的單元測試。先進(jìn)的軟件可以自動縫合劃痕圖像并疊加在測力圖上。

使用半徑為200μm的標(biāo)準(zhǔn)羅克韋爾金剛石壓頭尖劃傷DLC涂層。劃痕試驗參數(shù)如表1所示。使用無缺陷（裂紋、切屑和凹坑）的羅克韋爾金剛石尖端可確保準(zhǔn)確的評估和重復(fù)性。使用光學(xué)顯微鏡和三維光學(xué)輪廓測量模塊的組合，確定了用于劃痕測試的良好觸針。（參考補(bǔ)充信息）

表1.鋼基體DLC涂層的劃痕條件（hrc62）

涂層失效模式

利用與涂層失效模式對應(yīng)的內(nèi)聯(lián)成像和特征摩擦力特征，我們確定了DLC涂層的多種失效機(jī)制（見圖2）

 圖2實時法向載荷、切向力和Ducom Unitest的縫合光學(xué)圖像。逐步破壞機(jī)制與摩擦系數(shù)（在觸針和涂層之間測量）的相關(guān)性也被強(qiáng)調(diào)。

表2中給出了基于目視觀察和與Ducom Unitest中摩擦力響應(yīng)相關(guān)的臨界破壞載荷。確定了三種不同的損傷機(jī)制，如下所述。

表2類金剛石涂層的臨界失效載荷和失效機(jī)理描述。

負(fù)載<Lc1

在該區(qū)域，涂層經(jīng)歷塑性變形，無明顯損傷。牽引（摩擦）系數(shù)在0.1～0.15之間，這對DLC涂層是合理的。

Lc1<荷載<Lc2（粘結(jié)破壞）

在這個區(qū)域，相對較小的橫向裂紋形成于軌道邊緣，作為孤立事件。這種劃傷方向的穿透厚度裂紋是由觸針后面的拉伸應(yīng)力引起的。裂紋產(chǎn)生的摩擦力信號變得嘈雜。

Lc2<負(fù)載<Lc3（粘合失效-1）

在這個區(qū)域，隨著負(fù)載的增加，孤立的邊緣碎片會轉(zhuǎn)變成簇。這種裂紋要么是由于開裂和隆起（屈曲），要么是由于壓縮應(yīng)力引起的完全分離（剝落）。當(dāng)觸針接觸到軌道邊緣受損的涂層時，摩擦力的斜率會發(fā)生相應(yīng)的變化。

負(fù)載>Lc3（粘合失效-2）

在這個區(qū)域，分層從邊緣延伸到軌道的中心，將涂層以補(bǔ)丁的形式分開，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的層裂。觸針在粗糙的軌道上前進(jìn)，與涂層和底層基底接觸，摩擦力急劇增加。

如表3所示，這種損傷機(jī)制（通過厚度開裂、剝落和剝落）是韌性基底上薄脆涂層的特征。

表3。不同涂層-基體組合的失效機(jī)理（改編自Bull，1997，摩擦學(xué)會）

Ducom Unitest具有在線成像和高保真摩擦力傳感器，可識別和區(qū)分先進(jìn)涂層劃傷過程中的粘結(jié)和粘附失效模式。它為下一代表面工程改造的耐久性和損傷容限的研究和科學(xué)見解提供了一個高性能平臺。

它為下一代表面工程改造的耐久性和損傷容限的研究和科學(xué)見解提供了一個高性能平臺。

圖4光學(xué)輪廓測量和顯微成像，以識別好的和壞的鉆石造型。對稱輪廓線（輪廓儀）和光滑反射面（顯微鏡）意味著一個好的觸針，將提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的結(jié)果。壞的觸針尖端有面和平臺，而不是半球形幾何。Ducom Unitest平臺提供三維非接觸輪廓測量和光學(xué)成像。