本文首先介紹了表面涂層的功能及其制備方法，著重對(duì)涂層各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論。其次介紹了涂層的主要失效形式，主要分為強(qiáng)度失效，磨損失效和腐蝕失效。最后介紹了涂層性能的評(píng)價(jià)方法，從涂層的微觀結(jié)構(gòu)，與基體的結(jié)合強(qiáng)度，硬度，耐腐蝕，抗高溫，殘余應(yīng)力等性能指標(biāo)提出了涂層性能的評(píng)價(jià)方法。

1、涂層的功能及其制備方法

　　1.1、涂層的功能

　　工程材料的表面層是力學(xué)行為的敏感區(qū)，表面層的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性對(duì)零件的服役壽命(特別是疲勞壽命)有嚴(yán)重影響。造成材料表面狀態(tài)的不穩(wěn)定因素主要有三個(gè)方面：1、零件服役過(guò)程中，在其表面層中形成的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受約束阻力小，因而表面層易產(chǎn)生位錯(cuò)的滑移，導(dǎo)致缺陷首先在表面生成；2、零件的表面對(duì)分子的吸附性強(qiáng)，可成為與空氣、腐蝕介質(zhì)交互作用的前沿陣地，因此零件的表面層往往首先受到腐蝕及氧化，大大降低零件使用壽命；3、由于零部件的表面服役環(huán)境相對(duì)惡劣，極易形成缺口及裂紋。對(duì)于承受動(dòng)載的構(gòu)件不僅要嚴(yán)格控制其表面加工質(zhì)量，粗糙度，還要控制表面應(yīng)力狀態(tài)，為此發(fā)展了許多表面強(qiáng)化的方法。

　　涂層是粘附于基體上而與基體在組分或結(jié)構(gòu)等方面存在著差異的薄層物質(zhì)，它具有許多比基體更加優(yōu)越的特性。利用表面涂層可隔絕構(gòu)件的極端服役環(huán)境(防熱、防輻射、耐磨、防腐蝕、防沖刷、防撞擊)保持關(guān)鍵構(gòu)件極限服役性能，從而提高構(gòu)件的使用壽命和可靠性。由于零件和涂層可以單獨(dú)的設(shè)計(jì)，所以對(duì)于施加防護(hù)涂層的零部件，既可以保持零件本身所具有的足夠的強(qiáng)度性能，又可以擁有表面涂層的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高的斷裂韌性、高的熱膨脹系數(shù)、良好的耐高溫腐蝕性、耐磨性以及較低的熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能。

　　1.2、涂層的制備方法

　　依賴于所制備涂層種類的不同，常用涂層技術(shù)也有多種選擇，這些技術(shù)在工藝成本、效率、涂層微觀結(jié)構(gòu)及涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度等方面都存在差別，因此涂層的制備方法不盡相同。依賴于涂層的制備工藝劃分，主要包括熱噴涂、熱擴(kuò)散滲、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、刷涂和浸涂、電鍍、化學(xué)鍍等。下面對(duì)部分主要的涂層制備方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

　　熱噴涂技術(shù)是一種傳統(tǒng)的涂層制備手段，成本低、效率高，適于工業(yè)化生產(chǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速。熱噴涂方法是利用某種熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰流本身或其他氣體噴射到基體表面，沉積而成具有某種功能的表面涂層。熱噴涂涂層形成過(guò)程大致經(jīng)過(guò)加熱—加速—熔化—再加速—撞擊基體—冷卻凝固—形成涂層這—過(guò)程。根據(jù)熱源的不同，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為熱噴涂分為電弧噴涂技術(shù)、火焰噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)、爆炸噴涂技術(shù)等四類并具有以下特點(diǎn)：

　　(1)制備方法多樣

　　熱噴涂方法主要分為電弧噴涂、火焰噴涂、等離子噴涂和爆炸噴涂四大類，又各具特點(diǎn)，可根據(jù)不同要求選擇不同的制備方法。

　　(2)涂層材料種類廣泛

　　各種金屬、合金、陶瓷、塑料及其復(fù)合體，只要在熱噴涂的高溫?zé)嵩粗胁划a(chǎn)生嚴(yán)重分解、汽化以及蒸發(fā)，并可達(dá)到熔化或半熔化狀態(tài)(對(duì)于冷噴涂還可以是完全固態(tài))，均可采用熱噴涂形成涂層，因此，噴涂材料范圍廣泛，品種多樣。

　　(3)工件材料限制較少

　　除噴焊只能用于金屬基體外，其他工藝方法幾乎適用于各種材料表面制備涂層，包括金屬陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)材料以及塑料、木材、布、紙等有機(jī)材料。

　　(4)對(duì)基體材料性能影響小

　　除了火焰噴焊外，在噴涂施工中工件溫度可低至室溫至200 ℃，對(duì)母材的熱影響小、工件變形小。

　　(5)工件的尺寸大小和形狀受限制小

　　可以在整體表面上進(jìn)行噴涂，也可以在大型構(gòu)件的限定表面上噴涂。對(duì)大型構(gòu)件的局部表面進(jìn)行噴涂，是既經(jīng)濟(jì)又靈活的方法。

　　熱噴涂技術(shù)由于具有上述多方面的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的重視。目前，熱噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、國(guó)防、機(jī)械、冶金、石油、化工、車(chē)輛、和電力等部門(mén)，在要求耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫、隔熱以及需要表面導(dǎo)電、絕緣、減摩潤(rùn)滑、防輻射等場(chǎng)合發(fā)揮著重要的作用，此外還逐漸應(yīng)用于生物、光催化、燃料電池和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。熱擴(kuò)散滲是通過(guò)與基體接觸并與其內(nèi)確定元素反應(yīng)從而改變了基體外層形成的涂層的技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣的一種涂層制備技術(shù)。利用此方法制備的涂層與基體合金冶金結(jié)合，因而涂層的附著力好。最常見(jiàn)的熱擴(kuò)散滲是基于鎳、鈷、鐵基合金經(jīng)熱擴(kuò)散滲在其表面形成金屬間化合物，其中的擴(kuò)散元素多為鋁、鉻、硅等。以滲鋁層為例來(lái)說(shuō)明熱擴(kuò)散滲制備涂層的原理，在鎳、鈷、鐵基合金擴(kuò)散滲鋁過(guò)程中，表面形成金屬間鋁化物，如β-NiAl、β-CoAl、FeAl 等，由于這些金屬間化合物氧化時(shí)形成Al2O3，基體合金因?yàn)橛辛诉@層擴(kuò)散涂層，從而有了好的抗氧化性能。制備鋁化物涂層的熱擴(kuò)散滲鋁工藝成熟，方法多樣，主要的滲鋁方法有固體粉末滲鋁，料漿滲鋁，氣體滲鋁，CVD 滲鋁等。

　　CVD 也稱化學(xué)氣相沉積，其原理是利用氣相物質(zhì)的熱分解、熱合成或化學(xué)傳輸?shù)冗^(guò)程，在固體表面上生成固態(tài)沉積層的過(guò)程。PVD 也稱物理氣相沉積，其原理是用物理方法將原物質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)，再直接或與其他氣態(tài)物質(zhì)反應(yīng)后在基材表面形成涂層(或薄膜)的可控過(guò)程，通常在真空中進(jìn)行。按工藝流程劃分，膜層的生成必須經(jīng)過(guò)固體→氣體→固體三個(gè)階段。采用化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)這兩種技術(shù)都屬于物料接近原子量級(jí)或分子量級(jí)分散的表面沉積技術(shù)，能很方便地制取各種難熔化合物薄膜，通過(guò)改變工藝參數(shù)能人為地控制膜層的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)速率，可以制取單層膜、多層膜和復(fù)合膜等，從而能滿足各種使用要求；可以對(duì)外型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)各異的工件進(jìn)行處理；鍍層的附著情況很好；由于是在真空系統(tǒng)中進(jìn)行涂覆，工藝過(guò)程干凈、清潔，對(duì)鍍層的污染少。由此可見(jiàn)，采用PVD、CVD 顯然比其它技術(shù)要優(yōu)越得多，不僅鍍層的質(zhì)量較高，而且易于大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)。當(dāng)然，這兩種技術(shù)還正在發(fā)展中，仍有需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善之處。

　　刷涂和浸涂因其工藝簡(jiǎn)便，操作靈活，對(duì)操作人員要求低，成本較低，所以在我國(guó)仍是最普遍的涂層制備方法。對(duì)于電鍍和化學(xué)鍍由于污染環(huán)境的原因國(guó)家已經(jīng)加與限制。

2、涂層的主要失效形式

　　表面涂層失效大致可歸結(jié)為強(qiáng)度失效、磨損失效和腐蝕失效三個(gè)方面。

　　2.1、強(qiáng)度失效

　　強(qiáng)度失效取決于涂層的物理機(jī)械性能。物理機(jī)械性能主要是指表面殘余應(yīng)力、加工硬化層等。當(dāng)涂層存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，提高零件的疲勞強(qiáng)度；當(dāng)涂層存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，零件則容易引起晶間破壞，產(chǎn)生表面裂紋而降低其疲勞強(qiáng)度。由于殘余應(yīng)力引起的失效形式有以下幾種。

　　(1)分層

　　在拉應(yīng)力與壓應(yīng)力作用下，涂層與基體之間有裂紋萌生、發(fā)展直至達(dá)到裂紋“飽和”最后失效剝離的過(guò)程。當(dāng)涂層處于壓應(yīng)力狀態(tài)下分層失效又有兩種形式：邊緣分層和翹曲分層如圖1a 和c所示。

　　(2)開(kāi)裂

　　殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂是涂層最普遍失效形式之一，這種開(kāi)裂通常以表面附近的缺陷為源，一旦超過(guò)了它的臨界條件，裂紋將垂直涂層擴(kuò)展，直到涂層與基體的界面處。如果界面處的切應(yīng)力較大，基體材料的延展性較差而涂層與基體的結(jié)合又很強(qiáng)時(shí)，有可能向基體內(nèi)部擴(kuò)展造成基

　　體破壞。如果涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高或基體塑性較好，這些裂紋也可能將會(huì)得到釋放，即不會(huì)對(duì)涂層產(chǎn)生破壞。這說(shuō)明，涂層的失效行為與眾多因素相關(guān)，這些因素主要包括涂層內(nèi)部的應(yīng)力水平、涂層結(jié)合強(qiáng)度和基體塑性等。如圖1b 所示。

　　(3)翹曲

　　在壓應(yīng)力狀態(tài)下，涂層與基體在界面處整體保持結(jié)合，但在界面的某些區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了分離，涂層在壓應(yīng)力作用下界面分離處發(fā)生翹曲。隨著界面處裂紋的擴(kuò)展，翹曲容易擴(kuò)展成為脹裂。如圖1d 所示。

圖1 殘余應(yīng)力導(dǎo)致涂層失效典型形式

　　表面層的加工硬化對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度有一定影響。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴(kuò)展和新裂紋的產(chǎn)生，提高零件的疲勞強(qiáng)度。但加工硬化過(guò)于嚴(yán)重會(huì)使零件表面組織變脆，容易出現(xiàn)裂紋，從而使疲勞強(qiáng)度降低。

　　2.2、磨損失效

　　磨損主要取決于涂層硬度和涂層的微觀幾何形狀即表面粗糙度。表面粗糙度會(huì)影響承受交變載荷的零件的疲勞強(qiáng)度。磨損失效分為磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損、微動(dòng)磨損和腐蝕磨損。

　　磨料磨損：物體表面與硬質(zhì)顆�；蛴操|(zhì)凸出物(包括硬金屬)相互摩擦引起表面材料損失現(xiàn)象。

　　表面疲勞磨損：兩接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失。粘著磨損：摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粘焊的結(jié)果，造成接觸面金屬損耗。

　　微動(dòng)磨損：兩接觸面間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但在外界變動(dòng)負(fù)荷影響下，有較小振幅的相對(duì)振動(dòng)，接觸面間會(huì)產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，從而造成的磨損稱為微動(dòng)磨損。

　　腐蝕磨損：接觸表面在摩擦的過(guò)程中，表面金屬與周?chē)�介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，從而出現(xiàn)的物質(zhì)損失。

　　2.3、腐蝕失效

　　涂層的氧化機(jī)理與金屬的完全類似。除氣體、溫度等環(huán)境因素外，其氧化機(jī)理主要由涂層的成分、顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小等決定。按腐蝕機(jī)理可分為：電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕和化學(xué)腐蝕。材料的所處的環(huán)境分為工業(yè)環(huán)境和自然環(huán)境，這兩類環(huán)境中材料的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕，所以電化學(xué)腐蝕是涂層腐蝕最普遍性的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是涂層表面與導(dǎo)電的介質(zhì)(電解質(zhì))發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的涂層破壞形式。任何以電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)至少包含：一個(gè)陰極反應(yīng)和一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)，以流過(guò)金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中的離子流形成回路。陽(yáng)極反應(yīng)是氧化過(guò)程，陰極反應(yīng)是還原過(guò)程。其特點(diǎn)是：腐蝕歷程可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立、同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程。金屬的電化學(xué)腐蝕原理在本質(zhì)上與熟知的銅- 鋅原電池是一樣的。這種引起金屬腐蝕的短路原電池，叫做腐蝕原電池。電化學(xué)腐蝕是最普遍、最常見(jiàn)的腐蝕。金屬在海水、大氣和各種電解質(zhì)溶液中的腐蝕都屬于此類。

3、涂層性能的評(píng)價(jià)方法

　　涂層性能受許多因素的影響。一般地說(shuō)，評(píng)價(jià)一種涂層性能要綜合考慮涂層的結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能、抗氧化和抗腐蝕性能等。

　　3.1、涂層的結(jié)構(gòu)特征

　　涂層的許多性能都與涂層的結(jié)構(gòu)特征相關(guān)。不管用何種制備方法制備的涂層都是各向異性的，如熱噴涂涂層呈片層狀(splat)，PVD 涂層呈柱狀(column)。如何準(zhǔn)確描述及測(cè)量涂層的顯微結(jié)構(gòu)特征，如片層或柱狀晶的尺寸及大小分布，以及涂層的宏觀特征如厚度都是非常必要的。通常采用光學(xué)金相法，但通過(guò)光學(xué)金相法觀測(cè)的結(jié)果與所采用的樣品制備技術(shù)及實(shí)驗(yàn)者的樣品制備技能和分析能力有很大關(guān)系。建立普遍認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)制備技術(shù)，盡可能減少觀察顯微結(jié)構(gòu)的變化性，將有利于準(zhǔn)確描述涂層的結(jié)構(gòu)特征。采用掃描電鏡可更細(xì)致地觀察涂層的結(jié)構(gòu)特征。

　　3.2、涂層的力學(xué)性能

　　涂層的力學(xué)性能對(duì)涂層的性能、使用壽命有極重要的影響。涂層的力學(xué)性能與服役溫度、時(shí)間的關(guān)系已成為眾多研究中的主題，但對(duì)涂層力學(xué)性能的測(cè)量與評(píng)價(jià)還遠(yuǎn)未廣泛標(biāo)準(zhǔn)化[9]。評(píng)定涂層的力學(xué)性能應(yīng)分別測(cè)試以下幾種性能指標(biāo)：

　　(1)結(jié)合強(qiáng)度

　　涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度是決定涂層能否應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)。涂層的結(jié)合強(qiáng)度與膜層和基體之間結(jié)合力的大小有關(guān)，還與涂層的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，定量測(cè)量結(jié)合強(qiáng)度的主要方法有膠粘拉伸法、劃痕法、壓入法、彎曲法等。

　　(2)硬度

　　硬度是涂層很重要的性能指標(biāo)。本質(zhì)上，硬度首先取決于材料中鍵的類型與特性。硬度高的材料，一般具有高的內(nèi)聚能，較短的離子鍵和較高的共價(jià)鍵。材料的硬度將隨著材料中所含離子鍵、共價(jià)鍵比例的不同而變化。金剛石是純共價(jià)鍵，硬度最高；立方氮化硼主要是共價(jià)鍵，并含有少量的金屬鍵，其硬度次之。

　　(3)內(nèi)應(yīng)力

　　涂層應(yīng)力狀態(tài)的研究十分重要，因?yàn)樗�影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度。涂層的內(nèi)應(yīng)力的存在，表明在涂層及與其相接的基體內(nèi)儲(chǔ)存著大量的彈性能。

　　氣相沉積的涂層不是處于拉應(yīng)力狀態(tài)就是處于壓應(yīng)力狀態(tài)，蒸發(fā)沉積的涂層通常處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而濺射沉積的涂層通常處于壓應(yīng)力狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，涂層的內(nèi)應(yīng)力可分為內(nèi)稟應(yīng)力和熱應(yīng)力兩部分：內(nèi)稟應(yīng)力來(lái)源于生長(zhǎng)過(guò)程中的內(nèi)部缺陷或膜與基體之間結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)配；而熱應(yīng)力來(lái)源于膜與基體間熱膨脹系數(shù)的差異。測(cè)量涂層內(nèi)應(yīng)力的方法通常是X 射線衍射方法等。

　　(4)強(qiáng)度和韌性

　　鍍層材料必須具有良好的強(qiáng)度和韌性。在AlCrN 涂層的制備和氧化性能研究中，鍍層材料中出現(xiàn)的裂紋可能會(huì)在基體中擴(kuò)展，從而引起基體材料形成裂紋，導(dǎo)致工件的完全破壞。這種情況在高速鋼材料鍍制硬質(zhì)涂層時(shí)，時(shí)有發(fā)生。但是僅有好的強(qiáng)度而缺乏韌性也不能成為好的耐磨涂層。

　　3.3、抗氧化和抗熱腐蝕性能

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)涂層抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能方面的研究都很活躍。實(shí)驗(yàn)室一般采用靜態(tài)爐或具有自動(dòng)控制循環(huán)裝置的高溫爐， 也有高溫環(huán)境相聯(lián)系的高低速燃燒器暴露試驗(yàn)，諸如改變暴露時(shí)間、溫度、循環(huán)速率或腐蝕程度，并在這方面已積累大量的研究結(jié)果。這些評(píng)價(jià)與應(yīng)用聯(lián)系緊密，并且試樣的幾何形狀和測(cè)試條件隨加工者和實(shí)驗(yàn)者而改變。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為對(duì)涂層抗氧化和抗熱腐蝕性能建立標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試系統(tǒng)尚需多方努力。

4、總結(jié)

　　利用涂層抗疲勞制造技術(shù)對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行改性，提高構(gòu)件壽命，構(gòu)筑抗疲勞表面變質(zhì)層，從而可提高零件的極端服役性能。由于涂層種類的不同，涂層的制備方法不盡相同。可根據(jù)需要采用不同的制備方法制備不同的涂層。隨著關(guān)于表面涂層失效形式的不斷研究，已對(duì)其破壞機(jī)理有了充分的認(rèn)識(shí)，建立了相關(guān)的破壞準(zhǔn)則并明確了相關(guān)壽命破壞標(biāo)準(zhǔn)，為準(zhǔn)確表征和評(píng)價(jià)涂層的各種性能提供了準(zhǔn)則。但由于涂層體系本身的復(fù)雜性及其具體使用環(huán)境的多變性，使得涂層性能評(píng)價(jià)方面的研究變得非常復(fù)雜和困難，缺乏快速有效的分析測(cè)量技術(shù)是一個(gè)十分突出的原因。另一方面，涂層性能的評(píng)價(jià)需要對(duì)體系不同方面的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此在實(shí)際應(yīng)用中常采取多種技術(shù)并舉的策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層體系全面快速有效地評(píng)價(jià)。

　　隨著表面涂層技術(shù)研究的不段深入，表面涂層的制備方法也在不斷得到創(chuàng)新，涂層的評(píng)價(jià)體系不斷完善，表面涂層技術(shù)將會(huì)有更快、更全面的發(fā)展。涂層抗疲勞制造技術(shù)將成為航空航天、機(jī)械、船舶、電力、石油、化工等多個(gè)領(lǐng)域必不可少的抗疲勞制造技術(shù)。