噴氣發動機結構示意圖

摩擦系數和磨損測量

當人們對磨損和摩擦系數感興趣時，摩擦學測量是不可少的。用于此類應用的儀器有銷盤式摩擦磨損試驗機TRB³，如果涉及變溫測試，還有高溫摩擦試驗機THT。TRB³可根據產品的實際應用，提供線性、旋轉和角度往復等運動方式。此外，軟件還可統計摩擦系數隨時間、位移或循環次數的變化。在摩擦學試驗結束時，可使用集成的輪廓儀表征表面輪廓，直接計算磨損率。

滾珠絲杠在航空航天工業中用于移動機翼襟翼，它們的優點是摩擦小，效率高。沉積在鋼制機翼平滾珠絲杠上的厚度為幾微米的PVD涂層應減少滾珠與絲杠套筒接觸時的摩擦。使用TRB³摩擦磨損試驗機，測量了涂兩種不同PVD涂層的滾珠絲杠的摩擦系數和磨損，研究其中任何一種涂層是否會導致鋼套筒的過早磨損。

使用銷盤式摩擦磨損試驗機TRB3，在線性往復模式下進行試驗。記錄摩擦系數，并使用顯微鏡測量靜摩擦副的磨損。比較摩擦試驗結果（圖1），發現兩種涂層的摩擦系數與不銹鋼臺面的摩擦系數沒有顯著差異。當測量樣品2上的PVD涂層時，不銹鋼靜摩擦副表現出更高的磨損。說明樣品1上的涂層比樣品2上的涂層更耐磨，盡管它們的摩擦系數幾乎相同。

超音速火焰噴涂（HVOF）是一種熱噴涂技術，通常用于沉積金屬或陶瓷-金屬涂層。葉片熱噴涂涂層WC-17Co、Cr₃C₂-NiCr和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂層具有耐磨性，并且能承受高達約800°C的溫度。我們使用高溫摩擦磨損試驗機THT，在室溫、500°C和700°C下進行摩擦試驗，測量摩擦系數和磨損率。

靜摩擦副選擇氧化鋁，因為它能承受高達1000°C的溫度，在所有測試中都使用10 N載荷。如圖2，我們得到了摩擦系數隨距離和溫度的變化，摩擦系數隨著溫度的升高而降低，意味著所有涂層都適用于高溫應用。還可以看到，(Ti,Mo)(C,N)-NiCo和WC-Co涂層即使在700°C下也具有非常穩定的摩擦系數。這表明磨損是均勻的，磨損軌跡相當平滑。

雖然摩擦學測量，得到了摩擦系數，但需要SEM圖像幫助確定磨損機制。HVOF噴涂金屬陶瓷的磨損機制通常是較軟的金屬基體逐漸去除，露出碳化物顆粒，通過靜摩擦副的橫向滑動被去除。釋放的顆粒作為磨損介質，并促進磨損。圖3顯示了在700°C下測試的樣品上的磨損軌跡，它們證實了WC-Co和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂層尤其具有相對平滑的磨損軌跡，證實了這兩種涂層比Cr₃C₂-NiCr涂層具有更穩定的摩擦系數和耐磨性，尤其是在較高的溫度下。

圖3 ：700°C下磨損痕跡的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

涂層附著力表征

在比較附著力方面，劃痕技術是好的解決方案。根據涂層類型和厚度，可選擇從RST3到NST3不同載荷范圍的劃痕測試儀。劃痕儀軟件進行單條和自動多條劃痕測試，劃痕過程中采集聲發射、摩擦系數等多種信號，更容易定義臨界載荷。測試完成后對整條劃痕進行全景照片拍攝，抓取整個劃痕的整體圖像，并將其與其他所需數據同步（圖4）。

開發用于航空航天應用的涂料時，通常需要尋找能使涂層具有最佳附著力的基材。這是涂層附著力問題的典型示例。如圖5，使用納米劃痕測試儀NST3 對兩種基底上的氧化鋁涂層進行的漸進劃痕測試。劃痕全景圖（圖6）顯示涂層剝落，由此確定其臨界載荷。結果顯示樣品B (玻璃基底) 的臨界載荷較高。

在厚度通常在幾百微米尺度的熱噴涂涂層上，很難仔細觀察整個劃痕深度來確定臨界載荷，通常不會直接劃傷涂層的上表面。而采用另一種方法，即用恒定載荷在橫截面上劃痕。使用大載荷劃痕儀RST3，用不同的恒定載荷進行劃痕，觀察壓頭劃出的圓錐體（圖7）。

除了評估圓錐的尺寸，還觀察了是否存在界面裂紋。如圖7，壓頭在基底上劃傷的痕跡較寬，表示涂層比基底具有更好的抗劃傷性。如果圓錐在基材-涂層界面上起始，則表明涂層的附著力失效，如果圓錐在涂層中起始，如圖7所示，則表明涂層的內聚力失效。圖8中，在16 N劃痕下的氧化鋁涂層（Al₂O₃）中有一個圓錐形失效，這個圓錐非常小，涂層-基體界面沒有裂紋，涂層上也只有很少的細微損傷。當施加38 N的荷載時，我們能看到更大的圓錐，包含多個裂紋。還觀察到涂層-基體界面出現大裂紋，這表明在這種載荷下，開始看到界面損傷，或者說附著力失效。

繪制了兩種類型涂層的圓錐投影面積變化曲線（如圖9），一個是通過等離子噴涂或HVOF噴涂氧化鋁和氧化鉻陶瓷涂層，另一個是金屬陶瓷/金屬涂層。發現金屬陶瓷/金屬涂層的圓錐投影面積較小，這表明金屬陶瓷/金屬涂層比陶瓷涂層具有更好的內聚力。通過比較第一個界面裂紋出現的載荷和相同載荷下界面裂紋的長度，也可以定性評估附著力。

硬度和彈性模量測量

對于涂層或體積較小的樣品，納米壓痕儀（NHT³）是測量其硬度和彈性模量的最佳方法。高溫是航空航天行業的熱門話題，更具體地說，是噴氣發動機開發中的熱門話題，因此了解高溫下的力學性能非常重要。使用高溫納米壓痕系統UNHT HTV，其溫度可高達800°C。

鋁和鈦合金因其重量輕、足夠的力學強度和良好的耐高溫性而常用于噴氣發動機和機身。而新型鈦合金經過不同熱處理過程，可能產生力學性能的變化，而宏觀力學性能取決于微觀結構性能。壓痕法是檢查較大區域的硬度或彈性模量是否均勻，并解釋疲勞裂紋萌生機制最佳解決方案。使用納米壓痕測試儀，在約480 μm²的較大范圍內，壓了25×25個點、間距為20 μm的625個壓痕（圖10）。接著通過壓痕軟件進一步處理數據，生成硬度和彈性模量的2D圖和高斯擬合統計分析（圖11）。結果可以與EBSD（電子背散射衍射）的晶粒取向分析結果結合起來，研究晶粒取向對力學性能的影響。這有助于理解為什么某些晶體取向對裂紋形成更敏感。

耐高溫鋼通常需要保持高強度到600°C以上，了解高溫下的力學性能，對于性能、安全操作和焊接策略至關重要。改溫測試通常在室溫下開始，并上升至最高溫度，比如600°C。在每個溫度下，都可以進行測量，得到彈性模量、硬度、壓痕功，在某些情況下還可以得到應力-應變曲線和屈服強度等結果。高于400°C的溫度下，需要使用碳化鎢制成的球形壓頭進行壓痕，以避免壓頭在鋼中擴散。如圖12，可以看到材料的硬度隨著溫度的升高而降低，在400至600°C之間觀察到顯著的下降。圖13為不同溫度下，以不同應變速率測量得到的應力-應變曲線和屈服強度。在室溫和550°C下通過經典拉伸試驗測得的屈服強度分別為520 MPa和388 MPa。壓痕法測屈服應力的結果通常與傳統方法（如單軸拉伸或壓縮試驗）獲得的結果不一致，但變化趨勢一致。