СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С ПОДЛОЖКОЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу измерения сцепления покрытия с подложкой, в частности металлического покрытия, нанесенного на металлическую подложку.

Сцепление покрытия с подложкой может быть определено с использованием образцов для испытаний (испытываемых образцов), выполненных в виде дисков из того же материала, из которого сделана подложка, и имеющих покрытие на одной из своих сторон. Эти диски прикрепляют с помощью связующего на контрольных образцах, закрепленных в зажимах установки по испытанию прочности на разрыв. Измерение сцепления покрытия затем сопровождают механическим измерением усилия, необходимого для отрыва покрытия от подложки.

Однако наблюдаются значительные расхождения в значениях предела прочности на разрыв, измеряемого на одинаковых испытываемых образцах, и это говорит о том, что используемый способ испытания вносит погрешности, которые являются достаточно значительными для того, чтобы поставить под вопрос достоверность этих испытаний. Существует вероятность того, что за неравномерность передачи растягивающего усилия через испытываемую сборку место соединения с помощью связующего, однако этот недостаток невозможно устранить даже при самом тщательном выполнении прикрепления с помощью связующего.

Более того, поскольку некоторые покрытия типа карбида вольфрама обеспечивают более прочное сцепление, чем сцепление используемого связующего, то эти испытания измеряют фактически предел прочности связующего, а не покрытия.

Уровень техники

Патент на имя заявителя настоящего изобретения № ЕР 1130391 описывает способ измерения сцепления покрытия с подложкой при помощи ультразвуковых волн, в котором используется преобразователь, отдельный от измеряемого образца и погруженный вместе с образом в емкость, заполненную водой.

Этот известный способ может быть применен только к образцам для испытаний, поскольку обычно нет возможности погружать в заполненную водой емкость реальную крупную деталь. Его также невозможно применять к пористым покрытиям, абсорбирующим воду из емкости за счет капиллярного эффекта, что делает измерения неэффективными.

Помимо этого, в данном известном способе является существенным, чтобы преобразователь был ориентирован под прямым углом к измеряемому образцу для испытаний, поскольку любое отклонение от этой ортогональной ориентации вызывает рассеяние волны в воде и искажает измерения.

Раскрытие изобретения

Одна из задач настоящего изобретения заключается в решении этих проблем с помощью способа, который может быть использован, в частности, для получения in situ (т.е. на месте) оценки сцепления покрытия подложки или любой детали с использованием ультразвуковых волн.

Эта задача решается при помощи способа измерения сцепления покрытия с подложкой, заключающегося в том, что посылают ультразвуковые волны посредством преобразователя к подложке и покрытию, собирают (воспринимают) ряд эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвуковых волн на поверхностях подложки и покрытия, и вычисляют отношение амплитуд двух последовательных эхо-сигналов, причем упомянутое измерение выполняют в воздухе, а способ также заключается в том, что преобразователь прикладывают к подложке посредством тонкой пленки геля, вычисляют добротность покрытия (показатель качества покрытия), выраженную отношением между амплитудами эхо-сигналов, связанных с первыми двумя отражениями на границе раздела подложка/покрытие после прохождения через подложку или на границе раздела покрытие/воздух после прохождения через подложку и покрытие, и определяют сцепление покрытия исходя из функции корреляции между добротностью и механическим напряжением разрушения покрытия, полученным заранее путем механических испытаний на калибровочных испытательных образцах.

Заявляемый в настоящем изобретении способ может быть применен ко всем типам деталей и покрытий. В частности, он может быть использован для выполнения измерений in situ на любых имеющих покрытие деталях и на пористых покрытиях.

Если акустический импеданс подложки является высоким по сравнению с акустическим импедансом покрытия, то ультразвуковая волна отражается границей раздела подложка-покрытие. Если акустические импедансы подложки и покрытия являются схожими, то ультразвуковая волна проходит через эту границу раздела и покрытие и отражается границей раздела покрытие-воздух.

Заявляемый в настоящем изобретении способ может быть использован для повторения измерений in situ через регулярные или нерегулярные промежутки времени с тем, чтобы контролировать (отслеживать) тенденцию изменения (т.е. тренд) качества сцепления покрытия с деталью во времени.

Еще одно преимущество заявляемого в настоящем изобретении способа заключается в определении качества места соединения (связи) подложки-покрытия и качества структуры покрытия.

В общем, основное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно обеспечивает возможность быстрых измерений in situ имеющих покрытие деталей, без разборки и без погружения этих деталей.

Краткое описание чертежей

Прочие преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными при изучении описания, приводимого ниже в качестве не ограничивающего сущность примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой схематический вид устройства, используемого для осуществления заявляемого в настоящем изобретении способа;

Фиг.2 представляет собой схематические виды устройства, используемого согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения;

Фиг.3 и 4 представляют собой схематические виды, иллюстрирующие два режима отражения ультразвука;

Фиг.5 показывает кривую эхо-сигнала, полученную при помощи упомянутого способа;

Фиг.6 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий механическое испытание предела прочности на разрыв;

Фиг.7 показывает кривую корреляции между механическим напряжением разрушения и добротностью.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

На Фиг.1 ссылочная позиция 1 обозначает подложку, выполненную из любого материала, а ссылочная позиция 2 обозначает покрытие, нанесенное на эту подложку. Обычно подложка и покрытие являются металлическими.

Покрытие 2 было получено таким способом, как плазменное напыление, для которого измерения сцепления имеют большую важность по причине структурной неравномерности покрытия 2 и, как следствие, по причине его хрупкости (непрочности). Покрытие 2 является намного более тонким, чем подложка 1.

Преобразователь 3, генерирующий продольную ультразвуковую волну, прилагают к подложке на той ее стороне, которая противоположна покрытию 2. Преобразователь 3 связан со средством 4 управления, таким как микрокомпьютер, с осциллографом 5 и с генератором 6 импульсов.

Для улучшения контакта между преобразователем и поверхностью, к которой его прилагают, между ними располагают тонкую пленку 7 геля с толщиной приблизительно 10 мкм.

Преобразователь 3 посылает продольную ультразвуковую волну и также действует в качестве приемника. Осциллограф 5 регистрирует и отображает эхо-сигналы, собранные (воспринятые) преобразователем 3, и используется для их анализа согласно приводимому ниже описанию.

Фиг.2 иллюстрирует вариант упомянутого устройства, в котором используют два преобразователя 3, 3'. Первый преобразователь 3 установлен таким же образом, как указано выше, и выполнен с возможностью посылания ультразвуковых волн, в то время как второй преобразователь 3', находящийся в контакте со свободной нижней поверхностью покрытия 2, действует в качестве приемника, при этом первый преобразователь 3 соединен со средством 4 управления и с генератором 6 импульсов, а второй преобразователь 3' соединен с осциллографом 5.

В этом варианте измерение осуществляют не по отражениям ультразвуковой волны, а по пропусканиям через покрытие 2.

Если акустические импедансы подложки 1 и покрытия 2 значительно отличаются друг от друга, то сгенерированная преобразователем 3 ультразвуковая волна отражается на границе раздела подложка 1/покрытие 2, и, наоборот, если акустические импедансы являются схожими, то сгенерированная преобразователем 3 ультразвуковая волна проходит через покрытие 2 и отражается на границе раздела покрытие 2/воздух.

Фиг.3 и 4 иллюстрируют соответствующие режимы отражения ультразвуковых волн упомянутыми границами раздела, причем направление волны для большей ясности показано диагональным. Посылаемые и принимаемые ультразвуковые волны в действительности направлены перпендикулярно к верхней поверхности подложки 1, причем диагональное представление дано для упрощения чертежа и упрощения объяснения, при этом принцип измерения остается неизменным.

Согласно Фиг.3 волна, посланная преобразователем 3, приложенным к поверхности подложки 1, представлена линией L₁. Поскольку контакт обеспечивается очень тонкой пленкой 7 геля, то та часть волны, которая отражается верхней поверхностью подложки 1, является необнаруживаемой.

Поскольку акустические импедансы подложки 1 и покрытия 2 являются разными, ультразвуковая волна, прошедшая через подложку 1, отражается на границе раздела подложка 1/покрытие 2 и движется вдоль линии L₂.

Ультразвуковая волна, проходящая через подложку вдоль линии L₂, частично пропускается наружу вдоль линии L₃ и образует «первый эхо-сигнал», и, частично отразившись на границе раздела подложка 1/воздух, проходит обратно через подложку 1 вдоль линии L₄ и снова частично отражается вдоль линии L₅ на границе раздела подложка 1/покрытие 2. Распространяющаяся вдоль линии L₅ ультразвуковая волна частично пропускается наружу через границу раздела подложка 1/воздух вдоль линии L₆ и образует «второй эхо-сигнал».

Согласно Фиг.4 акустические импедансы подложки 1 и покрытия 2 друг от друга сильно не отличаются, и волна, посланная преобразователем 3 вдоль линии L₁', проходит через подложку 1 и покрытие 2 и отражается вдоль линии L₂' границей раздела покрытие 2/воздух.

Волна, отраженная вдоль линии L₂', частично пропускается («первый эхо-сигнал») и частично отражается соответственно вдоль линий L₃' и L₄' согласно вышеизложенному. Отраженная вдоль линии L₄' волна снова частично отражается границей раздела покрытие 2/воздух вдоль линии L₅'. Часть этой отраженной волны пропускается вдоль линии L₆' через границу раздела подложка 1/воздух и образует «второй эхо-сигнал».

Линии L₂, L₄, L₅ и L₂', L₄', L₅', проходящие через подложку 1, имеют одинаковую длину, хотя последовательные эхо-сигналы, достигающие преобразователя 3 вдоль линий L₃, L₆ и L₃', L₆', отделены друг от друга равными временными интервалами, соответствующими двукратному времени прохождения ультразвуковых волн через толщину х₁ подложки 1 и через толщину х₁+х₂ подложки 1 и покрытия 2.

Способ, заявляемый в настоящем изобретении, заключается в измерении амплитуд первых двух последовательных эхо-сигналов волны, посланной преобразователем 3, причем эти два эхо-сигнала обозначены ссылочными позициями 8 и 9 на диаграмме по Фиг.5, которая демонстрирует тенденцию изменения амплитуды эхо-сигналов со временем.

Добротность покрытия определяют как отношение амплитуд y₁ и y₂ первых двух эхо-сигналов.

Для той детали, у которой акустические импедансы подложки и покрытия являются схожими, иными словами, в случае отражения на границе раздела покрытие 2/воздух, добротность покрытия выражена как:

Для той детали, у которой акустические импедансы подложки 1 и покрытия 2 значительно отличаются друг от друга, иными словами, в случае отражения на границе раздела подложка 1/покрытие 2, добротность покрытия выражена как:

В этих выражениях α₁ и α₂ представляют собой коэффициенты затухания (ослабления) ультразвуковых волн соответственно в подложке 1 и покрытии 2; t₁₂ и t₂₁ представляют собой амплитудные коэффициенты пропускания соответственно от подложки 1 к покрытию 2 и от покрытия 2 к подложке 1; а r_1cc и_{r12 представляют собой амплитудные коэффициенты отражения соответственно на границе раздела подложка 1/тонкая пленка 7 и на границе раздела подложка 1/покрытие 2.}

Добротность Q включает в себя первый член, который характеризует свойства подложки 1, и второй член, который характеризует структурное качество покрытия 2 посредством величины и качество его связи с подложкой 1 посредством величины t₁₂t₂₁.

Аналогично, добротность Q' включает в себя первый член, который характеризует свойства подложки 1, и второй член, который характеризует качество связи покрытия 2 с подложкой 1 посредством коэффициента r₁₂.

Было установлено, что коэффициент отражения r_1сс между подложкой 1 и тонкой пленкой 7 геля равен коэффициенту отражения между подложкой 1 и водой, и что это может быть определено экспериментально. Это означает, что свойства материала, используемого для формирования тонкой пленки 7, можно не принимать во внимание при расчете добротности.

Установлена корреляция между добротностью и сцеплением покрытия 2 посредством механических измерений на калибровочных испытательных образцах, которые осуществляли следующим образом.

Эти испытательные образцы представляли собой диски того же типа, что и детали, на которые должно быть нанесено покрытие, и имели, например, диаметр в один дюйм (25,4 миллиметра) и толщину в шесть миллиметров; диски располагали вместо покрываемых деталей и наносили на них то же покрытие 2, что и на эти детали. Затем, согласно схематическому изображению на Фиг.6, каждый диск 10 связывали с двумя контрольными образцами 11, 12 с использованием высокопрочного клея 13, такого как FM1000, выпускаемого компанией American Cyanamid. Два контрольных образца закрепляли в захватах или зажимных кулачках 14 установки по испытаниям прочности на разрыв. Скорость повышения нагрузки на диск 10 была постоянной, например - 0,8 МПа/с, что соответствует смещению величиной 1 миллиметр в минуту.

Сцепление покрытия 2 с подложкой 1 измеряли как усилие, нужное для отделения его от подложки 1. Механическое напряжение разрушения (отрыва) σ является отношением максимального усилия растяжения, достигаемого на том участке поверхности, на котором нанесено покрытие 2.

Фиг.7 представляет собой кривую, показывающую изменение механического напряжения разрушения σ в МПа в зависимости от добротности Q, измеренной на частоте 5 МГц в случае 17%-го вольфрамкарбидного (WC) покрытия 2 на подложке 1 из Z12С13. Можно видеть, что в этом случае добротность Q возрастает с уменьшением σ.

В других случаях, таких как, например, в случае покрытия 5% NiAl на подложке из Z12С13, добротность Q', измеренная на частоте 10 МГц, изменяется в том же направлении, что и механическое напряжение разрушения σ, и возрастает с увеличением сцепления покрытия 2 с подложкой 1.

Поэтому для каждого типа покрытия 2 и подложки 1 можно вывести калибровочную кривую добротности Q или Q' по результатам испытаний прочности на разрыв, выполненных на испытательных образцах, и затем непосредственно измерить добротность Q или Q' на имеющих покрытие деталях, что позволяет установить качество сцепления покрытия 2 с деталью in situ в течение нескольких минут. Таким образом, обеспечивается возможность проверки качества покрытия 2 и возможность контролирования тенденции в изменении этого качества с течением времени, так как измерения добротности могут быть повторены через заданные промежутки времени. Изменчивость (непостоянство) измерений добротности является низкой по сравнению с испытаниями прочности на разрыв, и поэтому эти измерения с хорошей степенью достоверности характеризуют сцепление покрытия.

Более того, изобретение также может быть использовано для оценки качества сцепления пористого покрытия и качества сцепления покрытий, механические напряжения разрушения которых превышают напряжение разрушения клея, используемого для связывания испытательных образцов при испытаниях прочности на разрыв.

Использование: для измерения сцепления покрытия с подложкой. Сущность заключается в том, что посылают ультразвуковые волны посредством преобразователя к подложке и покрытию, собирают ряд эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвуковых волн на поверхностях подложки и покрытия, и вычисляют отношение амплитуд двух последовательных эхо-сигналов, причем упомянутое измерение выполняют в воздухе, при этом преобразователь прикладывают к подложке посредством тонкой пленки геля, вычисляют добротность покрытия, заданную отношением между амплитудами первых двух эхо-сигналов, принятых преобразователем и связанных с первыми двумя отражениями на границе раздела подложка/покрытие после прохождения через подложку или на границе раздела покрытие/воздух после прохождения через подложку и покрытие, и определяют сцепление покрытия исходя из функции корреляции между добротностью и механическим напряжением разрушения покрытия, полученным заранее путем механических испытаний на калибровочных испытательных образцах. Технический результат: оценка сцепления покрытия подложки или любой детали на месте. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения сцепления покрытия с подложкой, заключающийся в том, что посылают ультразвуковые волны посредством преобразователя к подложке и покрытию, собирают ряд эхосигналов, возникающих в результате отражений ультразвуковых волн на поверхностях подложки и покрытия и вычисляют отношение амплитуд двух последовательных эхо-сигналов, причем упомянутое измерение выполняют в воздухе, а способ также заключается в том, что преобразователь прикладывают к подложке посредством тонкой пленки геля, вычисляют добротность покрытия, заданную отношением между амплитудами первых двух эхосигналов, принятых преобразователем и связанных с первыми двумя отражениями на границе раздела подложка/покрытие после прохождения через подложку или на границе раздела покрытие/воздух после прохождения через подложку и покрытие, и определяют сцепление покрытия, исходя из функции корреляции между добротностью и механическим напряжением разрушения покрытия, полученным заранее путем механических испытаний на калибровочных испытательных образцах.2. Способ по п.1, в котором ультразвуковые волны имеют частоту приблизительно от 5 до 10 меГц.3. Способ по п.1, в котором измерения добротности осуществляют in situ на имеющих покрытие деталях.4. Способ по п.3, который заключается в повторении измерений на упомянутых деталях через регулярные или нерегулярные интервалы времени для того, чтобы контролировать тенденцию изменения качества сцепления покрытия с деталями со временем.5. Способ по п.1, в котором покрытие и подложка являются металлическими.6. Способ по п.1, в котором тонкая пленка геля имеет толщину приблизительно 10 мкм.