[發明專利]一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法

有效

• 申請號: 201610289698.2
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN106017372B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 林莉;馬志遠;張偉;雷明凱
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02;G01N29/07;G01N29/28
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司21208
• 代理人: 花向陽,楊翠翠

技術領域

本發明涉及一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法，其屬于超聲無損檢測的技術領域。

背景技術

A1₂O₃、WC等涂覆層具有高的硬度、強度、彈性和導熱系數，且耐磨、耐沖蝕性能極高，因此已成為近年來耐磨涂層技術研究的重點之一。Houdková等指出在小尺寸工件特別是在工件內腔部位，由于不能實現垂直角度的噴涂，會導致涂層微觀結構、厚度、彈性等綜合性能不理想。W.Tillmann與P.Chivavibul等也指出噴涂工藝的(顆粒度、噴涂角度等)改變會影響涂層厚度、硬度、彈性以及結合強度等，而厚度、彈性以及結合強度又與涂層的斷裂韌性、抗磨損性、抗沖蝕性密切相關。D.Chicot等在“Application of the interfacial indentation test for adhesion toughness determination”中提出采用界面斷裂韌性評價涂層結合強度理論，認為界面斷裂韌性K_ca0與涂層彈性模量密切相關。C.Yingke等指出彈性模量對接觸應力場、涂層的剝離、斷裂和涂層內部的殘余應力狀態有重要影響,而且涂層材料與其噴涂前的基質材料通常具有不同的彈性能。因此，開展耐磨涂層彈性模量測量原理與檢測技術的研究對于該類涂層制造過程中的工藝參數優化與質量控制具有重要意義。

目前，研究學者已經開發了許多評價涂層彈性模量的方法。如靜態的毫微壓痕法、拉伸法、梁彎曲試驗法以及動態的共振法、超聲波法等。壓痕法是在一定載荷下將壓頭壓進涂層試樣，根據記錄的載荷-位移曲線計算涂層的彈性模量。該類方法對微區組織結構十分敏感，多相或復合材料涂層的測量誤差大，且無法完全消除基體力學性能對測量準確度的影響。拉伸法是將涂層從基體剝離后制成單獨涂層試樣或者在涂層試樣表面貼上應變片，然后對試樣進行拉伸并記錄載荷-伸長度曲線，從而計算涂層的彈性模量。該方法對涂層具有一定破壞性，且僅適用于基體與涂層泊松比差別較小的試樣。梁彎曲試驗法是通過對涂層/基體復合結構進行三點或四點彎曲試驗，通過載荷-位移、載荷-曲率、載荷-撓度等曲線，計算涂層的彈性模量。該方法的測量精度受涂層、基體幾何尺寸影響較大。共振法測量涂層彈性模量通常采用振動膜試樣片進行試驗，在金屬片狀基體的2個側面上均勻制備涂層，利用X射線衍射法測量涂層的彎曲共振頻率進而計算涂層彈性模量。該方法僅適用于薄涂層和薄膜，對厚度較大的涂層不適用。超聲波法是基于超聲聲速與材料彈性之間的關系，通過測量超聲縱波聲速與橫波聲速來實現涂層材料彈性模量的測量。該類方法具有無損傷、測量簡便、適用范圍廣等優點。傳統的超聲體波法需要多次調整探頭入射角度或者需要多個探頭配合才能獲得涂層的縱波聲速和橫波聲速，測量過程繁復。最近發展起來的超聲表面波法僅通過一次測量涂層表面波聲速即可實現涂層彈性模量測量。但該方法需要假設涂層的泊松比為一定值，導致難以實現涂層彈性模量的準確測量。

發明內容

該發明主要針對耐磨涂層彈性模量的無損測量難題，基于超聲波小角度斜入射至水/金屬基體/耐磨涂層/水三界面結構時的波型轉換原理以及各界面反射、透射系數分析，提出一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法。該方法只需要單個探頭進行單次聲波入射，采用薄層聲壓發射系數幅度譜(URCAS)分析技術，并結合互相關分析雙參數反演方法，實現涂層縱波聲速、橫波聲速和厚度的同時測量，結合金相觀測涂層孔隙率值修正了涂層密度，最終實現該類涂層材料彈性模量的準確測量。該方法克服了常規超聲法多探頭組合或多個角度入射的復雜操作，也克服了表面波法將泊松比假設為定值的不足，解決了涂層彈性模量超聲定量測量的難題。

本發明采用的技術方案是：一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法，它采用一個包括水槽、試樣臺、耐磨涂層試樣、水浸聚焦探頭、X-Y-Z三維步進控制裝置、超聲波探傷儀、數字示波器以及計算機的超聲脈沖回波法測量耐磨涂層厚度與彈性模量的系統，所述方法采用下列步驟：

(a)確定水浸聚焦探頭的入射角α<5°