專利名稱：一種基于xrd的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于XRD技術(shù)的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測方法和裝置，特指一種利用XRD檢測涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的方法和裝置，屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
殘余應(yīng)力是涂層制備過程中存在的普遍現(xiàn)象，其在涂層內(nèi)貯存了大量的彈性能，并作用于涂層與基體的界面上，彈性能很大時(shí)會導(dǎo)致涂層開裂甚至剝落，使涂層/基體系統(tǒng)失效。殘余應(yīng)力已成為涂層制備與應(yīng)用的一大難題，因此開展涂層材料的殘余應(yīng)力與界面結(jié)合性能定量關(guān)系研究是十分必要的。
在涂層從基體脫粘時(shí)，界面正應(yīng)力、剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力發(fā)生顯著變化。利用涂層從基體脫粘前后的界面應(yīng)力變化量，結(jié)合涂層材料的物性參數(shù)和涂層-基體系統(tǒng)溫度場參數(shù)，來表征涂層界面的結(jié)合強(qiáng)度。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，國際國內(nèi)尚未見相關(guān)學(xué)術(shù)論文及專利文獻(xiàn)的公開報(bào)道。
在各種無損測定殘余應(yīng)力的方法之中，XRD(X Ray Diffraction，X射線衍射法)技術(shù)具有檢測精度高、無損非接觸、具有一定穿透深度、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，是最可靠和最實(shí)用的檢測技術(shù)之一。本項(xiàng)目應(yīng)用X射線衍射技術(shù)測量激光劃痕過程涂層及其下基體材料的應(yīng)力及其變化規(guī)律，進(jìn)行界面結(jié)合狀態(tài)的檢測診析理論研究，開辟X射線衍射應(yīng)力檢測技術(shù)在膜-基體系質(zhì)量檢測領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。研究界面結(jié)合狀況檢測診析技術(shù)，適用于多晶體材料涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要提供一種基于XRD的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測方法和裝置。利用涂層界面破壞的臨界點(diǎn)所對應(yīng)的殘余應(yīng)力參數(shù)來表征界面結(jié)合強(qiáng)度。對典型膜基系統(tǒng)進(jìn)行界面準(zhǔn)靜態(tài)工程結(jié)合強(qiáng)度的XRD檢測，建立一種研究檢測涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法。
該方法是將YAG激光束作為外部驅(qū)動(dòng)源，作用于在涂層表面，控制輻射時(shí)間、功率等激光參數(shù)，同時(shí)用XRD對結(jié)合界面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，測量膜-基界面分離點(diǎn)的界面殘余應(yīng)力，建立界面結(jié)合強(qiáng)度與涂層(或基體)的殘余應(yīng)力與激光束參數(shù)以及涂層材料的物性參數(shù)之間的定量關(guān)系。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用連續(xù)激光作用在涂層表面，使涂層殘余應(yīng)力發(fā)生變化，通過所測量的殘余應(yīng)力值的大小，來精確地表征涂層的結(jié)合強(qiáng)度。測得的是界面準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)合強(qiáng)度，這與多數(shù)涂層實(shí)際工作的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變狀態(tài)相一致。


下面結(jié)合圖1對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1XRD檢測涂層結(jié)合界面強(qiáng)度裝置1.計(jì)算機(jī) 2.狹縫 3.過濾器 4.光電檢測器 5.示波器 6.信號放大器 7.YAG激光 8.光電二極管 9.功率表 10.激光束 11.斷路器 12.衰減器 13.透鏡 14.涂層試樣 15.數(shù)控工作臺 16.X射線應(yīng)力分析儀 17.探測光束 18.He-Ne激光器 19.控制器 20.激光電源
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
用本發(fā)明進(jìn)行XRD檢測涂層結(jié)合界面強(qiáng)度裝置包括(1)由YAG激光器組成入射光路系統(tǒng)，主要由經(jīng)光路依次連接的激光電源20、YAG激光7、光電二極管8、功率表9、激光束10、斷路器11、衰減器12、透鏡13等組成；(2)工作臺與試樣夾具系統(tǒng)，包括數(shù)控工作臺15及放置其上的涂層試樣14、控制器19，控制器19分別與數(shù)控工作臺15及激光電源20相連；(3)激光束參數(shù)檢測信號檢測診析系統(tǒng)，主要由依次相連的狹縫2、過濾器3、光電檢測器4、信號放大器6，以及He-Ne激光器18和其發(fā)出的探測光束17組成；(4)X射線應(yīng)力分析儀組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)1、示波器5、X射線應(yīng)力分析儀16，其中示波器5一端與計(jì)算機(jī)1相連，另一端與光電二極管8相連，X射線應(yīng)力分析儀16分別與控制器19、涂層試樣14相連。
本發(fā)明檢測原理是利用X射線衍射技術(shù)測量激光輻射涂層及其基體材料的應(yīng)力變化規(guī)律，進(jìn)行界面結(jié)合狀態(tài)的檢測診析。在涂層從基體脫粘時(shí)，結(jié)合界面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力發(fā)生顯著變化。涂層從基體脫粘前后的界面應(yīng)力變化量，結(jié)合涂層材料的物性參數(shù)和涂層-基體系統(tǒng)溫度場參數(shù)，用應(yīng)力值來表征涂層界面結(jié)合強(qiáng)度。
其工作過程YAG激光7通過入射光路系統(tǒng)直接輻射涂層試樣4的表面，通過激光電源20及控制器19使激光能量連續(xù)增加，同時(shí)通過He-Ne激光器18及激光電源20控制激光作用于涂層表面的溫度，同時(shí)控制器19使工作臺試樣夾具系統(tǒng)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使激光在涂層表面產(chǎn)生劃痕，直至涂層基體界面破壞。在激光作用于涂層-基體系統(tǒng)時(shí)，激光作用的中心點(diǎn)殘余應(yīng)力值會發(fā)生相應(yīng)的變化，在涂層脫粘失穩(wěn)時(shí)殘余應(yīng)力發(fā)生突變，以殘余應(yīng)力峰值發(fā)生突變的點(diǎn)作為界面破壞臨界點(diǎn)，以該點(diǎn)殘余應(yīng)力作為界面結(jié)合強(qiáng)度表征參數(shù)。X射線應(yīng)力分析儀16檢測涂層應(yīng)力參數(shù)，輸入激光束參數(shù)檢測信號檢測診析系統(tǒng)，采用此刻殘余應(yīng)力值來表征涂層界面結(jié)合強(qiáng)度。
XRD檢測涂層結(jié)合強(qiáng)度的特點(diǎn)(1)利用XRD法測得的是準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)合強(qiáng)度，即工程界面結(jié)合強(qiáng)度，這與膜基系統(tǒng)靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)工作環(huán)境相一致，便于工程應(yīng)用；(2)簡化了臨界載荷的影響因素，測量結(jié)果主要影響因素有界面結(jié)合狀況、激光參數(shù)、膜基系統(tǒng)物性參數(shù)等；(3)非接觸測量，無機(jī)械力和摩擦作用，膜基系統(tǒng)彈塑性變形小，測量結(jié)果較劃痕法更能反映界面結(jié)合狀況和結(jié)合質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)表面涂層制備過程中實(shí)時(shí)在線檢測。
權(quán)利要求
1.基于XRD的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測方法，其特征在于將YAG激光束作為外部驅(qū)動(dòng)源，作用于在涂層表面，在激光輻射點(diǎn)周圍形成一定的溫度梯度，控制輻射時(shí)間、功率等激光參數(shù)，利用XRD對結(jié)合界面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，測量膜-基界面分離點(diǎn)的界面殘余應(yīng)力，建立界面結(jié)合強(qiáng)度與涂層的殘余應(yīng)力與激光束參數(shù)以及涂層材料的物性參數(shù)之間的定量關(guān)系，表征涂層界面結(jié)合強(qiáng)度。
2.基于XRD的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測裝置，其特征在于包括入射光路系統(tǒng)、工作臺與試樣夾具系統(tǒng)、激光束參數(shù)檢測信號檢測診析系統(tǒng)、X射線應(yīng)力分析儀組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中入射光路系統(tǒng)，由經(jīng)光路依次連接的激光電源(20)、YAG激光(7)、光電二極管(8)、功率表(9)、激光束(10)、斷路器(11)、衰減器(12)、透鏡(13)組成；工作臺與試樣夾具系統(tǒng)，包括數(shù)控工作臺(15)及放置其上的涂層試樣(14)、控制器(19)，控制器(19)分別與數(shù)控工作臺(15)及激光電源(20)相連；激光束參數(shù)檢測信號檢測診析系統(tǒng)，由依次相連的狹縫(2)、過濾器(3)、光電檢測器(4)、信號放大器(6)，以及He-Ne激光器(18)和其發(fā)出的探測光束(17)組成；X射線應(yīng)力分析儀組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)(1)、示波器(5)、X射線應(yīng)力分析儀(16)，其中示波器(5)一端與計(jì)算機(jī)(1)相連，另一端與光電二極管(8)相連，X射線應(yīng)力分析儀(16)分別與控制器(19)、涂層試樣(14)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于XRD的涂層界面結(jié)合強(qiáng)度檢測方法和裝置，特指一種采用XRD檢測涂層結(jié)結(jié)合強(qiáng)度的方法和裝置，屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。本方法提出的裝置包括YAG激光器組成入射光路系統(tǒng)、工作臺與試件夾具系統(tǒng)、激光束參數(shù)檢測信號檢測診析系統(tǒng)、由計(jì)算機(jī)和X射線應(yīng)力分析儀組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。本發(fā)明的基本原理是利用激光的熱效應(yīng)作用于涂層表面，產(chǎn)生一個(gè)熱耦合的梯度溫度場，使涂層結(jié)合界面殘余應(yīng)力發(fā)生變化，用殘余應(yīng)力來表征界面的結(jié)合強(qiáng)度。涂層表面的溫度是通過控制激光功率、光斑直徑、作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01N19/04GK1975394SQ200610098329
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者張永康, 孔德軍, 魯金忠, 馮愛新, 任旭東 申請人:江蘇大學(xué)