一种基于优选法的涂层界面结合状况快速检测方法技术

一种基于优选法的涂层界面结合状况快速检测方法，涉及激光检测与材料性能检测技术领域。通过优选法快速获得了涂层失效的激光功率密度范围，在该范围内通过采用脉冲激光对涂层进行单点单次加载，形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，通过功率计检测离散划痕激光加载点处反射光强度的变化，当检测点功率密度图在一个下凹第一次连续呈现三个拐点时，则认为该下凹为涂层失效阈值点Ｐ１，判断涂层的以较短的划痕长度即可确定涂层失效临界点（失效阈值）。本方法的优点在于通过优选法迅速逼近涂层失效的激光功率密度范围，提出涂层失效临界点判别方法获得失效阈值，从而提高了划痕效率、减少了涂层的破坏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术装置涉及激光检测与材料性能检测
，特指一种利用优选法快速检 测涂层界面结合强度的激光划痕装置，属于光学检测领域。
技术介绍
涂层技术是一种重要的表面处理和材料复合的先进技术，其核心是保证涂层在寿 命期内与基体具有良好的结合性能。针对涂层一基体结合强度的测量问题，国内外学者展 开一系列研究，并提出划痕法、压痕法、激光层裂法等多种结合强度检测方法，纵观这些方 法尚存在检测结果不稳定或不同方法检测结果差别较大等问题。激光划痕法综合了传统的划痕法和激光测量技术的优点，是一种新型的薄膜测量 技术。江苏大学的张永康，冯爱新，周明等申请专利界面结合强度的远紫外激光划痕测 量方法及装置，申请号02138512其特征在于以连续加载的脉冲远紫外激光束通过入射激 光束光路系统直接加载于试件的薄膜表面，通过光离解、光致变价、形成晶格缺陷、等离子 化等作用实现对材料的剥蚀加工，使薄膜材料产生剥落。同时，进给系统使试件作进给运 动，激光束在薄膜表面形成深度逐渐增加的划痕，直至膜-基体界面破坏。检测信号经检 测光束光路系统传输到与控制系统相连的信号采集检测系统、信号分析处理系统进行检测 判断，用膜基界面破坏时的激光束能量经一定数学模型处理后来表征膜基体界面的结合强 度。但该方法所产生的划痕路径较长使检测后的工件无法使用，而且激光对涂层表面的单 点重复加载，测试结果的处理变得复杂。所谓优选法，是华罗庚专利技术的一种可以尽可能减少试验次数、尽快地找到最优方 案的方法。本专利借用单因素方法中黄金分割规律来简化试验次数找到最佳的数值。优选 法基本步骤1)、选定优化判据(试验指标)，确定影响因素，优选数据是用来判断优选程度 的依据；2)、优化判据与影响因素直接的关系称为目标函数；3)、优化计算。
技术实现思路
本专利技术目的是要提供一种基于优选法的激光划痕界面结合状况快速检测方法及 装置。通过优选法快速获得了涂层失效的激光功率密度范围，在该范围内通过采用脉冲激 光对涂层进行单点单次加载，形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，以较短的划痕长度即 可确定涂层失效临界点(失效阈值)，建立一种快速检测涂层结合强度的方法；针对该方法 设计了一种实现离散划痕的自动化装置，通过检测典型涂层失效建立失效数据库、激光器 系统采用优选算法逼近使涂层失效的激光功率密度范围、检测系统通过功率计检测涂层表 面红外光束反射得出涂层表面形貌的特征参数、将检测系统得出的参数与失效数据库进行 比较，得出激光器下一点激光输出功率。逐步逼近，最终实现对涂层失效阈值的确定，智能 化的实现了离散划痕任务。该方法采用激光器激作为外部驱动源，涂层在低功率激光能量作用下，材料局部 瞬时升温导致热膨胀效应并产生热应力；随着激光能量的增加，在涂层表面形成了等离子体冲击波，导致涂层发生塑性变形，同时热应力在涂层塑性变形过程中也起着重要作用一 因为脉冲激光单点单次加载使等离子体流向外喷射的能量受到限制；激光能量继续增大 后，涂层表面出现了明显的烧蚀现象。接近失效阈值时，等离子体继续吸收激光能量，开始 推动周围的介质沿径向对外扩张，有惯性的离子经过一定延时后跟随自由电子运动，形成 了由被压缩的高密度介质构成的高压区。最终，高压区发生爆炸式膨胀形成冲击压力。通 过对脉冲激光加载过程及涂层失效机理的分析可知，中间部分激光能量分布较高，涂层在 冲击应力的作用下呈气态粉末和碎片喷射出表面；加载点周围激光能量分布较低，涂层在 热应力作用下出现脱粘。如图13所示，通过功率计检测离散划痕激光加载点处反射光强度的变化，结合涂 层失效机理分析可知涂层失效前，激光加载点Q处的涂层表面因形貌变化，使得粗糙度增 大且反射光强度降低；达到失效阈值P1时，涂层在冲击应力、热应力的作用下剥离，由基体 反射的反射光强度增大；超过失效阈值P1达到P2时，涂层被激光烧蚀，基体的部分区域在 冲击应力作用下光滑度提高反射光强度增大。综合上述分析可知涂层失效临界点为P1，可 以用该方法判别涂层失效临界点。1、优选法快速获得涂层失效的激光功率密度范围的具体步骤为根据上述分析结合优选法思想，如图4所示，估计包含涂层失效的激光功率密度 点的试验范围(一般采用激光器的最低功率为下限，最高功率为上限)，假设a表示下限， b表示上限，试验范围为；从激光器电压范围黄金分割点所对应值对应的激光功率密 度gl作为第一检测点开始，判断gl点单脉冲激光加载后涂层是否失效，如果该点涂层被破 坏则下一次试验范围为，如果该点涂层没有被破坏则下一次试验范围为，从 该电压范围黄金分割点所对应值对应的第二点激光功率密度g2 ；如此循环反复可以得出 涂层失效的激光功率密度范围，并将该涂层的失效功率密度范围存入数据库。同一种涂层 材料至少做5次以上，每次循环反复4次以上，即取4个黄金分割点以上。对于任意一种涂 层材料来说，同一种涂层不同的试样失效点不同但却都收敛于相同或相近的失效范围。结 合优选算法可将涂层失效的激光功率密度范围收敛于极小区间，在该范围内所进行的单脉 冲激光离散划痕使路径长度得以缩短，从而有效的提高划痕效率和减少涂层破坏。2、获得涂层失效的激光功率密度的具体步骤为在涂层失效的激光功率密度范围通过采用单脉冲激光对涂层进行单点单次加载， 随着激光能量的增加形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，通过检测系统中的功率计在线 检测单脉冲激光加载后涂层的形貌得出反射光采样功率密度图(如图14)，当检测点功率 密度图在一个下凹第一次连续呈现三个拐点时，则认为该下凹为涂层失效阈值点Pi，判断 涂层的以较短的划痕长度即可确定涂层失效临界点(失效阈值)。根据精度要求，在阈值点 P及之前接近失效的点Q3(Pi之前第一个点)可以在Q3 Pi中再次细分(在Q3 Pi之间 再次细分成5个下凹点)，采用同样的方法获得失效阈值。本方法的优点在于通过优选法迅速逼近涂层失效的激光功率密度范围，提出涂层 失效临界点判别方法获得失效阈值，从而提高了划痕效率、减少了涂层的破坏。通过对该方 法实验结果进行的分析对比，这一涂层失效临界点判别方法准确可靠，同时单点加载不会 对表面涂层产生实质破坏，可以实现无损检测。对于大批量涂层快速无损检测具有重要意 义。4该装置由激光器系统、工作平移台系统、界面结合状况检测诊析系统组成，如图3 所示。其中界面结合状况检测诊析系统由检测系统、人工监控与失效数据库组成。失效数 据库是一种事先编好的表征各种涂层失效的各种征兆的数据库。该数据库是通过检测典型 涂层失效，并提取其特征信息、确立各类失效的样板模式，从而建立起失效数据库。1、硬件组成如图2所示，根据功能可以将硬件划分为激光系统、运动控制系统、检测系统及人 工监测系统。在激光系统中，通过通讯协议让上位工控机26对其进行远程自动控制。上位机与 激光器1通信采用RS232接口电缆，发送指令对其进行激光功率、电压、频率和波长等控制。 短脉冲激光束经由反射镜27和聚焦透镜16组成的外光路直接作用在试样13的涂层表面。在运动控制系统中，通过光栅传感器23读取工作平移台11的位置模拟量信号，转 换成电压数字量信号后，传送到数据采集卡24，上位机可以直接从数据采集卡中读取到平 移台的位置信息，形成全闭环位置控制，实现同一坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于优选法的涂层界面结合状况快速检测方法，具体步骤为：（１）优选法快速获得涂层失效的激光功率密度范围估计包含涂层失效的激光功率密度点的试验范围，假设ａ表示下限，ｂ表示上限，试验范围为［ａ，ｂ］；从激光器电压范围黄金分割点所对应值对应的激光功率密度ｇ１作为第一检测点开始，判断ｇ１点单脉冲激光加载后涂层是否失效，如果该点涂层被破坏则下一次试验范围为［ａ，ｇ１］，如果该点涂层没有被破坏则下一次试验范围为［ｇ１，ｂ］，从该电压范围黄金分割点所对应值对应的第二点激光功率密度ｇ２；如此循环反复可以得出涂层失效的激光功率密度范围；（２）获得涂层失效的激光功率密度在涂层失效的激光功率密度范围通过采用单脉冲激光对涂层进行单点单次加载，随着激光能量的增加形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，通过检测系统中的功率计在线检测单脉冲激光加载后涂层的形貌得出反射光采样功率密度图，当检测点功率密度图在一个下凹第一次连续呈现三个拐点时，则认为该下凹为涂层失效阈值点Ｐ↓［１］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯爱新，曹宇鹏，徐传超，孙淮阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]