способ неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий, заключающийся в том, что поверхность покрытия нагревают и определяют параметр, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой, отличающийся тем, что в качестве параметра, по которому судят о прочности сцепления покрытия к подложке, выбирают температуру покрываемой поверхности подложки, полученную путем решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности с использованием измерений температуры подложки на противоположной непокрытой ее стороне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий к подложкам.

Известен способ определения адгезионной прочности покрытий (а.с. SU № 1809371, МПК G01N 19/04, 1993 г.), заключающийся в том, что при определении адгезионной прочности покрытий возбуждают стоячие акустические волны в системе пьезоэлемент - изделие с покрытием, измеряют резонансные характеристики нагруженного изделием пьезопреобразователя, определяют скорость распространения продольной волны и величину ее затухания в изделии без покрытия и с покрытием и определяют по изменению этих величин адгезионную прочность покрытия.

Основными недостатками данного способа является сложность оборудования для его реализации и возможность использования только для тонких металлических покрытий с диффузионным соединением.

Известен способ контроля качества сцепления теплопроводящих покрытий с подложкой (а.с. SU № 1193535, МПК G01N 19/04, 1985 г.), основанный на том, что на поверхность покрытия воздействуют тепловым потоком, фиксируют изменение коэффициента отражения покрытия, связанное с его разогревом и появлением окислов, приводящих к потемнению поверхности, сравнивают его с таким же коэффициентом, измеренным на эталонном соединении, и по результатам сравнения судят о качестве сцепления покрытия с подложкой.

Основным недостатком данного способа является возможность исследования качества сцепления только металлических покрытий ограниченной номенклатуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ неразрушающего контроля адгезионной прочности диэлектрических покрытий к металлическим подложкам (а.с. SU № 1693476, МПК G01N 19/04, 1991 г.), заключающийся в том, что образец в виде подложки с покрытием помещают между двумя электродами, включенными в цепь измерения силы тока, со стороны подложки нагревают образец с постоянной скоростью до температуры, не превышающей температуру разрушения покрытия, и определяют изменение силы тока - параметр, по которому судят об адгезионной прочности.

Основным недостатком данного способа является невозможность его использования для нетокопроводящих материалов исследуемых покрытий и подложки.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей контроля прочности сцепления.

Технический результат достигается тем, что поверхность покрытия нагревают и определяют параметр, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой, в отличии от прототипа, в качестве параметра, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой, выбирают температуру покрываемой поверхности подложки, полученную путем решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности с использованием измерений температуры подложки на противоположной непокрытой ее стороне.

Решение обратной задачи нестационарной теплопроводности при зависящих от температуры теплофизических характеристиках материала теплоприемника можно получить различными способами. Во-первых, для этого используются численные методы (Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988. 286 с., страницы 150-168). При этом необходимо производить вычисления на ЭВМ начиная от начала нагревания или охлаждения твердого тела, и в этот момент времени должно быть известно распределение температуры в нем. Во-вторых, можно использовать аналитическое решение (Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страницы 46-62). Необходимо обратить внимание на то, что при аналитическом решении граничной задачи нестационарной теплопроводности не нужно знать начального распределения температуры в теле, и это является несомненным достоинством метода. В последнем случае, если задача одномерная, тепло распространяется в подложке по направлению 0х, как показано на фиг.1, чего можно добиться, теплоизолировав боковые поверхности и учитывая, что у большинства материалов, используемых в машиностроении, теплофизические свойства (теплопроводность и объемная теплоемкость с ) линейно зависят от температуры Т:

имеем нелинейную граничную ОЗТ для уравнения теплопроводности [Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страница 59]:

при известных в точке с координатой х=0 изменениях температуры во времени

- и ее градиента в том же месте

Эти функции аппроксимируются экспоненциальными рядами вида [Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страница 49]:

Решение этой задачи, с использованием первых трех членов аппроксимирующих рядов, таково:

где обозначает функцию ( ), а f обозначает f( ).

На фиг.1 изображена простейшая схема проведения измерений для решения ОЗТ.

На фиг.2 приведен вид экспериментально установленных функций.

На фиг.3 показана схема экспериментальной установки.

На фиг.4 - результаты решения линейной одномерной обратной задачи теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 5 мм.

На фиг.5 - результаты решения прямой задачи нестационарной теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 20 мм.

На фиг.6 - результаты решения линейной одномерной обратной задачи нестационарной теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 20 мм.

Простейшая схема проведения измерений для решения ОЗТ показана на Фиг.1, где обозначено: 1 - нагреваемая или охлаждаемая пластина, - толщина пластины, 2 - термодатчик на тыльной стороне, 3 - термодатчик на известном удалении от термодатчика 2, 4 - теплоизоляция. Измерения температуры производятся на тыльной стороне пластины посредством термодатчика 2, ее градиент определяется из разности показаний термодатчиков 2 и 3, пример приведен на фиг.2

При нагреве образца со стороны покрытия температура поверхности подложки зависит от термической проводимости на границы системы тел покрытие - подложка, которая напрямую связана с прочностью сцепления покрытия с подложкой. Это и позволяет использовать ее в качестве критерия прочности сцепления покрытия. Таким образом реализуется неразрушающий контроль качества сцепления покрытия с подложкой при условии, что температура нагрева поверхности покрытия не превысит значения, при котором начнется разрушение покрытия.

Пример конкретной реализации способа

Схема установки для осуществления способа представлена на фиг.3, где изображены: нагреватель 1, теплоизоляция теплонагревателя 2, источник питания 3, покрытие испытуемого образца 4, подложка 5, теплоизоляционный элемент 6, термопары Д1, Д2, ... Дn, измерительное устройство 7, теплоизоляция боковая 8.

Установка работает следующим образом: при подаче электрической мощности от источника питания 3 к нагревателю 1 создается тепловой поток к покрытию 4 испытуемого образца, при этом теплоизоляция теплонагревателя 2 служит для создания одномерного теплового потока. Со стороны подложки 5 прижимается теплоизоляционный элемент 6, для того чтобы градиент температуры на тыльной стороне образца был равен нулю и для исключения его из расчетов. В теплоизоляционный элемент 6 встроены термопары Д1, Д2, ... Дn, сигнал от которых обрабатывается измерительным устройством 7, боковые поверхности образца изолируются теплоизоляцией 8 для создания одномерного теплового потока q _w. Используя показания измерительного устройства о температуре (T_изм) тыльной стороны подложки, на основании решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности определяется температура (Т_оп) поверхности подложки на границе с покрытием.

При проведении эксперимента с целью тестирования метода решались прямая и обратная задача нестационарной теплопроводности для определения температуры покрываемой поверхности подложки, а также, при известной плотности входящего теплового потока, производились экспериментальные замеры температуры тыльной (непокрываемой) стороны подложки образца при ее полной теплоизоляции, чтобы градиент температуры в месте измерения был равен нулю ( )=0. Использовались образцы материалов с хорошо изученными теплофизическими свойствами из серого чугуна СЧ-15, диаметром 77_-0,1 мм, толщиной 5_±0,1 мм и 20_±0,2 мм с покрытием толщиной 0,2 мм, сформированным при нанесении композиционного металлического порошка, на никель-хромовой основе марки ПГ-ЮНХ15СР2, атмосферным плазменным напылением. Результаты эксперимента приведены на фиг.4, где изображены зависимости температур покрываемой поверхности подложки от времени, найденные из решения нестационарных задач теплопроводности, где:

- температура, найденная при решении ОЗТ при экспоненциальной аппроксимации в образцах с хорошей адгезией,

- температура, найденная при решении ОЗТ при полиноминальной аппроксимации в образцах с хорошей адгезией,

температура, найденная из прямой задачи в образцах с хорошей адгезией,

- температура, найденная при решении ОЗТ при экспоненциальной аппроксимации в образцах, имеющих локальные отслоения покрытия,

- температура, найденная при решении ОЗТ при полиноминальной аппроксимации в образцах имеющих локальные отслоения покрытия,

- температура, найденная из прямой задачи в образцах, имеющих локальные отслоения покрытия.

Для того чтобы проверить чувствительность решения ОЗТ к входным данным по толщине подложки образца, был проведен дополнительный анализ на образце с подложкой из серого чугуна СЧ-15 с толщиной, равной 20 мм. Результаты показаны на фиг.5, 6.

На фиг.5 изображена зависимость температуры тыльной и покрываемой стороны подложки от времени, где:

температура тыльной (непокрываемой) стороны подложки на образцах с хорошей адгезией,

температура тыльной (непокрываемой) стороны подложки на образцах с локальным отслоением покрытия,

температура покрываемой поверхности подложки на образцах с хорошей адгезией,

температура покрываемой поверхности подложки на образцах с локальным отслоением покрытия.

На фиг.6 представлены зависимости температур покрываемой поверхности подложки от времени, найденные из решения нестационарных задач теплопроводности при различных условиях, где:

- температура тыльной (непокрываемой) стороны подложки на образцах с хорошей адгезией,

- температура тыльной (непокрываемой) стороны подложки на образцах с локальным отслоением покрытия,

- температура покрываемой поверхности подложки, найденная из ОЗТ, на образцах с хорошей адгезией,

- температура покрываемой поверхности подложки, найденная из прямой задачи, на образцах с хорошей адгезией,

- температура покрываемой поверхности подложки, найденная из ОЗТ, на образцах с локальным отслоением покрытия,

- температура покрываемой поверхности подложки, найденная из прямой задачи, на образцах с локальным отслоением покрытия.

Из рассмотрения фиг.6 видно, что даже при малом изменений температуры тыльной стороны подложки решение линейной одномерной обратной задачи теплопроводности позволяет с высокой точностью определить температуру на большом удалении от точки измерения, при этом не зная начального распределения температур в образце.

Из рассмотрения результатов видно, что разница в значениях температуры подложки при наличии и отсутствии локального отслоения покрытия существенна - это дает возможность их использования для количественной оценки прочности сцепления покрытия.

Способ позволяет определять прочность сцепления нанесенных покрытий из любых материалов с подложкой, а также позволяет автоматизировать контроль качества сцепления покрытий с подложкой в процессе его нанесения газотермическими методами, при этом источником нагрева может служить сам распылитель с известными тепловыми характеристиками, а расчет температуры ведется с учетом теплопроводности покрытия в процессе его роста. Это дает возможность подбора оптимальных технологических режимов в процессе нанесения покрытий. Также данным способом можно определять прочность сцепления многослойных композиций типа подложка, подслой, покрытие.

Итак, заявленное изобретение дает возможность повысить универсальность и расширить функциональные возможности контроля адгезионной прочности.