專利名稱：一種基于xrd的涂層界面結合強度檢測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于XRD技術的涂層界面結合強度檢測方法和裝置，特指一種利用XRD檢測涂層界面結合強度的方法和裝置，屬于光學檢測技術領域。
背景技術：
殘余應力是涂層制備過程中存在的普遍現象，其在涂層內貯存了大量的彈性能，并作用于涂層與基體的界面上，彈性能很大時會導致涂層開裂甚至剝落，使涂層/基體系統失效。殘余應力已成為涂層制備與應用的一大難題，因此開展涂層材料的殘余應力與界面結合性能定量關系研究是十分必要的。
在涂層從基體脫粘時，界面正應力、剪應力和剝離應力發生顯著變化。利用涂層從基體脫粘前后的界面應力變化量，結合涂層材料的物性參數和涂層-基體系統溫度場參數，來表征涂層界面的結合強度。經文獻檢索，國際國內尚未見相關學術論文及專利文獻的公開報道。
在各種無損測定殘余應力的方法之中，XRD(X Ray Diffraction，X射線衍射法)技術具有檢測精度高、無損非接觸、具有一定穿透深度、方便快捷等優點，是最可靠和最實用的檢測技術之一。本項目應用X射線衍射技術測量激光劃痕過程涂層及其下基體材料的應力及其變化規律，進行界面結合狀態的檢測診析理論研究，開辟X射線衍射應力檢測技術在膜-基體系質量檢測領域的研究與應用。研究界面結合狀況檢測診析技術，適用于多晶體材料涂層。
發明內容
本發明目的是要提供一種基于XRD的涂層界面結合強度檢測方法和裝置。利用涂層界面破壞的臨界點所對應的殘余應力參數來表征界面結合強度。對典型膜基系統進行界面準靜態工程結合強度的XRD檢測，建立一種研究檢測涂層結合強度實驗方法。
該方法是將YAG激光束作為外部驅動源，作用于在涂層表面，控制輻射時間、功率等激光參數，同時用XRD對結合界面殘余應力進行測量，測量膜-基界面分離點的界面殘余應力，建立界面結合強度與涂層(或基體)的殘余應力與激光束參數以及涂層材料的物性參數之間的定量關系。
本發明的優點在于利用連續激光作用在涂層表面，使涂層殘余應力發生變化，通過所測量的殘余應力值的大小，來精確地表征涂層的結合強度。測得的是界面準靜態結合強度，這與多數涂層實際工作的靜態、準靜態應變狀態相一致。
下面結合圖1對本發明作進一步說明圖1XRD檢測涂層結合界面強度裝置1.計算機 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.數控工作臺 16.X射線應力分析儀 17.探測光束 18.He-Ne激光器 19.控制器 20.激光電源
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
用本發明進行XRD檢測涂層結合界面強度裝置包括(1)由YAG激光器組成入射光路系統，主要由經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，包括數控工作臺15及放置其上的涂層試樣14、控制器19，控制器19分別與數控工作臺15及激光電源20相連；(3)激光束參數檢測信號檢測診析系統，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和其發出的探測光束17組成；(4)X射線應力分析儀組成數據處理系統，包括計算機1、示波器5、X射線應力分析儀16，其中示波器5一端與計算機1相連，另一端與光電二極管8相連，X射線應力分析儀16分別與控制器19、涂層試樣14相連。
本發明檢測原理是利用X射線衍射技術測量激光輻射涂層及其基體材料的應力變化規律，進行界面結合狀態的檢測診析。在涂層從基體脫粘時，結合界面的正應力、剪應力和剝離應力發生顯著變化。涂層從基體脫粘前后的界面應力變化量，結合涂層材料的物性參數和涂層-基體系統溫度場參數，用應力值來表征涂層界面結合強度。
其工作過程YAG激光7通過入射光路系統直接輻射涂層試樣4的表面，通過激光電源20及控制器19使激光能量連續增加，同時通過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，同時控制器19使工作臺試樣夾具系統作進給運動，使激光在涂層表面產生劃痕，直至涂層基體界面破壞。在激光作用于涂層-基體系統時，激光作用的中心點殘余應力值會發生相應的變化，在涂層脫粘失穩時殘余應力發生突變，以殘余應力峰值發生突變的點作為界面破壞臨界點，以該點殘余應力作為界面結合強度表征參數。X射線應力分析儀16檢測涂層應力參數，輸入激光束參數檢測信號檢測診析系統，采用此刻殘余應力值來表征涂層界面結合強度。
XRD檢測涂層結合強度的特點(1)利用XRD法測得的是準靜態結合強度，即工程界面結合強度，這與膜基系統靜態、準靜態工作環境相一致，便于工程應用；(2)簡化了臨界載荷的影響因素，測量結果主要影響因素有界面結合狀況、激光參數、膜基系統物性參數等；(3)非接觸測量，無機械力和摩擦作用，膜基系統彈塑性變形小，測量結果較劃痕法更能反映界面結合狀況和結合質量，可實現表面涂層制備過程中實時在線檢測。
權利要求
1.基于XRD的涂層界面結合強度檢測方法，其特征在于將YAG激光束作為外部驅動源，作用于在涂層表面，在激光輻射點周圍形成一定的溫度梯度，控制輻射時間、功率等激光參數，利用XRD對結合界面殘余應力進行測量，測量膜-基界面分離點的界面殘余應力，建立界面結合強度與涂層的殘余應力與激光束參數以及涂層材料的物性參數之間的定量關系，表征涂層界面結合強度。
2.基于XRD的涂層界面結合強度檢測裝置，其特征在于包括入射光路系統、工作臺與試樣夾具系統、激光束參數檢測信號檢測診析系統、X射線應力分析儀組成數據處理系統，其中入射光路系統，由經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，包括數控工作臺(15)及放置其上的涂層試樣(14)、控制器(19)，控制器(19)分別與數控工作臺(15)及激光電源(20)相連；激光束參數檢測信號檢測診析系統，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)和其發出的探測光束(17)組成；X射線應力分析儀組成數據處理系統，包括計算機(1)、示波器(5)、X射線應力分析儀(16)，其中示波器(5)一端與計算機(1)相連，另一端與光電二極管(8)相連，X射線應力分析儀(16)分別與控制器(19)、涂層試樣(14)相連。
全文摘要
本發明涉及基于XRD的涂層界面結合強度檢測方法和裝置，特指一種采用XRD檢測涂層結結合強度的方法和裝置，屬于光學檢測技術領域。本方法提出的裝置包括YAG激光器組成入射光路系統、工作臺與試件夾具系統、激光束參數檢測信號檢測診析系統、由計算機和X射線應力分析儀組成數據處理系統等。本發明的基本原理是利用激光的熱效應作用于涂層表面，產生一個熱耦合的梯度溫度場，使涂層結合界面殘余應力發生變化，用殘余應力來表征界面的結合強度。涂層表面的溫度是通過控制激光功率、光斑直徑、作用時間來實現。
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 優先權日2006年12月11日
發明者張永康, 孔德軍, 魯金忠, 馮愛新, 任旭東 申請人:江蘇大學