Патент на изобретение №2330264

(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий к подложкам. Технический результат направлен на расширение функциональных возможностей контроля прочности сцепления. Способ неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий заключается в том, что поверхность покрытия нагревают и определяют параметр, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой. Причем 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. 6 ил.

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.

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.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.12.2008

Извещение опубликовано: 10.08.2010 БИ: 22/2010