Спосіб вимірювання зчеплення покриття з підкладкою

Даний винахід відноситься до способу вимірювання зчеплення покриття з підкладкою, і зокрема металевого покриття, нанесеного на металеву підкладку. Зчеплення покриття з підкладкою може бути визначене з використанням зразків для випробувань (зразків, що випробовуються), виконаних у вигляді дисків з того ж матеріалу, з якого зроблена підкладка, і які мають покриття на одній зі своїх сторін. Ці диски прикріплюють за допомогою зв'язуючого на контрольних зразках, закріплених в затисках установки по випробуванню міцності на розрив. Вимірювання зчеплення покриття потім супроводжують механічним вимірюванням зусилля, необхідного для відриву покриття від підкладки. Однак спостерігаються значні розходження в значеннях межі міцності на розрив, що вимірюється на однакових зразках, які випробовуються, і це говорить про те, що використовуваний спосіб випробування вносить погрішності, які є досить значними для того, щоб поставити під сумнів достовірність цих випробувань. Існує імовірність того, що місце з'єднання за допомогою зв'язуючого відповідає за нерівномірність передачі розтяжного зусилля-через випробовувану зборку, однак цей недолік неможливо усун ути навіть при найретельнішому виконанні прикріплення за допомогою зв'язуючого. Більш того оскільки деякі покриття типу карбіду вольфраму забезпечують більш міцне зчеплення, ніж зчеплення використовуваного зв'язуючого, то ці випробування вимірюють фактично межу міцності зв'язуючого, а не покриття. Патент на ім'я заявника даного винаходу [№ ЕР 1130391] описує спосіб вимірювання зчеплення покриття з підкладкою за допомогою ультразвуковим хвиль, в якому використовується перетворювач, окремий від вимірюваного зразка і занурений разом зі зразком в місткість, заповнену водою. Цей відомий спосіб може бути застосований тільки до зразків для випробувань, оскільки звичайно немає можливості занурювати в заповнену водою місткість реальну велику деталь. Його також неможливо .застосовувати до пористих покриттів, які абсорбують воду з місткості за рахунок капілярного ефекту, що робить вимірювання неефективними. Крім цього, в даному відомому способі є істотним, щоб перетворювач був орієнтований під прямим кутом до вимірюваного зразка для випробувань, оскільки будь-яке відхилення від цієї ортогональної орієнтації викликає розсіяння хвилі у воді і спотворює вимірювання. Одна із задач даного винаходу полягає в розв'язанні цих проблем за допомогою способу, який може бути використаний, зокрема, для отримання in situ (тобто на місці) оцінки зчеплення покриття підкладки або будь-якої деталі з використанням ультразвукових хвиль. Ця задача вирішується за допомогою способу вимірювання зчеплення покриття з підкладкою, який полягає в тому, що надсилають ультразвукові хвилі за допомогою перетворювача до підкладки і покриття, збирають (сприймають) ряд луна-сигналів, виникаючих в результаті відбивання ультразвукових хвиль на поверхнях підкладки і покриття, і обчислюють відношення амплітуд дво х послідовних луна-сигналів, причому згадане вимірювання виконують в повітрі, а спосіб також полягає в тому, що перетворювач прикладають до підкладки за допомогою тонкої плівки гелю, обчислюють добротність покриття (показник якості покриття), виражену відношенням між амплітудами луна-сигналів, пов'язаних з першими двома відбиваннями на межі поділу підкладка/покриття після проходження через підкладку або на межі поділу покриття/повітря після проходження через підкладку і покриття, і визначають зчеплення покриття виходячи з функції кореляції між добротністю і механічним напруженням руйнування покриття, отриманим заздалегідь шляхом механічних випробувань на калібрувальних випробувальних зразках. Спосіб, що заявляється в даному винаході, може бути застосований до всіх типів деталей і покриттів. Зокрема, він може бути використаний для виконання вимірювань in situ на будь-яких маючих покриття деталях і на пористих покриттях. Якщо акустичний імпеданс підкладки є високим в порівнянні з акустичним імпедансом покриття, то ультразвукова хвиля відбивається межею поділу підкладка-покриття. Якщо акустичні імпеданси підкладки і покриття є схожими, то ультразвукова хвиля проходить через цю межу поділу і покриття і відбивається межею поділу покриття-повітря. Спосіб, що заявляється в даному винаході, може бути використаний для повторення вимірювань in situ через регулярні або нерегулярні проміжки часу з тим, щоб контролювати (відстежувати) тенденцію зміни (тобто тренд) якості зчеплення покриття з деталлю у часі. Ще одна перевага способу, що заявляється в даному винаході, полягає у визначенні якості місця з'єднання (зв'язку) підкладки-покриття і якості структури покриття. Загалом, основна перевага даного винаходу полягає в тому, що він забезпечує можливість швидких вимірювань in situ маючих покриття деталей, без розбирання і без занурення цих деталей. Інші переваги і ознаки даного, винаходу стан уть очевидними при вивченні опису, що приводиться нижче як необмежуючий суть прикладу з посиланням на прикладені креслення, на яких: Фіг.1 являє собою схематичний вигляд пристрою, який використовується для здійснення способу, що заявляється в даному винаході; Фіг.2 являє собою схематичні вигляди пристрою, що використовується згідно з одним з варіантів втілення даного винаходу; Фіг.3 і 4 являють собою схематичні вигляди, що ілюструють два режими відбивання ультразвуку; Фіг.5 показує криву луна-сигналу, о триману за допомогою згаданого способу; Фіг.6 являє собою схематичний вигляд, що ілюстр ує механічне випробування межі міцності на розрив; Фіг.7 показує криву кореляції між механічним напруженням руйнування і добротністю. На Фіг.1 посилальна позиція 1 означає підкладку, виконану з будь-якого матеріалу, а посилальна позиція 2 означає покриття, нанесене на цю підкладку. Звичайно підкладка і покриття є металевими. Покриття 2 було отримане таким способом, як плазмене напилення, для якого вимірювання зчеплення мають велику важливість по причині структурної нерівномірності покриття 2 і, як наслідок, по причині його крихкості (неміцності). Покриття 2 є набагато більш тонким, ніж підкладка 1. Перетворювач 3, що генерує подовжню ультразвукову хвилю, прикладають до підкладки на тій її стороні, яка протилежна покриттю 2. Перетворювач 3 зв'язаний із засобом 4 управління, таким як мікрокомп'ютер, з осцилографом 5 і з генератором 6 імпульсів. Для покращення контакту між перетворювачем і поверхнею, до якої його прикладають, між ними розташовують тонку плівку 7 гелю з товщиною приблизно 10мкм. Перетворювач 3 надсилає подовжню ультразвукову хвилю і також діє як приймач. Осцилограф 5 реєструє і відбиває луна-сигнали, зібрані (сприйняті) перетворювачем 3, і використовується для їх аналізу згідно з описом, що приводиться нижче. Фіг.2 ілюструє варіант згаданого пристрою, в якому використовують два перетворювачі 3, 3’. Перший перетворювач 3 встановлений таким же чином, як вказано вище, і виконаний з можливістю надсилання ультразвукових хвиль, в той час як другий перетворювач 3', що знаходиться в контакті з вільною нижньою поверхнею покриття 2, діє як приймач, при цьому перший перетворювач 3 сполучений із засобом 4 управління і з генератором 6 імпульсів, а другий перетворювач 3’ сполучений з осцилографом 5. У цьому варіанті вимірювання здійснюють не за відбиваннями ультразвукової хвилі, а за пропусканнями через покриття 2. Якщо акустичні імпеданси підкладки 1 і покриття 2 значно відрізняються один від одного, то згенерована перетворювачем 3 ультразвукова хвиля відбивається на межі поділу підкладка 1/покриття 2, і, навпаки, якщо акустичні імпеданси є схожими, то згенерована перетворювачем 3 ультразвукова хвиля проходить через покриття 2 і відбивається на межі поділу покриття 2/повітря. Фіг.3 і 4 ілюструють відповідні режими відбивання ультразвукових хвиль згаданими межами поділу, причому напрям хвилі для більшої ясності показаний діагональним. Ультразвукові хвилі, що приймаються і надсилаються, в дійсності направлені перпендикулярно до верхньої поверхні підкладки 1, причому діагональне представлення дане для спрощення креслення і Спрощення пояснення, при цьому принцип вимірювання залишається незмінним. Згідно з Фіг.3, хвиля, надіслана перетворювачем 3, прикладеним до поверхні підкладки 1, представлена лінією L1. Оскільки контакт забезпечується дуже тонкою плівкою 7 гелю, то та частина хвилі, яка відбивається верхньою поверхнею підкладки 1, є такою, що не виявляється. Оскільки акустичні імпеданси підкладки 1 і покриття 2 є різними, ультразвукова хвиля, що пройшла через підкладку 1, відбивається на межі поділу підкладка 1/покриття 2 і рухається вздовж лінії L2. Ультразвукова хвиля, що проходить через підкладку вздовж лінії L2, частково пропускається назовні вздовж лінії L3 і утворює «перший луна-сигнал», і, частково відбившись на межі поділу підкладка 1/повітря, проходить назад через підкладку 1 вздовж лінії L 4 і знов частково відбивається вздовж лінії L5 на межі поділу підкладка 1/покриття 2. Ультразвукова хвиля, яка поширюється вздовж лінії L5, частково пропускається назовні через межу поділу підкладка 1/повітря вздовж лінії L6 і утворює «другий лунасигнал». Згідно з Фіг.4, акустичні імпеданси підкладки 1 і покриття 2 один від одного дуже не відрізняються, і хвиля, надіслана перетворювачем 3 вздовж лінії L1’, проходить через підкладку 1 і покриття 2 і відбивається вздовж лінії L2' межею поділу покриття 2/повітря. Хвиля, відбита вздовж лінії L2', частково пропускається («перший луна-сигнал») і частково відбивається відповідно вздовж ліній L3' і L4' згідно з вищевикладеним. Відбита вздовж лінії L 4' хвиля знов частково відбивається межею поділу покриття 2/повітря вздовж лінії L5'. Частина цієї відбитої хвилі пропускається вздовж лінії L6' через межу поділу підкладка 1/повітря і утворює «другий луна-сигнал». Лінії L2, L4, L5 і L2', L4', L5', що проходять через підкладку 1, мають однакову довжину, хоч послідовні луна-сигнали, що досягають перетворювача 3 вздовж ліній L3, L6 і L3', L6', відділені один від одного рівними часовими інтервалами, відповідними двократному часу проходження ультразвукових хвиль через товщину х1 підкладки 1 і через товщину х1+х2 підкладки 1 і покриття 2. Спосіб, що заявляється в даному винаході, полягає у вимірюванні амплітуд перших двох послідовних луна-сигналів хвилі, надісланої перетворювачем 3, причому ці два луна-сигнали позначені посилальними позиціями 8 і 9 на діаграмі за Фіг.5, яка демонструє тенденцію зміни амплітуди луна-сигналів з часом . Добротність покриття визначають як відношення амплітуд у1 і у2 перших двох луна-сигналів. Для тієї деталі, у якої акустичні імпеданси підкладки і покриття є схожими, іншими словами, у разі відбивання на межі поділу покриття 2/повітря, добротність покриття виражена як: Q= y1 e2a1x1 e2 a2 x2 = × y2 r1cc t12 t 21 Для тієї деталі, у якої акустичні імпеданси підкладки 1 і покриття 2 значно відрізняються один від одного, іншими словами, у випадку відбивання на межі поділу підкладка 1/покриття 2, добротність покриття виражена як: Q= y1' e2a1x1 1 = × y2' r1cc r12 У цих виразах a 1 і a 2 являють собою коефіцієнти загасання (ослаблення) ультразвукових хвиль відповідно в підкладці 1 і покритті 2; t 12 і t21 являють собою амплітудні коефіцієнти пропускання відповідно від підкладки 1 до покриття 2 і від покриття 2 до підкладки 1; а r1сс і r12 являють собою амплітудні коефіцієнти відбивання відповідно на межі поділу підкладка 1/тонка плівка 7 і на межі поділу підкладка 1/покриття 2. Добротність Q включає в себе перший член, який характеризує властивості підкладки 1, і другий член, який характеризує структурн у якість покриття 2 за допомогою величини е2a2х2 і якість його зв'язку з підкладкою 1 за допомогою величини t12t 21. Аналогічно, добротність Q' включає в себе перший член, який характеризує властивості підкладки 1, і другий член, який характеризує якість зв'язку покриття 2 з підкладкою 1 за допомогою коефіцієнта r12. Було встановлено, що коефіцієнт відбивання r1сс між підкладкою 1 і тонкою плівкою 7 гелю дорівнює коефіцієнту відбивання між підкладкою 1 і водою, і що це може бути визначене експериментально. Це означає, що властивості матеріалу, що використовується для формування тонкої плівки 7, можна не брати до уваги при розрахунку добротності. Встановлена кореляція між добротністю і зчепленням покриття 2 за допомогою механічних вимірювань на калібрувальних випробувальних зразках, які здійснювали таким чином. Ці випробувальні зразки являли собою диски того ж типу, що і деталі, на які повинно бути нанесене покриття, і мали, наприклад, діаметр в один дюйм (25,4 міліметри) і товщину в шість міліметрів; диски розташовували замість покривних деталей і наносили на них те ж покриття 2, що і на ці деталі. Потім, згідно зі схематичним зображенням на Фіг.6, кожний диск 10 зв'язували з двома контрольними зразками 11, 12 з використанням високоміцного клею 13, таким як FM1000, що випускається компанією American Cyanamid. Два контрольних зразки закріпляли в захвата х або затискних кулачках 14 установки по випробуваннях міцності на розрив. Швидкість підвищення навантаження на диск 10 була постійною, наприклад - 0,8МПа/с, що відповідає зміщенню величиною 1 міліметр на хвилину. Зчеплення покриття 2 з підкладкою 1 вимірювали як зусилля, потрібне для відділення його від підкладки 1. Механічне напруження руйнування (відриву) s є відношенням максимального зусилля розтягнення, що досягається на тій ділянці поверхні, на якій нанесене покриття 2. Фіг.7 являє собою криву, що показує зміну механічного напруження руйнування s в МПа в залежності від добротності Q, виміряної на частоті 5МГц у разі 17%-го вольфрамкарбідного (WC) покриття 2 на підкладці 1 з Z12C13. Можна бачити, що в цьому випадку добротність Q зростає зі зменшенням s. У інших випадках, таких як, наприклад, у випадку покриття 5% NiAl на підкладці з Z12C13, добротність Q', виміряна на частоті 10МГц, змінюється в тому ж напрямі, що і механічне напруження руйнування s, і зростає зі збільшенням зчеплення покриття 2 з підкладкою 1. Тому для кожного тину покриття 2 і підкладки 1 можна вивести калібрувальну криву добротності Q або Q' за результатами випробувань міцності на розрив, виконаної на випробувальних зразках, і потім безпосередньо виміряти добротність Q або Q' на маючих покриття деталях, що дозволяє встановити якість зчеплення покриття 2 з деталлю in situ протягом декількох хвилин. Таким чином, забезпечується можливість перевірки якості покриття 2 і можливість контролювання тенденції в зміні цієї якості з плином часу, оскільки вимірювання добротності можуть бути повторені через задані проміжки часу. Мінливість (непостійність) вимірювань добротності є низькою в порівнянні з випробуваннями міцності на розрив, і тому ці вимірювання з хорошою мірою достовірності характеризують зчеплення покриття. Більш того винахід також може бути використаний для оцінки якості зчеплення пористого покриття і якості зчеплення покриттів, механічні напруження руйнування яких перевищують напруження руйнування клею, що використовується для зв'язування випробувальних зразків при випробуваннях міцності на розрив.