专利名称：一种基于优选法的涂层界面结合状况快速检测方法
技术领域：
本发明装置涉及激光检测与材料性能检测技术领域，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。
背景技术：
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，是华罗庚发明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。
发明内容
本发明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[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[a，gl]，如果该点涂层没有被破坏则下一次试验范围为[gl，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，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。
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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，实现同一坐标系下的两轴联动。该系统以工控机26 为上位机，运动控制卡25为下位机，通过PCI总线实现工控机26与运动控制卡25之间的 通信。工控机26向运动控制卡25发出运动控制指令，并通过PCI总线获取运动控制器的 当前状态和相关控制参数。在检测系统中，功率计28与He-Ne激光器17配合起来一起使用，功率计28接收 从划痕试样表面反射过来的He-Ne激光束。功率计检测波长范围在400nm llOOnm之间， 可测功率范围在50nW 50mW之间。功率计将涂层表面的变化以数值形式检测得到且该数 值通过RS232接口与工控机实时通信。在人工监测系统中，采用CCD相机7作为激光划痕图片采集系统的采集�？椋苯� 输出数字信号到上位机。本图像采集系统总像素为795pixel X 596pixel (PAL制式)，扫描 系统为625线，50场/s (PAL制式)，信噪比为52dB (最小)/60dB (最大)。利用摄像机将拍 摄到的激光划痕图像通过数据线直接存储到上位工控机。2、软件开发针对激光划痕装置的硬件系统，设计开发出一套适用于激光划痕检测的自动控制 软件系统。按照自动划痕、自动检测、方便控制等要求设计整个系统能，遵循了先�？榛� 集成化的设计开发思路。该激光划痕薄膜检测系统的软件开发包括YAG激光器�？椤⒐ぷ� 台控制�？楹徒缑娼岷献纯黾觳庹镂鱿低衬？槌绦蛏杓频热蟛糠�。这三大部分集成统一 设计在上位工控机人机界面里。控制软件采用Microsoft Visual C++平台开发。2. 1 YAG激光器模块根据集成化设计开发自动划痕及检测系统的思路，采用通讯协议自主开发控制软 件实现对激光器的自动控制。该激光器电源带有的通讯协议格式如下通信接口 485 ；波特率9600 ；奇偶校验无；数据位8 ；停止位1 ；控制指令和数据为16进制1.01，2b，00，00.(联机)2. 01，aa，00，55.(开预燃)3. 01，11，00，55.(预燃开成功上传)4. 01，55，Vlh，VII (放电电压)5. 01，a5，00，freq.(频率)6. 01，ee，00，55.(开工作)7. 01，ee，00，aa (停工作)8. 01，aa，00，aa (关预燃)
9.01，11，00，00.(预燃关成功上传)10.01，2b，0a，0a，Vlh，VII(故障)11.09，99，00，00 (下位机请求)利用Remon Spekrei jise提供的免费串口类CSerialPort，搭好串口通信框架， 完成串口编程任务。本系统的流程图如图6所示。首先进行初始化(41)如果没有进 行初始化则返回(43)并且结束(44)；如果已经进行初始化，检查输入功率最大值Nmax 和最小值Nmin (45)。接着判断Nmax-Nmin是否大于5 (46)如果值小于5采用for (n =Nmin ；n < = Nmax ；n++)进行循环(47)；如果值大于5则采用优选算法Noutput = Nmin+0. 618* (Nmax-Nmin) (48)。然后与测试系统(52)进行通信(51)对比失效数据库(50) 判断涂层是否失效(49)如果没有失效赋值Nmax = Nmax,Nmin = Noutput (52)；如果失效 则赋值 Nmax = Noutput、Nmin = Nmin (53)。系统的人机界面采用Visual C++开发，实现对象化设计，主要功能有控制单脉 冲激光输出；根据检测系统与库文件的对比确定下一点激光的输出功率；读取激光器系统 的信息反�。蛔远平坎闶с兄�。2.2工作台控制�？镸AC-3002SSP4运动控制卡配备了功能强大、内容丰富的运动控制函数库，包括单 轴及多轴的点位运动，连续运动，回原点运动，直线、圆弧、螺旋线插补运动。其中所有插补 运算完全在控制卡子系统中完成，从插补算法和运动函数的执行效率方面着手，提高了插 补精度、插补速度和实时性。使用支持Windows标准动态链接库调用的开发工具Visual C++编制所需的用户界面程序，并把它与运动控制卡的动态链接库链接起来，开发出有自主 知识产权的控制系统。控制系统的主要功能有单轴运动、两轴独立运动、两轴插补运动； x, y坐标显示；单步运行，回零；读取平移台位置信息反�。形灰撇钩サ取�2. 3界面结合状况检测诊析系统�？楦媚？橛杉觳庀低�、人工监测系统及失效档案库组成。检测系统通过功率计采集 涂层特征与失效档案库对比，根据特征信息、确定涂层状况。在试样没有被激光加载前， He-Ne激光器发出的光经样品表面反射全部由功率计接收；当试样被激光加载后，涂层表 面变得粗糙且凸凹不平、甚至涂层曲翘、开裂和脱落，照在其上的反射光方向和强度发生变 化。例如激光加载涂层，随着激光功率密度逐步变化，功率计采集的光强度数值通过RS232 接口实时与计算机通讯，系统程序根据功率计采集的数据在窗口绘出曲线，如图13所示。 图13中所有P点涂层均从基体剥离，其中P1为涂层首次出现失效。图13所示Q1为激光 对试样1涂层加载后未剥离的点。由此可知，该涂层激光加载时的显著特征为He-Ne激光 器发出的光在加载点处反射光功率值范围和曲线的拐点数。读PM120的检测数据，根据反 射光功率值和拐点个数判别涂层状况。人工监控是利用(XD拍摄激光划痕图像，对划痕检测过程实时监控。由敏通公司 自带图像采集软件WinFast PVR，实现对图像的实时拍摄。而且图像采集与处理软件制作比 较复杂，本专利编写的主控软件就直接调用它的执行文件，然后在主控软件中对需要使用 的图片进行图像预处理。WinFast PVR不但可以拍摄图片(50帧/秒)，而且可以拍摄视频 文件，为实时监控带来方便。本发明装置与界面结合强度的远紫外激光划痕测量装置(图1)进行对比有如下 变化在激光系统中将激光器由控制器控制改为由工控机直接控制；在运动控制系统中将由控制器和进给系统控制开环控制带进给系统的工作台改为由光栅传感器、数据采集卡和 运动控制卡组成的闭环系统；在检测系统中采用功率计放在样品被测区域(成像面)的一 侧，对应的另一侧放置可见光源，利用功率计检测涂层被激光加载后的形貌，根据采集的波 形图分析涂层的表面状况、提取出划痕后涂层的特征信息，将特征信息与失效数据库进行 对比，把涂层此时状况归属到某一已知的样板模式中去，并根据划痕状况预测状态趋势，简 化了检测装置。设计了专用软件智能化的实现了离散划痕任务。实施过程如下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；在该功率密度范围内激光单点加载，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。
本发明装置具体实施例的结构框图及
如下图1为界面结合强度的远紫外激光划痕测量方法所提供的测量装置的系统结构 配置示意图。(1)划痕激光器(2)激光器电源及控制(3)打印机(4)计算机(5)控制器(6) 进给系统控制(7)CCD摄像头(8)显微镜(9)光电二极管触发开关(10)双通道示波器 (11)带进给系统的工作台(12)夹具(13)试样(14)干涉仪(15)反射镜(16)聚焦镜 (17)检测激光器(18)含衰减器的导光系统(19)激光源参数采集系统(20)分光镜(21) 分光镜图2本发明所提供的测量装置的系统结构配置示意图(1)划痕激光器(2)激光器电源及控制(7)CCD摄像头(11)带进给系统的工作 台(12)夹具(13)试样(16)聚焦镜(17)检测激光器(23)光栅传感器(24)数据采集 卡(25)运动控制卡(26)工控机(27)反射镜(28)功率计图3离散划痕实施过程(1)划痕激光器(11)带进给系统的工作台(29)涂层未失效(30)涂层失效(31) 特征提取(32)失效数据库(33)离散划痕(34)检测系统(35)划痕特征信息(36)比较 (37)划痕情况(38)状态趋势(39)干预(40)人工监控图4优选法原理图5激光器系统控制流程图(41)初始化(42)是或不是(43)返回(44)结束(45)输入功率最大值Nmax和最 小值 Nmin (46)判断 Nmax-Nmin 是否大于 5 (47)采用 for (n = Nmin ；n <= Nmax ；n++)进 行循环(48)优选算法Noutput = Nmin+0. 618* (Nmax-Nmin) (49)涂层是否失效(50)测试 系统(51) ilff (52) Utft Nmax = Nmax ；Nmin = Noutput (53) Utft Nmax = NoutputNmin =Nmin图6脉冲激光对镀层试样进行加载(a)接近失效阈值点，(b)达到阈值点，(c)超 过失效阈值点的显微照片图7激光加载接近失效阈值检测点位置的三维形貌1
图8激光加载接近失效阈值检测点位置的三维形貌2图9激光加载达到阈值检测点位置的三维形貌1图10激光加载达到阈值检测点位置的三维形貌2图11激光加载超过失效阈值检测点位置的三维形貌1图12激光加载超过失效阈值检测点位置的三维形貌2图13离散划痕时试样采样点处反射的光强度(P)功率计采样取得反射光的功率密度(S)采样点。
具体实施方案长80mm，宽15mm，厚度1mm的马氏体不锈钢试样，试样表面采用氨基磺酸盐镀镍工 艺制备厚度约为25 y m的不锈钢防护涂层。如图2、图3所示，短脉冲激光束经激光器1直 接作用在试样13表面涂层上。试样13固定在二维平移台11的夹具12上)进行离散划痕 33，激光器功率可调且激光器和工作台由工控机26统一控制。激光起始功率为150MJ-激 光终止功率为1000MJ，调整好摄像机与样品的距离，将采集到的划痕图像送入计算机进行 实时存储，被实验操作者用于实时监控以供人工监控40。检测系统34的核心功率计28放 在样品被测区域(成像面)的一侧，对应的另一侧放置可见光源17，利用功率计检测涂层 被激光加载后的形貌，并根据采集到的波形图来分析涂层表面状况、提取出划痕后涂层的 特征信息35。(失效数据库是通过检测典型涂层失效29和30，并提取其特征信息31、确 立各类失效的样板模式，从而建立起失效数据库32。)将特征信息与失效数据库进行对比 36，并将涂层此时状况归属到某一已知的样板模式中去，并根据划痕状况预测状态趋势37 和38。工控机26根据以上参数经VC程序统一调用，对激光器1和工作台11进行干预39。 通过功率计结合CCD检测获得失效能量范围为878MJ-888MJ。在涂层失效的激光能量范围 878MJ-888MJ内通过采用脉冲激光对涂层进行单点单次加载，利用功率计检测涂层被激光 加载后的形貌，并根据采集到的波形图来分析涂层表面状况、提取出划痕后涂层的特征信 息35获得使涂层失效的激光能量。根据激光能量除以光斑面积得出涂层界面工程结合强 度破坏的临界点即在功率密度为12.006GW/cm2。如图6所示为镀层试件(a)接近失效阈值 点，(b)达到阈值点，(c)超过失效阈值点的显微照片。如图7、图8为激光加载接近失效阈 值检测点图7. a位置的三维形貌；如图9、图10为激光加载达到阈值检测点图7. b位置的三 维形貌；如图11、图12为激光加载超过失效阈值检测点图7. c位置的三维形貌。图13中离 散划痕时试样采样点处反射的光强度与图6对应则是Q3对应于图7. a ；PI对应于图7. b ； P2对应于图7. c。
权利要求
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P1。
2.权利要求1所述的快速检测方法，其特征在于步骤1中激光功率密度点的试验范 围采用激光器的最低功率为下限，激光器的最高功率为上限。
3.权利要求1所述的快速检测方法，其特征在于同一种涂层材料步骤1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。
4.权利要求1所述的快速检测方法，其特征在于步骤2中根据精度要求，在阈值点Pi 及之前接近失效的点Q3(Pi之前第一个点)之间再次细分，即在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。
全文摘要
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。
文档编号G01N19/04GK101876628SQ20101012498
公开日2010年11月3日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者冯爱新, 孙淮阳, 徐传超, 曹宇鹏 申请人:江苏大学
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