[发明专利]一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法

说明书

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，特指一种膜基界面和涂层界面结合强度检测的激光划痕装置，采用光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点。

发明背景

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。江苏大学的冯爱新，张永康，周明，谢华琨，蔡兰利用准静态激光划痕界测量面结合强度并申请专利：界面结合强度的准静态激光划痕测量方法及装置，申请号：02138512；其特征在于以长脉冲红外激光束对薄膜试件表面的准静态加热使薄膜产生剥落，激光束在薄膜表面形成划痕，检测信号传输到信号采集检测系统进行检测判断。该方法较之传统的接触式划痕具有划痕机制明确、可对试样进行直接检测、非接触测量、适用面广等优点，但也同样存在诸如：设备装置较为繁琐，且不能建立完整的激光功率与膜基强度间的关系，对膜基界面失效破坏临界位置无法作出精准判定等问题。

光功率计技术是一项前途广阔的高新技术，利用光功率计进行检测具有如下优点：

1.不受客观环境影响。光功率计主要是通过采集光强度数值来进行分析，不受声波、温度等客观因素影响，从而可以准确记录划痕过程中激光对试件表面的准静态加载过程。

2.显示方式直观。光功率计采集的光强度数值可以通过数据接口实时与计算机通讯，并且将反馈的数据自动绘成曲线，显示方式直观，便于操作者观察分析。

发明内容

本发明目的是要提供一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法，通过光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点，用临界点所对应的激光功率参数来表征界面结合强度。对典型膜基系统进行检测，建立一种研究检测涂层结合强度实验方法。

该方法所涉及的系统由划痕系统、试件夹具系统、工作台系统、检测系统、控制系统和支架组成，其特征在于：还包括光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点。

其中，所述划痕系统包括有半导体激光器、激光扩束准直系统、反射镜、汇聚透镜，其中，激光扩束准直系统位于激光器出光口部位，反射镜在激光扩束准直系统和汇聚透镜之间。

其中，所述试件夹具系统包括有试件和夹具，其中，试件由夹具装夹在工作台上，试件位于汇聚透镜的正下方。

其中，所述工作台系统包括有一维电控平移台X、一维电控平移台Z、二维电控平移台，其中，所述反射镜安装在一维电控平移台X上，所述汇聚透镜安装在一维电控平移台Z上，所述试件夹具系统安装在二维电控平移台上。工作台均由支架承载。

其中，所述检测系统设有功率计、显微镜、CCD成像系统，与工控机相连，分布于试样的四周。

其中，所述控制系统包括有半导体激光器电源及其控制、运动控制卡、工控机和伺服电机，其中，半导体激光器电源及其控制在半导体激光器和工控机之间，运动控制卡在二维电控平移工作台和工控机之间，伺服电机安装在一维电控平移台和二维电平移台上。

本发明实施过程如下：

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，加载的同时采用光功率计检测加载点处反射光强度。由于加载的激光能量和功率计采集的反射光强度数值在薄膜未破坏时以同等斜率线性递增(如图4所示，激光强度直线的0～b段，反射光强度曲线的a～b段)，即激光强度P_I＝Kt，反射光强度P_R1＝Kt-A，其中K、A＞0均为常数；随着膜的破坏，表面变得粗糙，反射率减小，此时反射光强度为P_R2＝K₁t-A，K₁小于K，并随薄膜的破坏不断减小(图4中反射光强度曲线的b～c段)，当界面破坏时，反射率及检测到的反射光强度突然下降，即反射光强度的斜率曲线(K₁-t)曲线发生阶跃，则曲线拐点为膜基界面破坏的判据，是界面破坏的临界点。