[发明专利]基于界面断裂韧性评价涂层结合强度的集成设备及检测方法

摘要

一种基于界面断裂韧性评价涂层结合强度的集成设备及检测方法，属于材料表面工程技术领域。该设备采用计算机控制四个功能模块操作，包括超声检测模块、硬度测试模块、连续压入测试模块、界面裂纹检测模块，通过人机交互软件系统集成处理各功能模块的数据采集与传输、界面压入力学模型分析运算以及数据显示与输出，通过涂层与基体弹性模量超声无损测量和涂层‑基体界面连续压入测试，在一套设备中完成界面断裂韧性公式所有参量的定量检测，获得涂层‑基体界面开裂的临界载荷PC及其对应的界面断裂韧性Kca。本发明设备与检测原理清晰，模块化设计有利于力学模型库更新与扩充，检测试样制备简便。 1

主权项

1.一种基于界面断裂韧性评价涂层结合强度的集成设备，由超声检测模块(1)、硬度测试模块(2)、连续压入测试模块(3)、界面裂纹检测模块(4)四个功能模块构成，所有功能模块均与一台计算机主机(5)连接，通过主机的人机交互软件系统(6)实现涂层结合强度定量检测过程的计算机控制和各模块数据传输及集中处理，实现涂层结合强度的检测：1)超声检测模块执行涂层与基体弹性模量的测量，包括水浸聚焦超声波探头、试样测试台架、计算机扩展接口及连线、超声波检测分析程序；2)硬度测试模块执行涂层与基体硬度、以及由涂层和基体硬度共同决定的界面名义硬度的测量，包括维氏硬度计、计算机扩展接口及连线、硬度压痕数字化成像系统、硬度测试控制程序；3)连续压入测试模块执行自动控制的界面连续载荷压入测试，包括与硬度测试模块共用的维氏硬度计、计算机扩展接口及连线、声发射信号反馈连续加载系统、连续加载压入测试控制程序；4)界面裂纹检测模块执行涂层‑基体界面的压痕裂纹长度检测，压痕裂纹数字化成像分析软件对界面压痕裂纹长度进行自动与手动模式测量；5)通过主机的人机交互软件系统集成上述所有模块功能的控制界面，实时监测、控制、记录存储和显示各个模块的过程数据、时间相关曲线，集中处理测量参量，进行界面压入测试力学模型分析运算，获得涂层‑基体界面开裂的临界载荷PC及对应的界面断裂韧性Kca，通过软件界面显示和打印机输出数据与曲线图表；6)设备硬件及控制软件具有升级扩展功能，对各模块控制软件的公式、参数、系数进行编程升级，满足不同类型压头更换、界面断裂韧性力学模型库更新与扩充需求；所述超声检测模块采用有效频带宽度20‑30MHz范围内的单个水浸聚焦超声波探头，检测涂层试样和基体试样中的超声界面回波信号，通过超声波检测分析程序处理获得横波声速c_t和纵波声速c_l的数值，结合常规几何测量与称重法或阿基米德法、或金相法测量试样密度ρ₀值，采用弹性模量推导公式分别获得涂层、基体的材料弹性模量；其特征在于：所述连续压入测试模块，采用维氏硬度计通用的金刚石压头(14)，连续加载系统的最大载荷为20kg；采用可更换的压头夹持机构，依据界面断裂韧性力学模型库扩展而更换其它标准或非标准的测试压头；采用双声发射传感器检测电路提高声信号检测的精确度和灵敏度，连续压入测试时裂纹形成与扩展的声信号由一号声发射传感器(7)、二号声发射传感器(8)拾取转化成电信号，通过一号前置放大器(9)、二号前置放大器(10)放大，再由差动放大器(11)消除环境噪声和放大裂纹形成扩展的有用信号，最后通过整形及脉冲输出电路(12)输出裂纹形成与扩展开裂的脉冲信号(13)作为反馈控制信号；通过软件预先设置连续加载速度和加载停止延迟时间参数，压头压入试样测试台(18)上放置的涂层试样(17)并在涂层‑基体界面压痕尖端形成裂纹和扩展时，安装在力传感与加载单元(15)上的双声发射传感器检测单元(16)检测并反馈控制信号至人机交互软件系统，根据预设的加载停止延迟时间参数停止压入并记录停止时刻的压入载荷值，对同一试样进行多点界面压入测试，获得一组不同裂纹长度a与载荷P相应变化的数据点。