[发明专利]一种基于优选法的涂层界面结合状况快速检测方法

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—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—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：