способ определения толщины покрытия детали

Формула изобретения

Способ определения толщины покрытия детали, заключающийся в том, что в детали возбуждают ультразвуковые колебания, принимают отраженные колебания, значения которых сравнивают со значениями эталонного образца, отличающийся тем, что возбуждение и прием колебаний осуществляют несколько раз, причем каждое возбуждение и прием колебаний проводят при температуре детали, отличной от ее температуры при других возбуждениях и приемах колебаний, определяют коэффициент затухания колебаний и внутреннее трение в детали после каждого возбуждения колебаний, а о толщине покрытия судят по отношению площадей спектров внутреннего трения детали и эталонного образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины сверхтонких (мономолекулярных) покрытий, полученных плазменным напылением, микродуговой или химико-термической обработкой.

Известен ультразвуковой способ измерения толщины покрытия изделий, согласно которому на изделие, со стороны покрытия устанавливают излучатель ультразвуковых колебаний, возбуждают излучателем в изделии ультразвуковой импульс с широким спектром частот, принимают отраженные сигналы, анализируют спектр эхо-сигналов и по изменениям параметра спектра судят о толщине покрытия, причем между излучателем и покрытием располагают слой материала с волновым сопротивлением, равным отношению квадрата волнового сопротивления к волновому сопротивлению изделия, выделяют эхо-сигнал, отраженный от поверхности покрытия, и по первому частотному минимуму огибающей частотного спектра судят о толщине измеряемого покрытия, которую определяют из выражения:



где d - толщина измеряемого покрытия;

с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в измеряемом покрытии;

f - частота первого минимума энергетического спектра эхо-сигнала, отраженного от поверхности покрытия;

- угол распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии.

(см. а.с. СССР 868351, кл. G 01 В 17/02, 1981 г.).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что он характеризуется невысокой точностью определения толщины покрытия и ограниченным интервалом измерений, обусловленными необходимостью весьма точного подбора звукопроводящего слоя с жестко заданной величиной волнового сопротивления, причем точность измерения покрытия падает с уменьшением толщины последнего.

Известен способ измерения толщины слоя в многослойном изделии, согласно которому в изделии возбуждают ультразвуковые колебания, принимают отраженные сигналы, анализируют параметры амплитудного спектра этих сигналов и учитывают их при расчете толщины слоя, причем дополнительно измеряют разности частот между ближайшими максимумами коэффициента отражения принятых сигналов и определяют толщину слоя из выражения:



где и - коэффициенты, определяемые по эталонным образцам;

t - полная толщина измеряемой детали;

f - разность частот между ближайшими максимумами коэффициента отражения

(см. а. с. СССР 938014, кл. G 01 В 17/02, 1982 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что он характеризуется, как и описанный выше, невысокой точностью измерения, особенно в области тонких и сверхтонких слоев, сложностью подготовки образцов к измерениям, значительной трудоемкостью измерений и обработки их результатов. При использовании данного способа минимально возможная измеряемая толщина покрытия не превышает 10-50 мкм, что существенно снижает область его использования.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение определения толщины тонких и сверхтонких (мономолекулярных) покрытий, а также снижение трудоемкости проведения работ.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины покрытия детали, заключающемся в том, что в детали возбуждают ультразвуковые колебания, принимают отраженные колебания, значения которых сравнивают со значениями эталонного образца, новым является то, что возбуждение и прием колебаний осуществляют несколько раз, причем каждое возбуждение и прием колебаний проводят при температуре детали, отличной от ее температуры при других возбуждениях и приемах колебаний, определяют коэффициент затухания колебаний и внутреннее трение в детали после каждого возбуждения колебаний, а о толщине покрытия судят по отношению площадей спектров внутреннего трения детали и эталонного образца.

Использование для определения толщины покрытия такой величины, как коэффициент затухания колебаний в деталях, определение на его основе внутреннего трения деталей с покрытием и в эталонных образцах и сравнение их площадей спектров внутреннего трения, полученных при разных температурах, позволяет получить более полную и более точную информацию о толщине покрытия детали, так как оценка толщины покрытия производится по температурной зависимости внутреннего трения (в интервале температур), которая характеризуется значимыми изменениями амплитудных значений этой величины и фона внутреннего трения. Различия в величинах коэффициентов затухания (или значениях внутреннего трения), измеренных при температурах 20-30^oС на образцах с покрытиями и без них - несущественны, что резко снижает точность. Применение в качестве критерия, по которому судят о толщине покрытия, величины площади спектра внутреннего трения позволяет увеличить точность оценки, поскольку исключает случайные ошибки, связанные с измерением амплитуд одиночных импульсов. Это дает основание считать изложенные отличительные признаки изобретения существенными.

Способ определения толщины покрытия детали осуществляют следующим образом.

Физически способ основан на том, что нанесение покрытия на поверхность любого материала изменяет характеристики процессов диссипации энергии, определяемых по положению кривых фона и пиков внутреннего трения () в зависимости от температуры детали (образца, изделия). Интегральной характеристикой изменений в состоянии детали, учитывающей в ней прохождение многих процессов релаксационного типа, является площадь спектра внутреннего трения, определяемая в интервале температур детали (образца).

Способ может быть реализован на установке, содержащей: элементы фиксации детали или эталонного образца; устройства нагрева детали (образца) и измерения ее (его) температуры, механизм возбуждения в детали (образце) затухающих ультразвуковых крутильных колебаний; управляющую ЭВМ и печатающее устройство.

Деталь устанавливают в элементах фиксации установки, нагревают ее до заданной температуры, возбуждают в детали ультразвуковые затухающие крутильные колебания и принимают отраженные затухающие колебания. При приеме колебаний определяют коэффициент их затухания, а по коэффициенту затухания - внутреннее трение детали при прохождении в ней затухающих колебаний. Значения коэффициента затухания и внутреннего трения обрабатываются в ЭВМ. Далее цикл повторяется, но уже при другом фиксированном значении температуры детали. Далее цикл повторяется несколько раз. Количество циклов возбуждения и приема колебаний при различных фиксированных значениях температуры может быть различным и зависит, как правило, от ряда факторов: требований к точности определения толщины покрытий, толщины покрытия, материала детали и покрытия и т.д.

Описанные выше циклы проводят на деталях с покрытиями и эталонных образцах (например, деталях без покрытий).

Результаты измерений коэффициентов затухания колебаний и внутреннего трения детали и образца обрабатываются в ЭВМ, в которой осуществляется определение площадей спектров внутреннего трения детали и сравнение их с площадями спектров внутреннего трения эталонного образца. О толщине покрытия судят по отношению площадей спектров внутреннего трения детали и эталонного образца.

Значения внутреннего трения эталонного образца (это может быть деталь без нанесенного на нее покрытия) могут быть определены заранее для каждого значения температуры и занесены в ЭВМ. В данном случае исследованиям подвергаются только детали с покрытием, определение толщины которого определяется ЭВМ с учетом заложенных данных эталонного образца. Результаты работы могут быть выведены на печатающее устройство.

Пример осуществления способа.

Производили определение толщины многослойных мономолекулярных покрытий, нанесенных на плоские образцы молибдена, размером 3,050,00,3 мм. Толщину покрытия (d) (суспензии, содержащей наночастицы алмаза) варьировали путем изменения количества слоев от 10 до 50, что соответствовало значениям d= (1-3)10^-3 мкм.

Измерение коэффициента затухания колебаний (тангенса угла механических потерь) производили на серийно выпускаемой установке типа "крутильный маятник" в диапазоне температур 20-400^oC с шагом измерений по температуре 5^oС. По результатам измерений на деталях и эталонных образцах (деталях без покрытий) устанавливали температурные зависимости внутреннего трения, определяли площадь спектров внутреннего трения и определяли толщину покрытия.

На фиг. 1 представлены температурные зависимости внутреннего трения () (спектры внутреннего трения) образцов молибдена с наноалмазными покрытиями и без покрытия, используемые для определения площадей спектров внутреннего трения (кривая 1 - образец без покрытия, кривые 2 и 3 - образцы с покрытиями, причем d<d).1) и образца с покрытием (F₂), то есть (F₁/F₂) и толщины покрытия d10^-3 мкм.

Разброс значений площадей спектров внутреннего трения, а следовательно, ошибки в определении толщины покрытия не превышает 10%.

Эффективность способа заключается в том, что он обеспечивает возможность определения толщины сверхтонких покрытий на стандартном оборудовании, с достаточной для практики точностью, с невысокими трудозатратами и с возможностью автоматизации процесса определения толщины покрытия.