CN105241801A - 一种测量热障涂层气孔率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量热障涂层气孔率的方法，包括：制备热障涂层试样；对所述热障涂层试样进行截面扫描以得到原始扫描照片；将所述原始扫描照片导入到Matlab程序中转换为[0，1]矩阵；将转换后得到的[0，1]矩阵导入到Excel中，通过替换功能将0替换为设定值，得到所述设定值的方格的个数；用方格总个数除以矩阵的大小得到气孔率。本发明操作简单，结果准确，可信度高。

Description

一种测量热障涂层气孔率的方法

技术领域

本发明涉及热障涂层表征技术领域，具体地，涉及一种测量热障涂层气孔率的方法。

背景技术

热障涂层材料是一种很重要的陶瓷涂层材料，它通常涂覆在高温合金基体表面上对高温合金起到隔热，耐高温腐蚀，抗氧化等作用，被广泛应用在航空发动机，涡轮机，汽轮机叶片上。对于具有现代化远程空间作业能力的大飞机来说，发动机是制约其发展的一个瓶颈技术，这就需要提高发动机燃烧室的进出口温度，从而提高其推重比，而涂覆在镍基单晶高温合金上的热障涂层材料发挥着越来越大的作用。

直到今天，热障涂层陶瓷层体系组成主要由8YSZ、新型锆酸盐、新型铝酸盐等材料体系构成，而打底层体系通常由合金MCrAlY(M＝Ni和/或Co组成)，而通常热障涂层主要有双层，梯度，多层结构组成。

热障涂层隔热是热障涂层很重要的一方面，而陶瓷层的气孔率对于热障涂层的隔热起到非常至关重要的作用，一般来说，气孔的分布，大小，形态对热障涂层的隔热都会起到深远的影响，而对热障涂层气孔率的测量是表征热障涂层隔热很重要的一方面。

但是，目前测量热障涂层还是借用古老的岩相图像分析方法，通过测量气孔相的面积与总的面积的比值进而得到涂层的气孔率，具有较大的随机性和误差大的特点。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量热障涂层气孔率的方法，其操作简单，结果准确，可信度高。

为了解决上述技术问题，本发明提供的测量热障涂层气孔率的方法，包括：制备热障涂层试样；对所述热障涂层试样进行截面扫描以得到原始扫描照片；将所述原始扫描照片导入到Matlab程序中转换为[0，1]矩阵；将转换后得到的[0，1]矩阵导入到Excel中，通过替换功能将0替换为设定值，得到所述设定值的方格的个数；用方格总个数除以矩阵的大小得到气孔率。

本发明采用借助于大型通用数字化处理软件Matlab结合二次开发得到了真实扫描图像的二值化矩阵，通过计算矩阵中0的数目占矩阵的比例，计算出热障涂层的气孔率。该方法可以广泛应用于其它类型的涂层及多孔材料(包括大孔材料，介孔材料，微孔材料)体系中。

进一步地，本发明还包括按照所述热障涂层试样移动的顺序选取典型的位置连续拍照多幅具有相同放大倍数的扫描照片，对多幅扫描照片分别计算各自的气孔率。

本发明还包括对根据所述多幅扫描照片得到的多个气孔率进行概率统计分布处理。优选地，采用weibull概率统计分布处理表征所述热障涂层试样的气孔分布的模态特征。

根据本发明，通过weibull概率统计分布表征了涂层气孔分布的模态特征，通过模态特征分布可以进一步分希热喷涂热障涂层的组织结构特性。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1示出了本发明测量热障涂层气孔率的方法的一实施形态中的将陶瓷层放大1000倍的SEM原始照片；

图2为图1中的SEM原始照片通过MATLAB程序转换而得到的黑白图像；

图3为图2的黑白图像所对应的网格图像；

图4为图3的网格图像所对应的[0，1]矩阵，即导入到Excel中进行处理得到的[0，1]矩阵，该矩阵大小为128×128；

图5示出了经过Excel处理得出气孔所占的方格数操作界面，通过Excel中的替换功能能够快速计算出气孔相所占的方格个数。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对目前采用金相试验室广泛使用的岩相图像分析系统测量涂层气孔率存在较大误差，具有较大的随机性等弱点，本发明开发了一种新型的Matlab程序并辅之以二次开发精确得到了热障涂层的陶瓷层的气孔率。

该方法包括：将局部放大的具有一定放大倍数的扫描照片先导入到Matlab程序中，在Matlab平台中通过程序语言将扫描图相转换为[0，1]数字图像，然后将得到的[0，1]矩阵复制到Excel表格中，通过替换功能将0替换为设定的“pore”，得到“pore”方格的个数，最后用方格总个数除以矩阵的大小得到气孔率。该方法能够通过定量的计算相对面积大小从而得到气孔率。

进一步地，对于热障涂层陶瓷层由于气孔分布不均匀，通过局部放大求气孔率，进而通过weibull概率统计规律表征涂层的气孔分布情况具有十分重要的意义。

该方法具有操作方便，数据可靠并具有统计学上的意义，且能够反映涂层组织结构的不均匀性，给出气孔分布的模态特征。该方法由大型通用数值图像处理软件Matlab作为平台，可靠性高。该方法操作简单，不需要将扫描照片重新放到金相系统下进行操作处理。该方法能够客观地反应实际涂层整个截面上较大范围内的气孔率分布情况。

以下结合图1至图5通过具体的实施例进一步说明本发明的测量热障涂层气孔率的方法。

实施例：

步骤一：将通过等离子喷涂制备的热障涂层试样做成可用于SEM分析的标准试样，如果试样导电性不好，在做SEM前还需要进行喷金处理。在做陶瓷层截面扫描时，该热障涂层应经过打磨抛光，不应该有划痕。

步骤二：可在步骤一的基础上，按照试样移动的顺序选取典型的位置连续拍照多幅具有相同放大倍数的陶瓷层的扫描照片。

步骤三：在步骤二的基础上，得到至少20幅不同位置的陶瓷层的扫描照片。

步骤四：在步骤三的基础上，将得到的多幅扫描照片分别导入到Matlab程序中，具体程序语句如下：

如果在桌面上存在1.jpg格式的图像，在Matlab命令窗口中键入以下命令：

I＝imread('C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\1.jpg')；

J＝im2bw(I)；

imtool(I)

se＝strel('disk',2)；

J＝imclose(J,se)；

imtool(J)

s＝imresize(J,[128,128])

imtool(s)

附：将0，1矩阵颠倒，即是0变1，1变0，键入以下命令：

J

J＝abs(J-1)；

Imtool(J) $F=\left[\begin{array}{cccc}f(0,0)& f(0,1)& ...& f(0,n-1)\\ f(1,0)& f(1,1)& ...& f(1,n-1)\\ ...& ...& ...& ...\\ f(m-1,0)& f(m-1,1)& ...& f(m-1,n-1)\end{array}\right]$ $f(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}0& \left(withapore\right)\\ 1& \left(withoutapore\right)\end{array}\right.(0\≤i\≤m-1,0\≤j\≤n-1)$ 。

步骤五：在步骤四的基础上，将得到的[0,1]矩阵导入到Excel中去，根据Excel中的替换功能，将矩阵中的0替换为pore,便可以知道气孔所占的方格子数，然后除以矩阵的大小（程序设定），即可得到涂层的气孔率。其计算公式为： $\mathrm{\η}=\frac{N\[f(i,j)=0\]}{m\×n}\×100\%$

式中N[f(i,j)=0]表示气孔相所占的方格总数，m×n表示图像转换为矩阵的大小，该矩阵为m行，n列。

又，步骤六：在步骤四的基础上，分别对20幅不同位置拍摄的扫描照片进行按照步骤四的处理办法，分别计算出各自的气孔率。

步骤七：对步骤五得到的20幅照片的20个气孔率的值进行weibull概率统计分布处理，将数据处理成如下表所示：

i(气孔率)	F(X)＝i-0.5/n	G(X)InIn[1/1-F(X)]]
			1	0.025	-3.676247258
2	0.075	-2.551539632
			3	0.125	-2.013418678
4	0.175	-1.64832484
			5	0.225	-1.366914374
6	0.275	-1.134497663
			7	0.325	-0.933837306
8	0.375	-0.755014863
			9	0.425	-0.591700887
10	0.475	-0.439502333
			11	0.525	-0.295122383
12	0.575	-0.155875037
			13	0.625	-0.019356889
14	0.675	0.116831558
			15	0.725	0.255404859
16	0.775	0.399886159
			17	0.825	0.555590156
18	0.875	0.732099368
			19	0.925	0.951761023
20	0.975	1.305322741

。

步骤八：将得到的数据处理如下，做F(X)与X关系图，做G(X)与X关系图，根据G(X)与X的关系曲线图拟合直线，若仅存在一个斜率，说明陶瓷层气孔率呈现单模态分布，说明涂层气孔较为均匀，如果拟合的直线存在两个斜率，说明涂层的气孔率呈现双模态分布，说明涂层气孔分布不够均匀，可能原因是涂层存在两种组织，一种为融凝组织，一种为非融凝组织，还有可能存在三模态分布，这种情况下涂层可能存在三种类型的组织，一种为融凝组织，一种为非融凝组织，还有一种为半融凝组织，因此根据weibull概率统计分布能够科学地给出涂层的组织结构特性，而这种组织结构特性是由等离子喷涂参数及喷涂喂料的组织结构特征决定的。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种测量热障涂层气孔率的方法，其特征在于，包括：

制备热障涂层试样；

对所述热障涂层试样进行截面扫描以得到原始扫描照片；

将所述原始扫描照片导入到Matlab程序中转换为[0，1]矩阵；

将转换后得到的[0，1]矩阵导入到Excel中，通过替换功能将0替换为设定值，得到所述设定值的方格的个数；

用方格总个数除以矩阵的大小得到气孔率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括按照所述热障涂层试样移动的顺序选取典型的位置连续拍照多幅具有相同放大倍数的扫描照片，对多幅扫描照片分别计算各自的气孔率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对根据所述多幅扫描照片得到的多个气孔率进行概率统计分布处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括采用weibull概率统计分布处理表征所述热障涂层试样的气孔分布的模态特征。