CN108225195A - 无损测试切削刀片以确定涂层厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“无损测试切削刀片以确定涂层厚度的方法”。本发明公开了一种用于无损测试切削刀片以确定涂层厚度的方法。该方法包括以下步骤：使用电磁能量源烧蚀所述切削刀片的表面以无损地形成几何特征并且暴露基底和所述涂层的每一层；并且测量所述涂层的每一层的所述厚度。在一个示例中，所述几何特征是具有大致梯形形状的凹槽。在其他示例中，所述凹槽可以具有U形、V形等。使用焦点变化、对比检测、共焦显微术、干涉显微术和成像干涉显微术或类似技术测量所述涂层的每一层的所述厚度。

Description

无损测试切削刀片以确定涂层厚度的方法
技术领域
一般来讲，本发明涉及一种切削刀片，并且更具体地讲，涉及一种通过使用电磁辐射来暴露涂层的每一层，随后使用商业显微技术诸如焦点变化、对比检测、共焦显微术、干涉显微术、成像干涉显微术等测量每一层的厚度以测量切削刀片的涂层厚度，从而对切削刀片进行无损测试的方法。
背景技术
具有一层或多层涂层(例如，单层或多层结构形式的薄膜物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和厚硬涂层)的切削刀片已成为切削工具行业中用于提高耐磨性和耐腐蚀性的标准实践。在生产中，涂层质量与各个方面有关，诸如厚度、对基底的粘附、硬度、表面粗糙度、视觉外观、组成、微结构、残余应力等。根据其预期应用，硬涂层的厚度通常在从几百纳米到约50微米的范围内。为了始终如一地生产某个厚度的涂层，需要对沉积速率和其他工艺参数进行良好的控制。在实践中，过程优化常常受助于试误法，或DOE对大样本集的许多参数的研究，因此有必要定期执行涂层厚度测量。
文献中已经广泛报道了涂层厚度保证的这一重要性。除了作为带涂层部件的关键质量方面，厚度还影响涂层/基底体系的物理、热学、机械、腐蚀和摩擦学响应。在多层涂层中，这些特性与涂层结构有关，即各个子层的数量、分布、比例、组成和厚度。此外，已知涂层的残余应力状态及其对基底的粘附性是与厚度有关的参数。因此，厚度连续性是对具有单层或多层结构的切削刀片进行质量控制的关键方面。
目前有三种方法广泛用于测量单层和多层涂层结构的厚度，即：Calotte研磨法(CGM)、辉光放电光学发射光谱法(GDOES)、X射线荧光和金相微抛光(MMP)，然后是光学或扫描电子显微镜(SEM)分析。
GDM是一种微磨料工序，其中涂层厚度测定依赖于测量由于硬钢球抵靠试样的自由旋转直到涂层已被穿孔而产生的圆顶形磨痕的圆形突起。微磨料金刚石悬混剂被递送到接触点附近，以确保表面磨损均匀并且圆顶周围边缘清晰。
GDOES是一种先进的光谱技术，允许将化学组成特征图作为从几百纳米到大约50微米的深度的函数来进行测定。在这种技术中，带涂层的样品(阴极)被放置在铜电极(阳极)中，并在它们之间放电，从而以受控的速率产生样品表面的腐蚀(溅射)。释放出来的原子在氩等离子体中被激发，并且当它们返回到基本能级时发射出光子。这些光子随后被收集并发送到由一系列光电倍增管组成的光谱仪，这些光电倍增管将元素浓度量化为光子发射强度的函数。因此，可以将涂层的厚度估计为在涂层元素的较高至较低原子浓度与基底元素的较低至较高浓度之间发生明显转变时的面形深度。
MMP采用横截面抛光，然后使用商业显微技术进行涂层厚度测量，因而依赖于带涂层的样品的金相制备。MMP试样通常热装在含有矿物质和玻璃填料的环氧树脂中，这些填料在横截面制备期间提供最佳的平面度和优异的边缘保持性。使用安装在盘式金相机器上的半自动试样移动器进行研磨和抛光步骤，从而实现最大约30mm/s的滑动速度。使用树脂粘结的金刚石磨盘执行平面磨削，在恒定载荷下用水润滑，并且用磨光纸分几步进行细磨。
由于这些方法固有的差异，每种方法产生不同水平的成本、准确度和时间。例如，MMP的高准确度是这种方法的主要优点。然而，样品制备比较耗时，通常需要大约四十分钟才能准备好样品，用另外十五分钟来测量涂层厚度。GDOES能够快速提供结果，但设备和测试成本较高。CGM更快且更经济。
由于这些技术中的每一种技术所需的时间量，目前的技术仅支持创建涂层结构的研究和开发阶段，而不是制造阶段，在该阶段可以连续检查切削刀片的样品批次用于进行定期质量控制。另外，如果确定某个生产批次中涂层厚度不一致，则需要对该批次进行隔离并检查。因此，需要提供一种以及时、经济有效且无损的方式进行的用于测量切削刀片的一层或多层涂层的厚度的方法。
发明内容
通过使用电磁能量源(诸如皮秒或飞秒激光器等)来在切削刀片的表面上形成几何特征并且暴露涂层的每一层，然后使用基本三角技术测量一个或多个层的厚度，解决了在连续流水作业中以及时且经济有效的方式测量切削刀片的单层或多层涂层的厚度的问题。
最近，飞秒激光技术已经在商业上演变成为该产业中的一项必备工具。当适当地构造时，该脉冲持续时间具有独特的能力，以将材料电离或烧蚀，从而使其从固体转化为气相而不引发熔化。如果可以在带涂层的切削工具上激光照射一个500μm的圆形区域或1mm×500μm的凹槽区域，则可以加工该表面而不损坏在基底上形成涂层的固有层。根据所创建的圆形或线性凹槽的壁角，当以高放大率进行光学测量时，我们可以应用基本的三角技术来计算涂层厚度。
本发明的一个方面是一种对带涂层切削刀片(即切削工具)进行无损测试的方法，该方法包括以下步骤：使用超短(飞秒)激光脉冲烧蚀带涂层的切削刀片的表面以形成几何特征而不损坏固有层且不引发熔化。然后，光学测量该几何特征的横截面以量化各层厚度和/或总层厚。与常规方法相比，本发明的方法可以在相对较短的时间内进行。因此，本发明的方法具有非常高的潜力用于作为一种自动化解决方案被集成到制造中。另外，几何特征可以隐藏在徽标、识别标记等中。
使用适当的市售硬件和软件自动捕获和分析厚度测量值。如果构造正确，则本发明的方法可以在线测量制造工厂中的涂层厚度(整批或选定的样品规模)。几何特征可以形成为切削刀具的常规加工中的一个步骤，其可以在稍后的时间点用于在客户投诉或一般过程监控期间的评估。
在本发明的一个方面，公开了一种用于对包括基底和一层或多层涂层的切削刀片进行无损测试的方法，所述方法包括：
使用电磁能量源烧蚀所述切削刀片的表面以形成几何特征并且暴露所述基底和所述涂层的每一层的横截面；以及
测量所述涂层的每一层的所述厚度。
在本发明的另一方面，公开了一种用于对包括基底和一层或多层涂层的切削刀片进行无损测试的方法，所述方法包括：
通过使用电磁能量源烧蚀切削刀片的表面以暴露所述切削刀片的所述基底和涂层的每一层，从而在所述切削刀片的所述表面上形成几何特征；以及
测量所述涂层的每一层的所述厚度。
附图说明
虽然示出了本发明的各种实施方案，但是示出的具体实施方案不应被理解为限制权利要求。预期可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化和修改。
图1是根据本发明的一个实施方案的几何特征诸如梯形凹槽的等轴视图，该几何特征是使用飞秒激光器在切削刀片的表面上形成的；
图2为图1的几何特征的端视图；以及
图3是根据本发明的一个实施方案的几何特征的横截面的照片显微图，该几何特征是通过使用飞秒激光器形成的。
具体实施方式
一般来讲，本发明的无损方法包括以下步骤：1)使用电磁能量源诸如飞秒激光器等，烧蚀切削刀片的表面以形成几何特征并且暴露涂层的一层或多层的横截面；和2)通过使用常规显微技术检查该横截面，测量这一层或多层的厚度。
形成穿过一个或多个涂层层的凹槽的一种技术是通过使用电磁能量，诸如短脉冲皮秒激光、短脉冲飞秒激光等。自从啁啾脉冲放大技术出现以来，短脉冲激光器在性能和应用方面都经历了快速的发展。飞秒激光器最初是由前沿基础研究推动的，现在已经与许多工业计量、研究和临床应用相互联系。此外，超短激光器通过在纳米尺度上以受控方式对物质采取操作，并以飞秒分辨率开启监测事件的可能性，为物理学、化学和生物学提供了无比强大的研究工具。生成和操纵飞秒激光脉冲要求限制脉冲延长和光谱失真的能力。
然而，新一代飞秒激光器已经发展了数年。基于掺镱增益介质，它们可以被二极管泵浦，这样将制造出可以产生高于传统激光器TiSa获得的输出能量的紧凑型低成本飞秒激光器。这些激光器的典型波长在1030和1050nm附近，具有空间高斯光束剖面。脉冲持续时间可以在从500到3000fs之间变化，并通过自相关器控制。该激光器可以在1Hz到100kHz的重复频率工作，1Hz时最大能量为1mJ，100kHz时最大能量为38μJ。后压缩模块允许在100kHz下以1μJ的能量达到低于100fs的脉冲持续时间。应当理解，本发明不受特定的操作参数诸如重复率、最大能量和脉冲持续时间的限制，并且本发明可以利用任何足以采用无损方式烧蚀切削刀片的表面的可期望的操作参数来实施。
激光束(线性偏振)以垂直入射角度聚焦，或如有必要以特定角度，由平凸透镜或者折反射物镜在带涂层样品的正面上聚焦。氦氖激光器可用于准直。精确定位样品表面的焦平面是由高精度平移台进行的。聚焦光束的测量是利用与成像系统相关联的光束分析仪来实现的。
切削刀片表面上的几何特征可以使用可从德国代根多夫的GFH有限公司商购的飞秒激光器(https://gfh-gmbh.de/en/machine-building/gl-evo)来形成。所述机器、激光源和不同的处理模块由一个统一的界面控制。这允许对机器进行直观操作，并能够实时控制和监控所有过程参数。因此，过程开发和由此产生的应用可以在短时间内非常有效地完成。
机器构造
件：
使用的参数
关于TruMicro 5050，可参照http://www.trumpf-laser.com/en/products/ solid-state-lasers/short-and-ultra-short-pulsed-lasers/trumicro-series- 5000.html。
现在参见图1和图2，本发明的一个方面在于，几何特征10呈凹槽、沟槽、沟道等形式，具有底部12和一对倾斜侧壁14,16。在一个实施方案中，凹槽10的形状为梯形，长度L为约300至500μm，刀片表面的宽度W1为约150至200μm，凹槽10的底部12的宽度W2为约100μm，并且深度D为约50至75μm，如图1和图2所示。任选地，凹槽10的底部12和侧壁14,16之间的相交处可以形成有半径R，如图2所示。
应当理解，凹槽10的深度D足以暴露切削刀片的单层和/或多层涂层。理想的是，凹槽10的深度D比涂层的总厚度大约5至10μm。例如，对于总厚度在大约30至40μm之间的涂层，凹槽10的深度D可以为约50μm。另外，应当理解，本发明不限于梯形凹槽，并且本发明可以采用其他类型的凹槽形状诸如U形凹槽、V形凹槽等来实现。
可以在切削刀片的表面上形成几何特征诸如凹槽10，使得凹槽10隐藏。例如，凹槽10可以在切削刀片的表面上的徽标、等级代码、识别标记或其他标记中形成。
应当理解，本发明不受凹槽形式的几何特征的限制，并且本发明可以用其他几何特征来实施，诸如环形特征、诸如圆形腔等。
一旦在切削刀片的表面上形成几何特征，下一步就是测量单层或多层涂层中的暴露层中的每一个暴露层的厚度。一种测量每一层的厚度的技术是通过使用从市售显微技术诸如焦点变化、对比检测、共焦显微术、干涉显微术、成像干涉显微术等获得的数字图像。
焦点变化是一种计算清晰图像以及利用景深有限的光学元件测量深度的方法。
该算法的操作如下所述：
1.捕获具有不同焦点的图像。这是通过将样品或光学元件相对于彼此移动来完成的。
2.对于每个位置，计算每个平面上的焦点。
3.使用具有最佳焦点的平面来获得清晰的图像。相应的深度给定了该位置的深度。
共焦显微术，其通常称为共焦激光扫描显微术(CLSM)，是一种光学成像技术，它通过在镜片的共焦平面处增加一个空间针孔来增大显微图的光学分辨率和对比度，以消除离焦光。它使得能够根据从厚物体内的不同深度处获得的图像集(一种称为光学层析的过程)来重建三维结构。该技术在科学界和工业界得到普及，并且典型应用是在生命科学、半导体检测和材料科学领域。
共焦成像原理于1957年由Marvin Minsky获得专利(美国专利No.3,013,467)，并且旨在克服传统宽场荧光显微镜的一些局限性。在传统的(即宽场)荧光显微镜中，整个样品均匀地浸没在来自光源的光中。光路中的试样的所有部分同时被激发，并且由显微镜的光电检测器或相机(包括大的未聚焦背景部分)检测所得的荧光。相比之下，共焦显微镜使用点照明(参见点扩散函数)和检测器前光学共轭平面中的针孔来消除离焦信号；名称“共焦”即源于这种构造。由于只有荧光产生的非常接近焦平面的光才能被检测到，所以图像的光学分辨率，特别是在样品深度方向上的光学分辨率，要比宽场显微镜的好得多。然而，由于样品荧光产生的大部分光在针孔处被阻挡，所以这种增加的分辨率是以降低的信号强度为代价的，通常需要长时间的曝光。为了补偿针孔之后的这种信号下降，由灵敏的检测器(通常是光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管)来检测光强度，该检测器将光信号转换成由计算机记录的电信号。
由于样品中一次只有一个点被照亮，所以2D或3D成像需要在试样中的规则光栅(即平行扫描线组成的矩形图案)上进行扫描。通过使用一个或多个(伺服控制的)摆镜，使光束在水平面上扫描过样品。这种扫描方法通常具有较低的反应延时，并且扫描速度可以变化。较慢的扫描提供更好的信噪比，导致更好的对比度和更高的分辨率。
焦平面的可实现的厚度主要由所用的光波长除以物镜的数值孔径来定义，但也由试样的光学特性决定。薄光学层析可能使得这些类型的显微镜特别擅长样品的3D成像和表面面形测量。
共焦显微术提供了对完整的厚活体样品进行直接、无创、连续光学层析的能力，样品制备及其简单，并且横向分辨率得到小幅改进。生物样品通常用荧光染料处理以使选定的对象可见。然而，实际的染料浓度可能很低，以将生物系统的干扰降低至最小：一些仪器可以跟踪单个荧光分子。而且，转基因技术可以创造生产自己的荧光嵌合分子(诸如GFP、荧光蛋白与关注蛋白的融合体)的生物体。
干涉显微术或成像干涉显微术是与全息图、合成孔径成像和离轴暗场照明技术有关的显微术概念。干涉显微术允许由于若干分图像(振幅和相位)的干涉(全息图)配准以及数字合成而提高光学显微术的分辨率。
在干涉显微术中，微小物体的图像被数字合成，作为具有已配准的振幅和相位的分图像的相干合成。对于分图像的配准，使用传统的全息图设置以及基准波，基准波可用于光学全息图。多重阐述允许在用于配准分图像的物镜的数值孔径的中等值的情况下，对大数值孔径物镜进行数值模拟。类似的技术允许扫描和精确检测小颗粒。由于合成图像保持振幅和相位信息，因此干涉显微术对于相位物体可以是特别有效的，从而允许检测折射率的光变化，这导致相移或光以一小部分弧度通过。
如上所述，一种确定切削刀片上的涂层厚度的无损方法包括在切削刀片的表面上形成几何特征，以暴露基底以及单层或多层涂层的横截面，然后使用传统显微测量技术来确定每一层的厚度。在一个方面，几何特征诸如凹槽是使用皮秒激光或飞秒激光形成的。需要注意的是，使用皮秒或飞秒激光形成几何特征所需要的时间为约7秒或更短，并且用于测定每一层的厚度的时间为约1分钟或更短，从而能够连续检查切削刀片。
本文所提到的专利和出版物据此以引用方式并入。
虽然当前已描述了优选实施方案，但本发明在所附权利要求书的范围内可以其他方式体现。

Claims (18)

1.一种用于对包括基底和一层或多层涂层的切削刀片进行无损测试的方法，所述方法包括：
使用电磁能量源烧蚀所述切削刀片的表面以形成几何特征并且暴露所述基底和所述涂层的每一层的横截面；以及
测量每一层的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁能量源包括皮秒激光器或飞秒激光器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述飞秒激光器以1030nm的波长、50W的功率、200kHz和800kHz之间的范围的频率以及900fs的脉冲长度进行工作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使用焦点变化技术、对比检测技术、共焦显微技术、干涉显微技术和成像干涉显微技术中的一者测量每一层的所述厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述几何特征包括凹槽。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述凹槽具有梯形形状。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述凹槽为U形。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述凹槽为V形。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述凹槽在7秒或更短的时间内形成。
10.一种用于对包括基底和一层或多层涂层的切削刀片进行无损测试的方法，所述方法包括：
通过使用电磁能量源烧蚀切削刀片的表面以暴露所述切削刀片的所述基底和涂层的每一层，从而在所述切削刀片的所述表面上形成几何特征；以及
测量所述涂层的每一层的所述厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电磁能量源包括皮秒激光器或飞秒激光器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述飞秒激光器以1030nm的波长、50W的功率、200kHz和800kHz之间的范围的频率以及900fs的脉冲长度进行工作。
13.根据权利要求10所述的方法，其中使用焦点变化技术、对比检测技术、共焦显微技术、干涉显微技术和成像干涉显微技术中的一者测量每一层的所述厚度。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述几何特征包括凹槽。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述凹槽具有梯形形状。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述凹槽为U形。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述凹槽为V形。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述凹槽在7秒或更短的时间内形成。
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