CN110108222A - 一种预测脆性涂层开裂的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种预测脆性涂层开裂的方法及系统，应用于陶瓷材料技术领域，所述预测脆性涂层开裂的方法包括：采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。应用本发明实施例提供的方案，能够实现对脆性涂层的涂层开裂状态进行预测，从而使得能够在脆性涂层出现裂纹之前对待测工件进行干预，为设备的正常运行提供了保证，避免了因脆性涂层从基体上剥落所造成的巨大损失。

Description

一种预测脆性涂层开裂的方法及系统
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种预测脆性涂层开裂的方法及系统。
背景技术
涂层是涂料一次施涂所得到的固态连续膜，涂布于金属、织物、塑料等基体上，起到保护基体材料的目的。涂层与基体材料依据其弹塑性性能有脆性和韧性之分。比如，热障涂层是一种基于陶瓷材料的脆性涂层，它具有热传导率低、抗腐蚀、抗氧化和耐磨损的良好性能。在工业应用中，往往利用这种热障涂层来制作涡轮发动机的叶片。一般的，脆性涂层的失效往往表现为涂层的表面开裂和界面剥落。特别的，脆性涂层从基体剥落往往会引发设备故障，造成巨大损失，因此对脆性涂层损伤的检测及寿命的预估尤为重要。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种预测脆性涂层开裂的方法及系统，以实现对脆性涂层出现裂纹的情况进行预测，以便保证设备能够正常运行。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种预测脆性涂层开裂的方法，所述方法包括：
采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；
测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；
根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
优选地，按照如下方式建立所述应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系：
在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑；
对所述标定试样进行静载拉伸，并在拉伸过程中采集所述标定散斑的视频图像；
获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态；
根据所述应变值生成应变曲线，并建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
优选地，所述脆性涂层的涂层开裂状态包括：所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
优选地，所述测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值包括：
在所述待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑；
按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸；
采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像；
根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种预测脆性涂层开裂的系统，所述系统包括：图像采集模块、应变值测量模块和裂纹预测模块；其中，
所述图像采集模块，用于采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；
所述应变值测量模块，用于测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；
所述裂纹预测模块，用于根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
优选地，所述系统还包括对应关系建立模块，用于建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系；
所述对应关系建立模块包括：
预处理单元，用于在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑；
拉伸处理单元，用于对所述标定试样进行静载拉伸；
标定图像采集单元，用于在拉伸过程中采集所述标定散斑的视频图像；
标定数据获取单元，用于获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态；
对应关系生成单元，用于根据所述应变值生成应变曲线，并建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
优选地，所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
优选地，所述应变值测量模块包括：
散斑形成单元，用于在所述待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑；
工件拉伸单元，用于按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸；
图像采集单元，用于采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像；
应变值确定单元，用于根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
本发明实施例提供一种预测脆性涂层开裂的方法及系统，在该方法中，首先采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像，接着测量得到该图像中各个预设待测点的当前应变值，然后根据该当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，从而得到该脆性涂层的涂层开裂状态。
利用本发明实施例提供的方案，能够对脆性涂层的涂层开裂状态进行预测，进而能够在脆性涂层出现裂纹之前对待测工件进行干预，为设备的正常运行提供保证，可以有效避免因脆性涂层从基体上剥落而造成巨大损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种用于建立脆性涂层应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系的硬件系统；
图3为利用人工方式形成的标定散斑；
图4为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于无序应变阶段的应变云图；
图5为与图4所示应变云图相对应的应变曲线；
图6为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于等宽应变阶段的应变云图；
图7为与图6所示应变云图相对应的应变曲线；
图8为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于集中应变阶段的应变云图；
图9为与图8所示应变云图相对应的应变曲线；
图10为本发明实施例提供的一种测量预设待测点的当前应变值的方法流程图；
图11为本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的系统的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的一种应变值测量模块的结构示意图。
附图中标号：
10、图像采集模块
11、CCD摄像机
12、计算机
20、应变值测量模块
21、散斑形成单元
22、工件拉伸单元
23、图像采集单元
24、应变值确定单元
30、裂纹预测模块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通常，脆性涂层在使用过程中会受到拉伸载荷作用，并导致脆性涂层局部应力集中，而当该应力大于脆性涂层的断裂强度时，便会形成裂纹。
因此，为了对脆性涂层出现裂纹的情况进行预测，进而保证工件能够正常使用，本发明实施例提供了一种预测脆性涂层开裂的方法及系统。本发明实施例提供的方案可以应用于实验室，利用实验设备模拟实际工况并对待测工件进行预测，当然也可以应用于实际的工况环境中，对实际工业应用中的工件进行预测，比如对涡轮发动机叶片上脆性涂层的涂层开裂状态的预测。
下面对本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的方法进行说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：
S101：采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像。
在本发明的一个实施例中，可以利用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)摄像机对待测工件进行视频拍摄。一种方式中，可以基于预设的图像采集频率对待测工件上脆性涂层进行图像采集；另一种方式中，可以根据实际需要触发该CCD摄像机以采集当前视频图像。
需要说明的是，本发明实施例并不限定该预设的图像采集频率的具体数值，但是，为了能够及时准确地对该脆性涂层进行预测，该图像采集频率设置不宜过大，比如，可以设置为10～20秒采集一幅图像即可。
S102：测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值。
在本发明的一个具体实施例中，可以采用现有技术来测量各个预设待测点的当前应变值，此处不再赘述。
S103：根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
其中，所述脆性涂层的涂层开裂状态可以包括：所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
一种实现方式中，将脆性涂层中各个预设待测点中当前应变值数值最大的预设待测点所在的位置作为裂纹开裂位置。
可以理解的是，脆性涂层的裂纹演变是一个连续变化的过程，并不是一个跳跃式的过程，因此，可以根据应变曲线的曲线特性，比如曲线走势、曲线分布、曲线的波峰波谷等一系列特点，来对脆性涂层的涂层损伤积累阶段进行预测。比如，可以将脆性涂层的涂层损伤积累阶段分为：无序应变阶段、等宽应变阶段和集中应变阶段。
利用本发明实施例提供的预测脆性涂层开裂的方法，能够对脆性涂层的涂层开裂状态进行预测，进而能够在脆性涂层出现裂纹之前对待测工件进行干预，为设备的正常运行提供保证，可以有效避免因脆性涂层从基体上剥落而造成巨大损失。
在本发明的一个实施例中，可以利用图2所示的系统，按照如下方式建立所述应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系：
(1)在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑。
(2)对所述标定试样进行静载拉伸，并在拉伸过程中由CCD摄像机11采集所述标定散斑的视频图像，并将采集的视频图像传送给计算机12。
(3)计算机12获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态。
(4)根据所述应变值生成应变曲线，并建立应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
其中，针对步骤(1)，可以由人工对标定试样的脆性涂层进行处理，并且，在对标定试样的脆性涂层喷涂黑漆时，所喷涂厚度、喷涂参数要尽量保证均匀。斑点的大小可以通过调整喷头与试件间的距离来调节，一般地，喷枪喷头距离标定试样要远些，以便通过电吹风等将细小的雾状油漆吹到标定试样的表面，从而形成理想的标定散斑。如图3所示，为利用人工方式形成的标定散斑。
需要说明的是，小几何尺寸、高反差的标定散斑有利于提高后续利用采集到的数字图像进行相关计算的精度，相反，如果标定散斑比较集中形成大片黑色区域，则不利于提高相关计算的精度，情况严重时，还会导致该相关计算的计算结果不收敛。因此，在本发明实施例中，可以将标定散斑的尺寸限定在一定范围内。另外，散斑的数量可以是一个或多个，也就是说，可以在标定试样的多个区域喷涂黑漆，形成标定散斑。
针对步骤(2)，为了能够按照恒定的拉伸速率对标定试样进行静载拉伸，可以选择利用拉伸试验机进行静载拉伸，比如可以选用日本岛津试验机(该拉伸试验机的型号为AG-X，20kN～50kN)，当然，本发明实施例并不需要限定所选用的拉伸试验机的具体型号，本领域技术人员可以根据实际应用中的具体情况选用合适的试验机。
在拉伸过程中，可以利用CCD摄像机来采集标定散斑的视频图像，以便对拉伸过程中标定散斑的移动情况进行追踪，并将采集的视频图像传输至后台的计算机中并存储。
针对步骤(3)，比如可以选用美国Correlated solutions公司的VIC-2D软件来获取所采集的视频图像中各个预设标定点对应的应变值；根据各个预设标定点对应的应变值绘制应变曲线，并通过对应变曲线的特性进行分析，确定标定涂层的涂层开裂状态。需要说明的是，这里所提及的对应变曲线特性进行分析需要基于大量的标定试样，并且标定试样的样本数量越大，分析出的应变曲线的曲线特性与相应的涂层状态之间的对应关系就越准确。
下面以脆性涂层中的热障涂层为例，对热障涂层的三个涂层损伤积累阶段进行说明。
假设静载拉伸的方向为纵向拉伸，那么，可以在标定试样的热障涂层的视频图像中沿着拉伸方向做一条标记线(比如可以将图3中灰色区域和黑色区域的左侧或右侧交线作为标记线)，在该标记线上设置多个(比如101个)等间距的预设标记点，然后根据这这些预设标记点的应变值来绘制应变曲线，参见图5、图7和图9，图中横轴为所取的各预设标记点的像素坐标，纵轴为每一个预设标记点对应的应变值。其中：
图4为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于无序应变阶段的应变云图，图5为与图4所示应变云图相对应的应变曲线。该阶段应变曲线没有明显规律，并且应变曲线起伏波动较大，该阶段应变值的最大数值约为3％，误差为±0.5％；
图6为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于等宽应变阶段的应变云图，图7为与图6所示应变云图相对应的应变曲线。该阶段应变曲线呈近似正弦分布，且相邻波峰(或波谷)的间距相等，该阶段应变值的最大数值约为4％，误差为±0.5％；
图8为本发明实施例提供的标定试样的热障涂层处于集中应变阶段的应变云图，图9为与图8所示应变云图相对应的应变曲线。该阶段应变曲线呈现某一横坐标所对应的应变值急剧增加(或者说，该横坐标对应的应变曲线的一阶导数大于预设值)，该阶段应变值的最大数值约为6.7％，误差为±1％。
需要说明的是，通过实验对比图3中灰色区域和黑色区域的左侧和右侧交线上预设对应点的应变值，分析出应变值数值最大的预设对应点所在的位置为热障涂层表面裂纹开裂的位置。
需要说明的是，上述实例中所提及的具体数字仅为举例说明，对于不同的脆性涂层而言，需要根据实际应用中的具体情况来确定最大应变值的具体数值。
如图10所示，在本发明的一个具体实施例中，上述步骤S102中测量得到当前视频图像中各预设待测点的当前应变值的过程可以包括以下步骤：
S1021：在待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑。
需要说明的是，具体可以采用与前述步骤(1)类似的方式对待测工件的脆性涂层喷涂黑漆。在对脆性涂层中某一特定区域(为了描述方便，后续将所述特定区域称为待测区域)进行预测时，为了降低所采集视频图像的数据大小，一般可以只对待测区域进行喷涂黑漆的处理，需要根据实际应用中待测区域的面积大小来确定。通常可以将待测工件应力集中的区域作为所述待测区域，在实际应用中，可以根据待测工件(比如曲轴、连杆)的不同形状来确定其待测区域。
S1022：按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸。
同样的，这里可以采用与前述步骤(2)类似的方式对待测工件进行静载拉伸，具体过程请参见步骤(2)部分的描述，此处不再详述。
S1023：采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像。
具体而言，可以基于预设的图像采集频率采集拉伸前后的两幅视频图像，还可以由测试人员手动触发摄像机发送图像采集信号，并采集拉伸前后的两幅视频图像。需要说明的是，对于脆性涂层上的同一待测散斑而言，为了避免拉伸过程中因为待测散斑位置移动太大而超出视野范围，所采集的两幅视频图像的图像采集间隔不宜过大，比如，预设的图像采集频率或图像采集间隔可以设置为10～20秒即可。
S1024：根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
可以理解的是，当待测工件在拉伸试验机的作用下发生形变时，其脆性涂层上的待测散斑也会相应地发生位移变化，会形成或密集或稀疏的非均匀分布的待测散斑图像，这样，通过对待测散斑位移变化的跟踪，能够得到待测工件上脆性涂层的变形情况。一种实现方式中，通过对所采集的拉伸前后两幅视频图像进行相关计算，可以获得待测散斑的位移变化，进而根据预设待测点的像素区域内所包含的待测散斑的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
相应地，本发明实施例还提供一种预测脆性涂层开裂的系统，下面对本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的系统进行说明。
如图11所示，为本发明实施例提供的一种预测脆性涂层开裂的系统的结构示意图，所述系统包括：图像采集模块10、应变值测量模块20和裂纹预测模块30。
其中，所述图像采集模块10，用于采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；
所述应变值测量模块20，用于测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；
所述裂纹预测模块30，用于根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
其中，所述脆性涂层的涂层开裂状态可以包括所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
一种实现方式中，所述系统还可以包括对应关系建立模块(未图示)，用于预先建立应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系。该对应关系建立模块包括：预处理单元，用于在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑；拉伸处理单元，用于对所述标定试样进行静载拉伸；标定图像采集单元，用于在拉伸过程中采集所述标定散斑的视频图像；标定数据获取单元，用于获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态；对应关系生成单元，用于根据所述应变值生成应变曲线，并建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
参见图12，在本发明的一个实施例中，所述应变值测量模块20可以包括：
散斑形成单元21，用于在所述待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑；
工件拉伸单元22，用于按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸；
图像采集单元23，用于采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像；
应变值确定单元24，用于根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
利用本发明实施例提供的方案，能够对脆性涂层的涂层开裂状态进行预测，进而能够在脆性涂层出现裂纹之前对待测工件进行干预，为设备的正常运行提供了保证，可以有效避免因脆性涂层从基体上剥落而造成巨大损失。
对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种预测脆性涂层开裂的方法，其特征在于，所述方法包括：
采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；
测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；
根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
2.根据权利要求1所述的预测脆性涂层开裂的方法，其特征在于，按照如下方式建立所述应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系：
在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑；
对所述标定试样进行静载拉伸，并在拉伸过程中采集所述标定散斑的视频图像；
获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态；
根据所述应变值生成应变曲线，并建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
3.根据权利要求1所述的预测脆性涂层开裂的方法，其特征在于，所述脆性涂层的涂层开裂状态包括：
所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
4.根据权利要求1所述的预测脆性涂层开裂的方法，其特征在于，所述测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值包括：
在所述待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑；
按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸；
采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像；
根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
5.一种预测脆性涂层开裂的系统，其特征在于，所述系统包括：图像采集模块、应变值测量模块和裂纹预测模块；其中，
所述图像采集模块，用于采集待测工件上脆性涂层的当前视频图像；
所述应变值测量模块，用于测量得到所述当前视频图像中各个预设待测点的当前应变值；
所述裂纹预测模块，用于根据所述当前应变值查找预先建立的应变曲线、应变值与涂层开裂状态的对应关系，得到所述脆性涂层的涂层开裂状态。
6.根据权利要求5所述的预测脆性涂层开裂的系统，其特征在于，所述系统还包括：
对应关系建立模块，用于建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系；
所述对应关系建立模块包括：
预处理单元，用于在标定试样的脆性涂层上喷涂黑漆，形成标定散斑；
拉伸处理单元，用于对所述标定试样进行静载拉伸；
标定图像采集单元，用于在拉伸过程中采集所述标定散斑的视频图像；
标定数据获取单元，用于获取所述视频图像中各个预设标定点对应的应变值及涂层开裂状态；
对应关系生成单元，用于根据所述应变值生成应变曲线，并建立所述应变曲线、应变值以及涂层开裂状态的对应关系。
7.根据权利要求5所述的预测脆性涂层开裂的系统，其特征在于，所述脆性涂层的裂纹开裂位置和/或涂层损伤积累阶段。
8.根据权利要求5所述的预测脆性涂层开裂的系统，其特征在于，所述应变值测量模块包括：
散斑形成单元，用于在所述待测工件上脆性涂层的待测区域喷涂黑漆，形成待测散斑；
工件拉伸单元，用于按照设定拉伸速率对所述待测工件进行静载拉伸；
图像采集单元，用于采集所述脆性涂层在拉伸前后的视频图像；
应变值确定单元，用于根据拉伸前后视频图像中同一预设待测点的位移变化，确定各个预设待测点的当前应变值。
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