RU2330264C1 - Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings - Google Patents
Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2330264C1 RU2330264C1 RU2006143074/28A RU2006143074A RU2330264C1 RU 2330264 C1 RU2330264 C1 RU 2330264C1 RU 2006143074/28 A RU2006143074/28 A RU 2006143074/28A RU 2006143074 A RU2006143074 A RU 2006143074A RU 2330264 C1 RU2330264 C1 RU 2330264C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- temperature
- coating
- coatings
- adhesion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам неразрушающего контроля прочности сцепления покрытий к подложкам.The invention relates to testing equipment, and in particular to methods of non-destructive testing of the adhesion strength of coatings to substrates.
Известен способ определения адгезионной прочности покрытий (а.с. SU № 1809371, МПК G01N 19/04, 1993 г.), заключающийся в том, что при определении адгезионной прочности покрытий возбуждают стоячие акустические волны в системе пьезоэлемент - изделие с покрытием, измеряют резонансные характеристики нагруженного изделием пьезопреобразователя, определяют скорость распространения продольной волны и величину ее затухания в изделии без покрытия и с покрытием и определяют по изменению этих величин адгезионную прочность покрытия.A known method for determining the adhesion strength of coatings (a.s. SU No. 1809371, IPC G01N 19/04, 1993), which consists in the fact that when determining the adhesion strength of coatings, standing acoustic waves are excited in the piezoelectric element-coated system, resonance are measured the characteristics of the piezoelectric transducer loaded with the product determine the propagation velocity of the longitudinal wave and the magnitude of its attenuation in the product without coating and with coating and determine the adhesive strength of the coating by changing these values.
Основными недостатками данного способа является сложность оборудования для его реализации и возможность использования только для тонких металлических покрытий с диффузионным соединением.The main disadvantages of this method is the complexity of the equipment for its implementation and the ability to use only for thin metal coatings with a diffusion connection.
Известен способ контроля качества сцепления теплопроводящих покрытий с подложкой (а.с. SU № 1193535, МПК G01N 19/04, 1985 г.), основанный на том, что на поверхность покрытия воздействуют тепловым потоком, фиксируют изменение коэффициента отражения покрытия, связанное с его разогревом и появлением окислов, приводящих к потемнению поверхности, сравнивают его с таким же коэффициентом, измеренным на эталонном соединении, и по результатам сравнения судят о качестве сцепления покрытия с подложкой.There is a method of controlling the quality of adhesion of heat-conducting coatings to a substrate (a.s. SU No. 1193535, IPC G01N 19/04, 1985), based on the fact that the surface of the coating is exposed to a heat flow, a change in the reflection coefficient of the coating is recorded due to its heating and the appearance of oxides, leading to darkening of the surface, compare it with the same coefficient measured on the reference compound, and the quality of adhesion of the coating to the substrate is judged by the results of the comparison.
Основным недостатком данного способа является возможность исследования качества сцепления только металлических покрытий ограниченной номенклатуры.The main disadvantage of this method is the ability to study the adhesion quality of only metal coatings of a limited range.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ неразрушающего контроля адгезионной прочности диэлектрических покрытий к металлическим подложкам (а.с. SU № 1693476, МПК G01N 19/04, 1991 г.), заключающийся в том, что образец в виде подложки с покрытием помещают между двумя электродами, включенными в цепь измерения силы тока, со стороны подложки нагревают образец с постоянной скоростью до температуры, не превышающей температуру разрушения покрытия, и определяют изменение силы тока - параметр, по которому судят об адгезионной прочности.The closest in technical essence and the achieved result is a method of non-destructive testing of the adhesive strength of dielectric coatings to metal substrates (a.s. SU No. 1693476, IPC G01N 19/04, 1991), which consists in the fact that the sample is in the form of a substrate with a coating placed between two electrodes included in the circuit for measuring current strength, from the side of the substrate, the sample is heated at a constant speed to a temperature not exceeding the temperature of destruction of the coating, and the change in current strength is determined - a parameter by which ad Hardness.
Основным недостатком данного способа является невозможность его использования для нетокопроводящих материалов исследуемых покрытий и подложки.The main disadvantage of this method is the impossibility of its use for non-conductive materials of the studied coatings and substrates.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей контроля прочности сцепления.The task of the invention is to expand the functionality of the control of adhesion.
Технический результат достигается тем, что поверхность покрытия нагревают и определяют параметр, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой, в отличии от прототипа, в качестве параметра, по которому судят о прочности сцепления покрытия с подложкой, выбирают температуру покрываемой поверхности подложки, полученную путем решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности с использованием измерений температуры подложки на противоположной непокрытой ее стороне.The technical result is achieved by the fact that the surface of the coating is heated and a parameter is determined by which the adhesion strength of the coating to the substrate is judged, in contrast to the prototype, as the parameter by which the adhesion strength of the coating to the substrate is judged, the temperature of the coated surface of the substrate obtained by solving the boundary inverse problem of unsteady heat conduction using measurements of the temperature of the substrate on its opposite uncovered side.
Решение обратной задачи нестационарной теплопроводности при зависящих от температуры теплофизических характеристиках материала теплоприемника можно получить различными способами. Во-первых, для этого используются численные методы (Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988. 286 с., страницы 150-168). При этом необходимо производить вычисления на ЭВМ начиная от начала нагревания или охлаждения твердого тела, и в этот момент времени должно быть известно распределение температуры в нем. Во-вторых, можно использовать аналитическое решение (Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страницы 46-62). Необходимо обратить внимание на то, что при аналитическом решении граничной задачи нестационарной теплопроводности не нужно знать начального распределения температуры в теле, и это является несомненным достоинством метода. В последнем случае, если задача одномерная, тепло распространяется в подложке по направлению 0х, как показано на фиг.1, чего можно добиться, теплоизолировав боковые поверхности и учитывая, что у большинства материалов, используемых в машиностроении, теплофизические свойства (теплопроводность λ и объемная теплоемкость сρ) линейно зависят от температуры Т:The solution of the inverse problem of unsteady heat conduction with temperature-dependent thermophysical characteristics of the material of the heat receiver can be obtained in various ways. First, numerical methods are used for this (Alifanov OM, Artyukhin EA, Rumyantsev SV Extreme methods for solving ill-posed problems and their applications to inverse heat transfer problems. M: Nauka, 1988. 286 p. , pages 150-168). In this case, it is necessary to carry out calculations on a computer starting from the beginning of heating or cooling of a solid, and at this moment in time, the temperature distribution in it should be known. Secondly, you can use the analytical solution (Tsirelman NM Direct and inverse problems of heat and mass transfer. M: Energoizdat, 2005. - 392 p., Pages 46-62). It is necessary to pay attention to the fact that in the analytical solution of the boundary value problem of unsteady heat conduction, it is not necessary to know the initial temperature distribution in the body, and this is an undoubted advantage of the method. In the latter case, if the task is one-dimensional, heat propagates in the substrate in the 0x direction, as shown in Fig. 1, which can be achieved by thermally insulating the side surfaces and taking into account that most materials used in mechanical engineering have thermal properties (thermal conductivity λ and volumetric heat capacity) сρ) linearly depend on temperature Т:
имеем нелинейную граничную ОЗТ для уравнения теплопроводности [Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страница 59]:we have a nonlinear boundary OST for the heat equation [Tsirelman N.M. Direct and inverse problems of heat and mass transfer. M .: Energoizdat, 2005. - 392 p., Page 59]:
при известных в точке с координатой х=0 изменениях температуры во времениwith known at a point with coordinate x = 0 temperature changes in time
- и ее градиента в том же месте- and its gradient in the same place
Эти функции аппроксимируются экспоненциальными рядами вида [Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. М.: Энергоиздат, 2005. - 392 с., страница 49]:These functions are approximated by exponential series of the form [Tsirelman N.M. Direct and inverse problems of heat and mass transfer. M .: Energoizdat, 2005. - 392 p., Page 49]:
Решение этой задачи, с использованием первых трех членов аппроксимирующих рядов, таково:The solution to this problem, using the first three members of the approximating series, is as follows:
где φ обозначает функцию φ(τ), а f обозначает f(τ).where φ denotes the function φ (τ), and f denotes f (τ).
На фиг.1 изображена простейшая схема проведения измерений для решения ОЗТ.Figure 1 shows the simplest measurement scheme for solving OST.
На фиг.2 приведен вид экспериментально установленных функций.Figure 2 shows a view of experimentally established functions.
На фиг.3 показана схема экспериментальной установки.Figure 3 shows a diagram of an experimental setup.
На фиг.4 - результаты решения линейной одномерной обратной задачи теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 5 мм.Figure 4 - the results of solving the linear one-dimensional inverse problem of thermal conductivity on coated samples, when the thickness of the substrate of gray cast iron SCh-15 is 5 mm.
На фиг.5 - результаты решения прямой задачи нестационарной теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 20 мм.Figure 5 - the results of solving the direct problem of unsteady heat conduction on coated samples, when the thickness of the SCH-15 gray cast iron substrate is 20 mm.
На фиг.6 - результаты решения линейной одномерной обратной задачи нестационарной теплопроводности на образцах с покрытием, при толщине подложки из серого чугуна СЧ-15, равной 20 мм.In Fig.6 - the results of solving the linear one-dimensional inverse problem of unsteady heat conduction on coated samples, with an SCH-15 gray cast iron substrate thickness of 20 mm.
Простейшая схема проведения измерений для решения ОЗТ показана на Фиг.1, где обозначено: 1 - нагреваемая или охлаждаемая пластина, δ - толщина пластины, 2 - термодатчик на тыльной стороне, 3 - термодатчик на известном удалении от термодатчика 2, 4 - теплоизоляция. Измерения температуры производятся на тыльной стороне пластины посредством термодатчика 2, ее градиент определяется из разности показаний термодатчиков 2 и 3, пример приведен на фиг.2The simplest measurement scheme for solving OST is shown in Figure 1, where it is indicated: 1 - heated or cooled plate, δ - plate thickness, 2 - thermal sensor on the back side, 3 - thermal sensor at a known distance from the
При нагреве образца со стороны покрытия температура поверхности подложки зависит от термической проводимости на границы системы тел покрытие - подложка, которая напрямую связана с прочностью сцепления покрытия с подложкой. Это и позволяет использовать ее в качестве критерия прочности сцепления покрытия. Таким образом реализуется неразрушающий контроль качества сцепления покрытия с подложкой при условии, что температура нагрева поверхности покрытия не превысит значения, при котором начнется разрушение покрытия.When a sample is heated from the coating side, the temperature of the substrate surface depends on the thermal conductivity at the boundaries of the coating-substrate system of bodies, which is directly related to the adhesion strength of the coating to the substrate. This allows you to use it as a criterion for the adhesion of the coating. In this way, non-destructive quality control of adhesion of the coating to the substrate is realized, provided that the heating temperature of the coating surface does not exceed the value at which the destruction of the coating begins.
Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method
Схема установки для осуществления способа представлена на фиг.3, где изображены: нагреватель 1, теплоизоляция теплонагревателя 2, источник питания 3, покрытие испытуемого образца 4, подложка 5, теплоизоляционный элемент 6, термопары Д1, Д2, ... Дn, измерительное устройство 7, теплоизоляция боковая 8.The installation diagram for implementing the method is presented in figure 3, which shows:
Установка работает следующим образом: при подаче электрической мощности от источника питания 3 к нагревателю 1 создается тепловой поток к покрытию 4 испытуемого образца, при этом теплоизоляция теплонагревателя 2 служит для создания одномерного теплового потока. Со стороны подложки 5 прижимается теплоизоляционный элемент 6, для того чтобы градиент температуры на тыльной стороне образца был равен нулю и для исключения его из расчетов. В теплоизоляционный элемент 6 встроены термопары Д1, Д2, ... Дn, сигнал от которых обрабатывается измерительным устройством 7, боковые поверхности образца изолируются теплоизоляцией 8 для создания одномерного теплового потока qw. Используя показания измерительного устройства о температуре (Tизм) тыльной стороны подложки, на основании решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности определяется температура (Топ) поверхности подложки на границе с покрытием.The installation works as follows: when electric power is supplied from the
При проведении эксперимента с целью тестирования метода решались прямая и обратная задача нестационарной теплопроводности для определения температуры покрываемой поверхности подложки, а также, при известной плотности входящего теплового потока, производились экспериментальные замеры температуры тыльной (непокрываемой) стороны подложки образца при ее полной теплоизоляции, чтобы градиент температуры в месте измерения был равен нулю φ(τ)=0. Использовались образцы материалов с хорошо изученными теплофизическими свойствами из серого чугуна СЧ-15, диаметром 77-0,1 мм, толщиной 5±0,1 мм и 20±0,2 мм с покрытием толщиной 0,2 мм, сформированным при нанесении композиционного металлического порошка, на никель-хромовой основе марки ПГ-ЮНХ15СР2, атмосферным плазменным напылением. Результаты эксперимента приведены на фиг.4, где изображены зависимости температур покрываемой поверхности подложки от времени, найденные из решения нестационарных задач теплопроводности, где:When conducting an experiment to test the method, the direct and inverse problem of unsteady heat conduction was solved to determine the temperature of the coated surface of the substrate, and also, at a known density of the incoming heat flux, experimental measurements were taken of the temperature of the back (uncoated) side of the sample substrate with its full thermal insulation, so that the temperature gradient at the place of measurement was equal to φ (τ) = 0. We used samples of materials with well-studied thermophysical properties from gray cast iron СЧ-15, with a diameter of 77 -0.1 mm, a thickness of 5 ± 0.1 mm and 20 ± 0.2 mm with a coating of 0.2 mm thickness, formed by applying a composite metal powder, on a nickel-chromium basis of the PG-YUNH15SR2 brand, atmospheric plasma spraying. The experimental results are shown in figure 4, which shows the temperature dependence of the surface of the substrate to be coated on time, found from solving non-stationary problems of thermal conductivity, where:
◆ температура, найденная из прямой задачи в образцах с хорошей адгезией,◆ temperature found from a direct problem in samples with good adhesion,
Для того чтобы проверить чувствительность решения ОЗТ к входным данным по толщине подложки образца, был проведен дополнительный анализ на образце с подложкой из серого чугуна СЧ-15 с толщиной, равной 20 мм. Результаты показаны на фиг.5, 6.In order to verify the sensitivity of the OST solution to the input data on the thickness of the sample substrate, an additional analysis was performed on a sample with a SC-15 gray cast iron substrate with a thickness of 20 mm. The results are shown in FIGS. 5, 6.
На фиг.5 изображена зависимость температуры тыльной и покрываемой стороны подложки от времени, где:Figure 5 shows the temperature dependence of the back and the coated side of the substrate on time, where:
На фиг.6 представлены зависимости температур покрываемой поверхности подложки от времени, найденные из решения нестационарных задач теплопроводности при различных условиях, где:Figure 6 presents the time dependence of the temperature of the coated surface of the substrate, found from solving non-stationary problems of thermal conductivity under various conditions, where:
Из рассмотрения фиг.6 видно, что даже при малом изменений температуры тыльной стороны подложки решение линейной одномерной обратной задачи теплопроводности позволяет с высокой точностью определить температуру на большом удалении от точки измерения, при этом не зная начального распределения температур в образце.From the consideration of FIG. 6, it can be seen that even with small changes in the temperature of the back side of the substrate, the solution of the linear one-dimensional inverse heat conduction problem allows one to determine with high accuracy the temperature at a great distance from the measurement point, without knowing the initial temperature distribution in the sample.
Из рассмотрения результатов видно, что разница в значениях температуры подложки при наличии и отсутствии локального отслоения покрытия существенна - это дает возможность их использования для количественной оценки прочности сцепления покрытия.From a consideration of the results, it can be seen that the difference in the substrate temperature in the presence and absence of local delamination of the coating is significant - this makes it possible to use them to quantify the adhesion strength of the coating.
Способ позволяет определять прочность сцепления нанесенных покрытий из любых материалов с подложкой, а также позволяет автоматизировать контроль качества сцепления покрытий с подложкой в процессе его нанесения газотермическими методами, при этом источником нагрева может служить сам распылитель с известными тепловыми характеристиками, а расчет температуры ведется с учетом теплопроводности покрытия в процессе его роста. Это дает возможность подбора оптимальных технологических режимов в процессе нанесения покрытий. Также данным способом можно определять прочность сцепления многослойных композиций типа подложка, подслой, покрытие.The method allows you to determine the adhesion strength of the applied coatings from any materials to the substrate, and also allows you to automate the quality control of adhesion of coatings to the substrate during its application by gas thermal methods, while the atomizer with known thermal characteristics can serve as a heat source, and the temperature is calculated taking into account thermal conductivity coating in the process of its growth. This makes it possible to select the optimal technological conditions in the coating process. Also, this method can determine the adhesion strength of multilayer compositions such as substrate, underlayer, coating.
Итак, заявленное изобретение дает возможность повысить универсальность и расширить функциональные возможности контроля адгезионной прочности.So, the claimed invention makes it possible to increase versatility and expand the functionality of the control of adhesive strength.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006143074/28A RU2330264C1 (en) | 2006-12-05 | 2006-12-05 | Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006143074/28A RU2330264C1 (en) | 2006-12-05 | 2006-12-05 | Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2330264C1 true RU2330264C1 (en) | 2008-07-27 |
Family
ID=39811131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006143074/28A RU2330264C1 (en) | 2006-12-05 | 2006-12-05 | Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2330264C1 (en) |
-
2006
- 2006-12-05 RU RU2006143074/28A patent/RU2330264C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Taylor et al. | Thermophysical properties of thermal barrier coatings | |
| Mohammed et al. | Design and fabrication of coaxial surface junction thermocouples for transient heat transfer measurements | |
| Jiang et al. | A new elliptical-beam method based on time-domain thermoreflectance (TDTR) to measure the in-plane anisotropic thermal conductivity and its comparison with the beam-offset method | |
| Neubauer et al. | The influence of mechanical adhesion of copper coatings on carbon surfaces on the interfacial thermal contact resistance | |
| Ewing et al. | A direct-measurement thin-film heat flux sensor array | |
| Pietrak et al. | Methods for experimental determination of solid-solid interfacial thermal resistance with application to composite materials | |
| Gustavsson et al. | Specific heat measurements with the hot disk thermal constants analyser | |
| RU2490619C1 (en) | Method of determining efficiency factor of super-thin liquid heat-insulating coatings | |
| JP4258667B2 (en) | Thermophysical property measuring method and apparatus | |
| Junior et al. | Simultaneous estimation of thermal properties via measurements using one active heating surface and Bayesian inference | |
| JP4500904B2 (en) | Heat transfer characteristic measuring method and apparatus | |
| Gustavsson et al. | Thermal conductivity as an indicator of fat content in milk | |
| RU2330264C1 (en) | Non-destructive method for estimating adhesive strength of coatings | |
| CA2505305A1 (en) | Fluid temperature measurement | |
| JP2005345385A (en) | Characteristic measuring instrument and characteristic measuring method | |
| Gustafsson | On the development of the hot strip, hot disc, and pulse hot strip methods for measuring thermal transport properties | |
| Nishimura et al. | Measurement of in-plane thermal and electrical conductivities of thin film using a micro-beam sensor: A feasibility study using gold film | |
| RU2594388C2 (en) | Method of determining thermal conductivity coefficient of liquid heat-insulating coatings | |
| RU148273U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF THERMAL CONDUCTIVITY OF PLATES FROM ALUMONITRIDE CERAMICS | |
| Litovsky et al. | Measurement of the thermal conductivity of cold gas dynamically sprayed alumina-reinforced aluminum coatings between− 150 C and+ 200 C. New test method and experimental results | |
| Gustafsson et al. | Measurement of Thermal Transport in Solids with the Hot Disc Method | |
| Kato et al. | Fluctuating temperature measurement by a fine-wire thermocouple probe: influences of physical properties and insulation coating on the frequency response | |
| Sparrow et al. | Novel techniques for measurement of thermal conductivity of both highly and lowly conducting solid media | |
| JP4042816B2 (en) | Moisture content detection sensor | |
| RU2804424C1 (en) | Temperature measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081206 |