RU2753846C1 - Method for determining coating thickness - Google Patents
Method for determining coating thickness Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753846C1 RU2753846C1 RU2020137938A RU2020137938A RU2753846C1 RU 2753846 C1 RU2753846 C1 RU 2753846C1 RU 2020137938 A RU2020137938 A RU 2020137938A RU 2020137938 A RU2020137938 A RU 2020137938A RU 2753846 C1 RU2753846 C1 RU 2753846C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- thickness
- application
- parameters
- installation
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
- G01B5/02—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring length, width or thickness
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологиям нанесения покрытий на детали, и может быть использовано для определения толщины покрытий в процессе их нанесения методом электронно-лучевого испарения с конденсацией в вакууме.The proposed invention relates to the field of mechanical engineering, namely to technologies for applying coatings on parts, and can be used to determine the thickness of coatings during their deposition by the method of electron beam evaporation with condensation in a vacuum.
Известен способ определения толщины покрытия с использованием весового датчика (Гречанюк Н.И., Кучеренко П.П., Мельник А.Г., Ковальчук Д.В., Гречанюк И.Н. Промышленная электронно-лучевая установка L-8 для осаждения теплозащитных покрытий на лопатки турбин. - Производственный раздел - №10. - 2014. - С. 48-53).A known method for determining the thickness of the coating using a weight sensor (Grechanyuk N.I., Kucherenko P.P., Melnik A.G., Kovalchuk D.V., Grechanyuk I.N. coatings on turbine blades - Production section - No. 10. - 2014. - P. 48-53).
Способ основан на том, что после нанесения покрытия масса детали изменяется по сравнению с массой детали до нанесения покрытия. Разница масс фиксируется датчиком. Толщину покрытия определяют путем сопоставления показаний весового датчика и фактической толщины покрытия, полученной в результате металлографических исследований.The method is based on the fact that after coating, the mass of the part changes in comparison with the mass of the part before the coating. The difference in mass is recorded by a sensor. The thickness of the coating is determined by comparing the readings of the load cell and the actual thickness of the coating obtained as a result of metallographic studies.
Недостатком такого способа определения толщины покрытия является погрешность измерений весового датчика и его частый выход из строя, что негативно отражается на выпуске годной продукции (толщина покрытий для разных деталей строго регламентируется). Кроме того, отсутствует четкая математическая зависимость между показаниями весового датчика и фактической толщины покрытия, что позволяет судить об определенной степени необъективности результатов такого контроля.The disadvantage of this method for determining the thickness of the coating is the measurement error of the weight sensor and its frequent failure, which negatively affects the production of suitable products (the thickness of the coatings for different parts is strictly regulated). In addition, there is no clear mathematical relationship between the readings of the weight sensor and the actual thickness of the coating, which makes it possible to judge a certain degree of bias in the results of such control.
Известен способ определения толщины покрытий, при котором покрытия наносят на внутреннюю поверхность осесимметричной детали. Перед началом испарения вещества определяют плотность вещества источника осаждения, плотность вещества покрытия, начальный диаметр цилиндрического источника осаждения и диаметр отверстия полой осесимметричной детали, на которую наносят покрытие. После нанесения покрытия измеряют текущий диаметр источника осаждения и с учетом указанных параметров определяют толщину покрытия (описание изобретения к патенту №1516733 опубл. 23.10.1989).A known method for determining the thickness of coatings, in which the coatings are applied to the inner surface of an axisymmetric part. Before the start of evaporation of the substance, the density of the substance of the deposition source, the density of the coating substance, the initial diameter of the cylindrical source of deposition, and the diameter of the hole in the hollow axisymmetric part to be coated are determined. After applying the coating, the current diameter of the deposition source is measured and, taking into account these parameters, the thickness of the coating is determined (description of the invention to patent No. 1516733 publ. 23.10.1989).
Недостатком такого способа является ограничение по конфигурации покрываемых деталей (данный способ пригоден только для полых осесимметричных деталей), а также факт того, что измерение плотности вещества покрытия справедливо только для однородных пленок, не имеющих структурных составляющих. В случае с керамическими электроннолучевыми покрытиями, помимо внутренней пористости имеет место межкристаллическая пористость, благодаря которой подобные покрытия обладают повышенной термостойкостью. Это приводит к ограниченности материалов, применяемых для нанесения покрытий, и конфигурации покрываемых деталей.The disadvantage of this method is the limitation on the configuration of the parts to be coated (this method is suitable only for hollow axisymmetric parts), as well as the fact that the density measurement of the coating substance is valid only for homogeneous films that do not have structural components. In the case of ceramic electron-beam coatings, in addition to internal porosity, there is intercrystalline porosity, due to which such coatings have increased heat resistance. This leads to limited materials used for coating and the configuration of the parts to be coated.
Наиболее близким способом определения толщины покрытий является способ, в котором для контроля скорости испарения используется датчик ионного потока, установленный в зоне конденсации осаждаемого материала (Ивашев А.Н. Разработка системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Москва, 2009, 11 с.).The closest method for determining the thickness of the coatings is a method in which an ion flow sensor installed in the condensation zone of the deposited material is used to control the evaporation rate (Ivashev A.N. Development of a control system for the coating process in an electron beam installation. technical sciences. - Moscow, 2009, 11 p.).
Ионный поток образуется в зоне испарения в результате ионизации пара основным электронным пучком. Управление скоростью испарения в электронно-лучевой установке производится с помощью математической модели. В качестве контролируемых параметров в данной модели используются ток накала катода и анодное напряжение.The ion flow is formed in the evaporation zone as a result of vapor ionization by the main electron beam. Evaporation rate control in an electron beam setup is performed using a mathematical model. The cathode filament current and anode voltage are used as controlled parameters in this model.
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
- изменение технических характеристик электронно-лучевой установки, а именно установка в рабочую камеру установки ионного датчика, что не всегда осуществимо в условиях производства;- changes in the technical characteristics of the electron-beam installation, namely, the installation of an ion sensor in the working chamber, which is not always feasible in production conditions;
- выбор плотности потока пара в качестве регулируемой величины. Плотность потока является косвенным параметром, отображающим массовую скорость испарения вещества;- selection of the steam flow density as an adjustable value. Flux density is an indirect parameter that reflects the mass rate of evaporation of a substance;
- при разработке системы управления процессом нанесения покрытий использовалась методика, основанная на взвешивании контрольных образцов изделий до и после нанесения покрытия. Прирост массы также является косвенным методом оценки толщины покрытий.- when developing a control system for the coating process, a technique was used based on weighing control samples of products before and after coating. Weight gain is also an indirect method for evaluating coating thickness.
Следует учитывать тот факт, что на криволинейных и плоских поверхностях условия конденсации пара будут отличаться, что приведет к неравномерности толщины покрытия. Кроме того, при этом способе использовалась электронно-лучевая установка со стационарным размещением покрываемых деталей. Это делает данный способ непригодным для промышленных электронно-лучевых установок с вращающимся штоком.It should be borne in mind that on curved and flat surfaces, the vapor condensation conditions will differ, which will lead to uneven coating thickness. In addition, this method used an electron-beam installation with a stationary placement of the parts to be coated. This makes this method unsuitable for industrial rotating rod cathode ray systems.
Недостатками известных способов определения толщины покрытия является отсутствие учета влияния основных параметров установки, таких как ток подогрева, время нагрева, ток нагрева и время нанесения покрытия, на его толщину, что позволяет судить об определенной степени необъективности результатов такого контроля.The disadvantages of the known methods for determining the thickness of the coating is the lack of taking into account the influence of the main parameters of the installation, such as heating current, heating time, heating current and time of coating, on its thickness, which makes it possible to judge a certain degree of bias in the results of such control.
Технической задачей изобретения является создание способа определения толщины покрытия, позволяющего установить взаимосвязь между толщиной покрытия и задаваемыми параметрами установки, формирующими данное покрытие.The technical object of the invention is to provide a method for determining the thickness of the coating, which makes it possible to establish the relationship between the thickness of the coating and the set parameters of the installation that form this coating.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины покрытия в процессе его нанесения за счет учета основных параметров установки при его нанесении.The technical result of the invention is to improve the accuracy of determining the thickness of the coating during its application by taking into account the main parameters of the installation during its application.
Дополнительным техническим результатом является расширение технологических возможностей способа нанесения покрытий за счет расширения материалов, применяемых для нанесения покрытий, и конфигурации покрываемых деталей.An additional technical result is the expansion of the technological capabilities of the coating method by expanding the materials used for coating, and the configuration of the parts to be coated.
Технический результат достигается тем, что в способе определения толщины покрытия, включающем измерение значений параметров установки для его нанесения, в отличие от известного, используют предварительно сформированную базу данных измеренных значений толщин покрытий и соответствующих им параметров установки при их нанесении для определенного типа деталей, по которой строят математическую модель, отражающую взаимосвязь между толщиной наносимого покрытия и параметрами установки при его нанесении:The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the thickness of the coating, including measuring the values of the parameters of the installation for its application, in contrast to the known one, a pre-formed database of the measured values of the thicknesses of the coatings and the corresponding parameters of the installation is used when they are applied for a certain type of parts, according to which build a mathematical model reflecting the relationship between the thickness of the applied coating and the parameters of the installation during its application:
где А, В, С, D, Е - коэффициенты уравнения регрессии, полученные с помощью статистической обработки данных;where A, B, C, D, E are the coefficients of the regression equation obtained using statistical data processing;
In - ток подогрева, А;I n - heating current, A;
τn - время нагрева, мин;τ n — heating time, min;
Iн - ток нагрева, А;I n - heating current, A;
τн - время нанесения, мин;τ n - application time, min;
k, l, m, n - расчетные коэффициенты, полученные с помощью статистической обработки данных.k, l, m, n - calculated coefficients obtained using statistical data processing.
Перед нанесением покрытия по полученной зависимости рассчитывают толщину наносимого покрытия, корректируя параметры установки для его нанесения до обеспечения требуемой толщины.Before applying the coating, according to the obtained dependence, the thickness of the applied coating is calculated, adjusting the parameters of the installation for its application to ensure the required thickness.
Способ контроля толщины покрытия состоит в следующем.The method for controlling the thickness of the coating is as follows.
Предварительно формируют базу данных зависимостей толщины покрытия от параметров его нанесения, таких как ток подогрева, время нагрева, ток нагрева, время нанесения, стандартными методами, например, путем металлографического анализа, для чего из исследуемого образца изготавливается микрошлиф. Толщина покрытия регистрируется с помощью средств микроскопии. Степень адекватности прогнозирования толщины покрытия можно повышать при пополнении базы данных на основании результатов разрушающего контроля.A database of dependences of the coating thickness on the parameters of its application, such as heating current, heating time, heating current, application time, is preliminarily formed by standard methods, for example, by metallographic analysis, for which a microsection is made from the sample under study. The thickness of the coating is recorded using microscopic means. The degree of adequacy of predicting the thickness of the coating can be increased when replenishing the database based on the results of destructive testing.
Проводят корреляционный анализ для установления существования значимых связей между параметрами нанесения и толщиной покрытия, в результате чего получают матрицу корреляций с требуемой доверительной вероятностью, например, с помощью прикладного пакета статистической обработки данных STATISTICA. На основании матрицы корреляции проводят оценку значимости указанных параметров установки.Correlation analysis is carried out to establish the existence of significant relationships between the application parameters and the coating thickness, as a result of which a correlation matrix is obtained with the required confidence level, for example, using the STATISTICA statistical data processing application. Based on the correlation matrix, the significance of these parameters of the installation is assessed.
Выявляют зависимость между параметрами установки при нанесении покрытий (ток нагрева поверхности детали Iн, ток испарения керамического слитка In, время испарения керамического слитка τn и время нагрева поверхности детали τн) и толщиной покрытия детали δ, сформированного по параметрам установки. Для аппроксимации данных составляют математическую модель, отражающую взаимосвязь между толщиной покрытия δ и параметрами нанесения покрытия (In - ток подогрева, τn - время нагрева, Iн - ток нагрева, τн - время нанесения), выраженную в виде функциональной зависимости δ=f (In, τn, Iн, τн).A relationship is revealed between the parameters of the installation during the deposition of coatings (heating current of the surface of the part I n , the evaporation current of the ceramic ingot I n , the evaporation time of the ceramic ingot τ n and the heating time of the surface of the part τ n ) and the thickness of the coating of the part δ, formed according to the parameters of the installation. To approximate the data, a mathematical model is compiled, reflecting the relationship between the coating thickness δ and the coating application parameters (I n - heating current, τ n - heating time, I n - heating current, τ n - application time), expressed as a functional dependence δ = f (I n , τ n , I n , τ n ).
Математическая модель может быть выражена формулой:The mathematical model can be expressed by the formula:
где А, В, С, D, Е - коэффициенты уравнения регрессии;where A, B, C, D, E are the coefficients of the regression equation;
In - ток подогрева, А;I n - heating current, A;
τn - время нагрева, мин;τ n — heating time, min;
Iн - ток нагрева, А;I n - heating current, A;
τн - время нанесения, мин;τ n - application time, min;
k, l,m,n - расчетные коэффициенты;k, l, m, n - calculated coefficients;
δ - толщина покрытия.δ - coating thickness.
Для нахождения численных значений коэффициентов уравнения регрессии А, В, С, D, Е используют методы регрессионного анализа при условии минимизации средних квадратичных отклонений при получении максимального коэффициента детерминации с помощью методов статистической обработки данных.To find the numerical values of the coefficients of the regression equation A, B, C, D, E, the methods of regression analysis are used, provided that the standard deviations are minimized while obtaining the maximum coefficient of determination using methods of statistical data processing.
После получения математической модели путем ввода соответствующих параметров нанесения покрытия рассчитывают значение прогнозируемой толщины покрытия.After obtaining a mathematical model by entering the corresponding parameters of the coating, the value of the predicted coating thickness is calculated.
Корректируют параметры нанесения покрытия для обеспечения заданной толщины, после чего проводят процесс нанесения покрытия при этих параметрах.Coating parameters are adjusted to ensure the specified thickness, after which the coating process is carried out with these parameters.
Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.
Для оценки точности предлагаемого способа контроля было проведено экспериментальное нанесение термобарьерных покрытий из керамического материала ZrO2-8% Y2O3 на пять изделий типа «рабочая лопатка» по заданным параметрам электронно-лучевой установки.To assess the accuracy of the proposed control method, an experimental application of thermal barrier coatings made of ceramic material ZrO 2 -8% Y 2 O 3 was carried out on five products of the "rotor blade" type according to the specified parameters of the electron beam installation.
Экспериментальные значения толщины покрытия δэксп (база данных) были получены путем металлографического анализа.The experimental values of the coating thickness δexp (database) were obtained by metallographic analysis.
С помощью прикладного программного пакета статистической обработки данных STATISTICA была получена матрица парных корреляций между параметрами, описывающими зависимость толщины покрытий, при доверительной вероятности Р=0,95, представленная в таблице 1.Using the applied software package for statistical data processing STATISTICA, a matrix of pairwise correlations between the parameters describing the dependence of the coating thickness, with a confidence level of P = 0.95, presented in Table 1, was obtained.
Как показал корреляционный анализ, все указанные параметры являются значимыми.Correlation analysis showed that all of these parameters are significant.
Для аппроксимации данных была предложена модель вида:To approximate the data, a model of the form was proposed:
δ=-6,76+4,8⋅In -1,8+8,7⋅τn -0,4+0,62⋅Iн 96+0,46⋅τн 1,2.δ = -6.76 + 4.8⋅I n -1.8 + 8.7⋅τ n -0.4 + 0.62⋅I n 96 + 0.46⋅τ n 1.2 .
Данные процессов напыления термобарьерных покрытий представлены в таблице 2.The data of the processes of spraying thermal barrier coatings are presented in Table 2.
Для оценки адекватности полученной математической модели определения толщины покрытия было проведено сравнение между расчетными δрасч и экспериментальными δэксп значениями толщины покрытия, представленное в таблице 3.To assess the adequacy of the obtained mathematical model for determining the thickness of the coating, a comparison was made between the calculated δcalculated and experimental δexp values of the coating thickness, presented in Table 3.
Среднее значение относительной погрешности А составляет 4,24%, что является допустимым в условиях нанесения термобарьерных покрытий на изделия сложной геометрии типа "рабочая лопатка".The average value of the relative error A is 4.24%, which is permissible under the conditions of applying thermal barrier coatings on products of complex geometry, such as the "rotor blade".
Таким образом, проведенные исследования позволили предложить способ определения толщины покрытия, позволяющий управлять толщиной термобарьерного покрытия путем задания технологических параметров нанесения в электронно-лучевой установке для нанесения покрытий.Thus, the studies carried out made it possible to propose a method for determining the thickness of the coating, which makes it possible to control the thickness of the thermal barrier coating by setting the technological parameters of deposition in an electron-beam installation for coating.
Кроме того, способ применим для нанесения покрытий из разных материалов на детали разной конфигурации благодаря статистической обработке значений технологических параметров процесса нанесения покрытий.In addition, the method is applicable for the deposition of coatings from different materials on parts of different configurations due to the statistical processing of the values of the technological parameters of the coating process.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137938A RU2753846C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Method for determining coating thickness |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137938A RU2753846C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Method for determining coating thickness |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2753846C1 true RU2753846C1 (en) | 2021-08-24 |
Family
ID=77460460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020137938A RU2753846C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Method for determining coating thickness |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2753846C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2014364C1 (en) * | 1990-10-02 | 1994-06-15 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Vacuum plant for electron-beam sputtering of coatings |
| US5879519A (en) * | 1988-02-08 | 1999-03-09 | Optical Coating Laboratory, Inc. | Geometries and configurations for magnetron sputtering apparatus |
| RU106249U1 (en) * | 2010-11-18 | 2011-07-10 | Закрытое акционерное общество "Научное и технологическое оборудование" | DEVICE FOR METAL COATING ON SUBSTRATES |
| RU2496912C1 (en) * | 2012-02-17 | 2013-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of coating application by electron beam evaporation in vacuum |
-
2020
- 2020-11-18 RU RU2020137938A patent/RU2753846C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5879519A (en) * | 1988-02-08 | 1999-03-09 | Optical Coating Laboratory, Inc. | Geometries and configurations for magnetron sputtering apparatus |
| RU2014364C1 (en) * | 1990-10-02 | 1994-06-15 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Vacuum plant for electron-beam sputtering of coatings |
| RU106249U1 (en) * | 2010-11-18 | 2011-07-10 | Закрытое акционерное общество "Научное и технологическое оборудование" | DEVICE FOR METAL COATING ON SUBSTRATES |
| RU2496912C1 (en) * | 2012-02-17 | 2013-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of coating application by electron beam evaporation in vacuum |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2021010415A1 (en) | Machine learning method, machine learning device, machine learning program, communication method, and film-forming device | |
| Planques et al. | Mechanical and thermo-physical properties of plasma-sprayed thermal barrier coatings: a literature survey | |
| Majeed et al. | An investigation into the influence of processing parameters on the surface quality of AlSi10Mg parts by SLM process | |
| RU2753846C1 (en) | Method for determining coating thickness | |
| Aleksanoglu et al. | Determining a critical strain for APS thermal barrier coatings under service relevant loading conditions | |
| US7376518B2 (en) | System and computer program product for non-destructive quantification of thermal barrier coating temperatures on service run parts | |
| US7319531B2 (en) | Method for measuring a thickness of a coating | |
| EP2256474B1 (en) | Method for determining properties of heat-insulating ceramic coating materials | |
| Lyphout et al. | Relationships between process parameters, microstructure, and adhesion strength of HVOF sprayed IN718 coatings | |
| Mauer et al. | Monitoring and improving the reliability of plasma spray processes | |
| Subramanian et al. | Thermo-mechanical fatigue failure of thermal barrier coated superalloy specimen | |
| JP2001304845A (en) | Method and device for measuring thickness by photothermal analysis of material layer and computer program for photothermal analysis | |
| GB2125171A (en) | A method of sensing the amount of a thin film deposited during an ion plating process | |
| Wei et al. | A simple method for evaluating elastic modulus of thin films by nanoindentation | |
| Waki et al. | Evaluation of the accuracy of Young’s moduli of thermal barrier coatings determined on the basis of composite beam theory | |
| RU2415408C1 (en) | Method of determining thermal characteristics of heatproof coats | |
| Zhao et al. | Nondestructive testing of the fatigue properties of air plasma sprayed thermal barrier coatings by pulsed thermography | |
| Zhao et al. | Experiments, statistical analysis, and modeling to evaluate the porosity influence in SPS coatings | |
| Pandey et al. | Thermomechanical behavior of developmental thermal barrier coating bond coats | |
| JP7481184B2 (en) | Machine learning method, machine learning device, machine learning program, communication method, and film formation device | |
| Schwaller et al. | Rapid depth profiling of lead zirconate titanate (PZT) thin films by pulsed glow‐discharge optical emission spectroscopy | |
| Parker et al. | Deconstructing DB ASTM G85-A2 Testing Environment with In-Situ Measurements | |
| Boitsov et al. | Improving the safety of aluminum press molds by protecting them from wear and corrosion by the microarc oxidation method | |
| JP7481185B2 (en) | Machine learning method, machine learning device, machine learning program, communication method, and film formation device | |
| RU2792255C1 (en) | Method for determining the catalytic activity of materials and coatings |