专利名称：再制造零件涂层结合强度检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层检测设备领域，尤其涉及一种再制造零件涂层结合强度检测仪。
背景技术：
热喷涂技术，尤其是超音速等离子喷涂技术，是制备表面涂层的重要技术，它赋予了零件表面耐磨性、耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳等多种特殊性能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命的目的。喷涂粒子以熔融或半熔融形式高速撞击基体表面产生变形、镶嵌填补，最终咬合在基体材料表面，形成机械锚合连接，辅以局部的微冶金结合，只能获得相对较好的涂层界面结合强度。由于再制造零件涂层界面存在相当程度的组织缺陷，并且服役工程中首先受到外载荷的作用，因此，涂层界面结合强度的优劣就成为决定再制造零件质量好坏的重要因素。再制造的工程实践迫切需要能够在生产现场对具有各种形状、各种尺寸的再制造零件的表面涂层结合强度测量方法。而对于实际的现场测试，测量方法除了要保证测量精度以外，还应满足一些特殊的要求:对基体零件的形状不太敏感，喷涂零件的形状可能会多种多样，一种适用现场测量的方法就应该对任何或多数形状的喷涂层都可以测定；对基体最好没有损伤，否则就会在基体表面产生局部破坏，大大减短再制造产品的寿命周期；测量过程应简单便捷，实际的喷涂层会存在不均匀性，需要在不同的位置测量多次，以得到精确的测量结果，这就要求测量过程容易操作和控制。目前被广泛应用的测量技术却难以满足这些要求，例如，拉伸法只能进行标准试样的拉伸试验，不能直接检测零件，且不适合评价高结合强度的涂层；剪切法常用于测量较厚涂层与基体的界面剪切强度，其同样受到基体材料形状的限制；弯曲法测涂层结合强度中较为常见的是悬臂梁弯曲、三点弯曲和四点弯曲，这种方法对于形状较为复杂的再制造零件表面涂层无能为力；划痕法近年来得到了广泛使用，这种方法对试样的制作没有严格要求，操作十分方便，但其更适合评价薄膜，并不适合于较厚的喷涂层；动态测量法对试样的形状尺寸的要求更为严格，更加不适合现场评价结合强度。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种再制造零件涂层结合强度检测仪，可以对再制造零件的表面涂层结合强度进行检测，检测准确度高、携带使用方便。实现本发明目的的技术方案具体如下:本发明提供一种再制造零件涂层结合强度检测仪，该检测仪包括:压头驱动机构、控制装置和位移检测部件；其中，压头驱动机构由驱动装置和该驱动装置通过传动机构驱动的压头构成；控制装置与压头驱动机构的驱动装置电连接；压头驱动机构上设有测量压头位移量和传动机构的拉簧伸长量并以电信号输出的位移检测部件。
上述检测仪中，所述压头驱动机构的传动机构包括:螺杆、螺母、拉簧、斜块、压簧和导轨；其中，螺杆一端连接驱动装置的动力输出端；螺母活动套设在螺杆上；螺母前端与拉簧连接；拉簧前端与斜块连接；螺母和斜块均设置在平直的导轨上，能沿导轨直线滑动；斜块顶部的斜面上设有压头安装位，压头安装位处设有压簧，压簧套设在压头安装位上安装的压头上。上述检测仪中，所述检测仪还包括:外壳，压头驱动机构的驱动装置、传动机构和压头均设置在外壳内，压头从外壳前端的侧壁上伸出，外壳尾部设有提手部件。上述检测仪中，所述外壳的中间部位设有定位环。与该定位环联用用于检测内孔类再制造零件涂层。上述检测仪还包括:支撑机构，支撑机构包括支撑柱和被测物支撑平台；其中，支撑柱上端设有安装压头驱动机构的安装位；被测物支撑平台设置在支撑柱的中间部位，与支撑柱上端的所述安装位内装入的压头驱动机构的压头相对应。与该支撑机构联用用于检测暴露于外表面的再制造零件涂层。上述检测仪中，所述压头驱动机构的驱动装置采用伺服电机。上述检测仪还包括:声发射装置，声发射装置的声发射探头设置在压头处的被测物上，声发射装置的主机与声发射探头连接。上述检测仪中，，所述压头驱动机构的压头包括:金刚石压头或碳化钨压头；所述碳化鹤压头为球形压头，其直径为3mm、4mm或5mm。上述检测仪中，所述位移检测部件为位移传感器。上述检测仪还包括:处理显示装置，与所述位移检测部件连接，处理所述位移检测部件输出的电信号得出检测结果并显示输出。本发明的有益效果是:通过控制装置与压头驱动机构配合，可以实现有效控制压头驱动机构的压头以不同的压入加载速度、压入交变频率、压入载荷量级等向被测物的表面涂层压入以进行检测，而通过位移检测部件，可将压头位移量和传动机构的拉簧伸长量准确转换为电信号并输出，并以声发射信号实时监测压入的整个过程，从而以声发射信号特征、压入临界载荷评价涂层与基体的结合强度。该检测仪具有结构简单、携带方便，检测准确等优点。
下面给出实施例描述中所需要使用的附图。图1为本发明实施例提供的检测仪的结构示意图2为本发明实施例提供的检测仪的外形结构示意图；图3为本发明实施例提供的检测仪的另一外形结构示意图；图4为本发明实施例提供的检测仪的涂层界面压入检测的示意图；图5为本发明实施例提供的检测仪的涂层表面压入检测的示意图；图6为本发明实施例提供的检测仪构成的检测系统的示意图；图中各标号表示的部件名称为:1-控制装置；2_驱动装置；3-螺杆；4-螺母；5-导轨；6_拉簧；7_斜块；8_压簧；9-压头；10_第一位移传感器；11_第二位移传感器；12-处理显示装置；121-显示器或显示仪表；13-外壳；131-提手部件；14-定位环；15-支撑机构；151-压板；101-被测零件的基体；102-被测零件的涂层；103-被测零件的基体与涂层之间的
结合界面；200-控制主机；201-控制装置；202_检测仪；203_支撑机构；204_声发射装置；205-被测零件；206_声发射装置的显示计算机。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此为应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明实施例提供的再制造零件涂层结合强度检测仪，如图1所示，可用于零件，特别是再制造零件涂层结合强度的检测，该检测仪包括:压头驱动机构、控制装置和位移检测部件；其中，压头驱动机构由驱动装置和该驱动装置通过传动机构驱动的压头构成；控制装置与压头驱动机构的驱动装置电连接，用于接收压入参数，并根据压入参数直接控制驱动装置，驱动传动机构对压头的压入方式进行加载，实现了压入载荷的多样性；压头驱动机构上设有测量压头位移量和传动机构的拉簧伸长量并以电信号输出的位移检测部件，位移检测部件可采用位移传感器，可将检测到的压头的位移量和传动机构的拉簧伸长量转换成电信号传输至处理显示装置，通过处理显示装置处理后并显示。上述检测仪中，压头驱动机构的驱动装置可采用伺服电机，以便于控制装置控制，输出不同大小的转矩，以转换至压头输出不同的压入力。上述检测仪中，压头驱动机构的传动机构包括:螺杆、螺母、拉簧、斜块、压簧和导轨；其中，螺杆一端连接驱动装置的动力输出端；螺母活动套设在螺杆上，能在螺杆转动时，沿在螺杆上的螺纹作用下，沿螺杆移动；螺母前端与拉簧连接；拉簧前端与斜块连接；螺母和斜块均设置在平直的导轨上，能沿导轨直线滑动；斜块顶部的斜面上设有压头安装位，压头安装位处设有压簧，压簧套设在压头安装位上安装的压头上。这种结构的传动机构可将驱动装置的转矩转化为直线运动输出至斜块，并由斜块转化为垂直方向的力传递给压头，使压头能够产生向下的压力。上述检测仪还包括:外壳，压头驱动机构的驱动装置、传动机构和压头均设置在外壳内，压头前端从外壳前端的侧壁上伸出，外壳尾部设有提手部件。在外壳的中间部位可以设置定位环作为辅助支撑，通过定位环可使该检测仪在检测环形或零件内表面的涂层时，可以起到限位、定位及支撑的作用，提高检测仪的稳定性，从而保证检测的准确性。上述检测仪还包括:支撑机构，支撑机构包括支撑柱和被测物支撑平台；其中，支撑柱上端设有安装压头驱动机构的安装位；被测物支撑平台设置在支撑柱的中间部位，与支撑柱上端的所述安装位内装入的压头驱动机构的压头相对应。通过支撑机构可用于检测暴露于外表面的再制造零件涂层，稳定性更好，从而提高测量的准确性。上述检测仪的控制装置、位移检测部件以及处理显示装置等也均可以设置在外壳内，这样形成一体化检测仪，便于携带至不同工作现场对再制造零件的涂层结合强度进行检测。上述检测仪还包括:声发射装置(可用现有的声发射装置，如美国物理声学公司(简称PAC)的PC1-2型声发射监测仪)，声发射探头与压头处的被测物对应。通过声发射装置可以对压头的压入过程在线监测，提高压头压入检测的准确性。上述检测仪中，压头驱动机构的压头包括:金刚石压头或碳化钨压头。碳化钨压头为球形压头，其直径为3mm、4mm或5mm。上述检测仪中的位移检测部件可采用位移传感器，可采用两个位移传感器，一个检测压头驱动装置的传动机构的拉簧的伸长量并转换成电信号输出，一个检测斜块的位移量并转换成电信号输出，使得根据两个位移传感器输出的电信号，即可准确控制压入深度与压入载荷。上述检测仪还可以包括一处理显示装置，可设置在该检测仪的外壳内，与两个位移检测部件(即两个位移传感器电连接)，处理位移检测部件的电信号得出检测结果并显示输出。处理显示装置中可以通过单片机、显示器或(也可以是显示仪表)实现。下面结合具体实施例对本发明的检测仪作进一步详细说明。本发明实施例的检测仪，主要是利用压入法实现对再制造零件的涂层强度进行检测的。目前利用压入法(采用洛氏硬度计的圆锥或球形压头)结合声发射技术测量真空沉积薄膜有相关的研究，但目前对检测较厚且微缺陷较多的喷涂层结合强度的研究还鲜有报道。原因归纳如下:1)在实际应用中的热喷涂层较厚(约100 500 μ m)，远大于薄膜(通常小于10 μ m)的厚度，且随着材料的不同涂层往往呈现不同的韧脆性，因此在表面压入时选择合理的压头尺寸和压入载荷存在着一定的困难；2)热喷涂层成形过程中不可避免地存在着孔隙、微裂纹、未熔颗粒、层状结构等的天然缺陷，在宏观的压入过程中，这些缺陷也在压头作用下产生不同程度微断裂，影响了声发射信号判断涂层开裂的准确性；3)表面涂层特有的复杂内部结构导致了压入过程中声发射信号的离散性，较难于从小样本条件下考察其演变规律。J.V.Stebut等采用压入法结合声发射技术对薄膜的结合强度进行了系统的研究，认为声发射信号能量参数最适合表征涂层的环状开裂或剥落，同时对声发射探头的安放位置进行了优化。但这种方法研究中采用的洛氏硬度计，虽依靠圆锥或球形压头可实现结合强度表征，但受限于这类硬度计无法实现多种加载方式，给声发射信号、载荷和裂纹状态建立紧密联系造成了困难。易茂中等学者研制了可以实现连续加载的专门压入仪器，结合声发射信号可以对涂层的结合强度进行精确表征，取得了不错的效果，但由于采用的显微硬度计压头较小，比较适用于进行基体与涂层的结合界面测量(见图5)，对表面直接测量则难以获得理想的效果(见图6所示)。并且针对韧性涂层，因其塑性变形较大，尽管压入深度很大，甚至压坏基体，却仍无法实现涂层界面的断裂失效，因此并无法适用于再制造零件表面涂层结合强度的测量。而本发明的检测仪则克服了上述利用压入法检测薄膜和结合界面的仪器的缺点，可以对表面涂层的结合强度直接进行测量。如图1所示，该检测仪可对通过压头驱动机构的压头向所检测的再制备零件的涂层表面施加载荷，诱使涂层发生断裂失效，通过检测涂层失效的临界值表征涂层界面的结合强度，主要包括控制装置、压头驱动机构和位移传感器；其中，控制装置接收输入的压入参数，直接控制压头驱动机构的压头加载方式，实现了载荷的多样性；压头驱动机构精确地将作为驱动装置的伺服电机的输出扭矩转换为了压头垂直压入涂层试样表面的驱动力，对涂层的结合强度进行检测。上述压头驱动机构可以配有两种材料的压头:金刚石压头与碳化钨压头。当试样涂层的硬度过大时，选用金刚石压头，其他则选用碳化钨压头。并且碳化钨压头可加工成三种不同直径的球形压头，分别为3mm、4mm、5mm，可再根据被测试样涂层的不同材料特性选择尺寸合适的压头。必要时亦可根据特殊需求更换定制压头，以满足不同涂层的压入检测需求。上述压头驱动机构是本发明检测仪的核心部件，作为该检测仪的压入加载系统，其功能是将伺服电机的输出扭矩通过一系列机械运动转换为压头垂直压入涂层试样表面的驱动力，该压头驱动机构参见图1，由压头，斜块，拉簧，螺杆和伺服电机等部件组成，工作原理如下:伺服电机转动，带动螺杆旋转，通过螺母将旋转运动转化为直线运动；拉簧一端固定在螺母上，一端固定在斜块上；在压头没有遇到障碍物(测试材料)时，由于斜块的楔入，压头伸出直到接触到被测试涂层材料；此时由于阻力增大，在压头压入机体的同时，拉簧不断伸长，提供的压力也不断增大；如果电机停止运动，由拉簧通过斜块作用在压头上产生的压力与机体阻力平衡，一直保持压入状态，如果电机不做反向运动，将一直保持这种压入状态直到电机复位实现卸载。其中为了保证螺母，拉簧，斜块直线运动，螺母和斜块都固定在直线导轨上；压头与斜块运动方向呈90°布置，小压簧让压头紧贴在斜块的斜面上，在卸去压力时能自动复位。上述检测仪中，作为位移检测部件的两个位移传感器(第一、第二位移传感器)，一个位移传感器(即第一位移传感器)安装传动机构的斜块处，读取斜块的位移量，换算出压头的压入深度，达到压入深度准确控制的目的，可实现针对不同厚度的涂层的压入要求，避免压入过深导致基体破坏或压入过浅无法有效损伤界面；另一个位移传感器(即第二位移传感器)安装在拉簧之间，检测拉簧的拉伸量，换算出压入载荷，达到较准确控制加载力的目的，可实现针对不同力学性能的涂层(合金、陶瓷或金属陶瓷)分别设计压入载荷，并且可以为作为驱动装置伺服电机提供过载保护，即将过载时报警并切断电源。上述检测仪还可以包括辅助支撑，在工作时检测仪与辅助支撑设备(如支撑机构或定位环)进行联用保证了测量的稳定性和准确性，也满足了涂层暴露于外表面的再制造零件和内孔类再制造零件的涂层结合强度检测。支撑机构包括支撑柱和被测物支撑平台；其中，支撑柱上端设有安装压头驱动机构的安装位(可以是圆环形，以套设安装检测仪)；被测物支撑平台设置在支撑柱的中间部位，与支撑柱上端的所述安装位内装入的压头驱动机构的压头相对应。当检测标准试块或涂层位于暴露的外表面的再制造零件时，该检测仪可以与支撑机构联合使用，达到使用稳定的要求如图4所示。当对发动机缸筒等内孔类零件检测时，该检测仪可以实现探入式检测，通过加装定位环实现操作平稳的目的，如图3所示。可见，该检测仪所采用的外形辅以不同支撑也可以满足普适性的要求。上述检测仪还可以设置处理显示装置，与作为位移检测部件的两个位移传感器连接，接收两个位移传感器分别检测到的传动机构的斜块的位移量(换算压入深度)和拉簧的伸长量(换算压入载荷)转换后的电信号，进行处理后得出检测结果，并将检测结果在处理显示装置(可包括显示器或智能仪表盘)上显现出来，达到了控制压入载荷和压入深度的目的；上述检测仪还可以设置声发射装置，从而实现在线动态监测压入过程中涂层裂纹扩展行为。声发射技术是一种成熟的无损在线监测技术，已经在多个工业应用和材料实验领域得到了广泛的认可。基于声发射信号对于材料断裂反馈的敏感性和准确性，本发明的检测仪中选用声发射技术作为涂层界面结合失效在线监测的手段。可采用美国物理声学公司(简称PAC)的PC1-2型声发射监测仪进行涂层压入试验的在线监测。该这种声发射装置可实现双通道条件下的在线监测，其主要由Nano30型探头、前置放大器、PC1-2采集卡、Disp便携箱、信号传输设备等部件组成。Nano30型探头利用压电效应，将材料表面由于内部断裂产生的微振动传化为电信号，该探头的工作温度为-66至177°C，频响范围125-750kHz，谐振频率为140kHz ;前置放大器可以将探头转换的电信号进行一定程度的加强，以防止在电缆线传输过程中电信号发生过度散射和衰减，设三级放大水平，即20dB、40dB、60dB ；PC1-2采集卡将送至的电信号转换为数字信号，同时分析信号特性参数，提取特征波形；Disp便携箱充分保护采集卡，同时也是信号传输设备的中转端；信号传输设备有电缆线、连接卡等组成，起到传输数据至PC机的作用。实际中，本发明的检测仪的声发射装置可采用AEwin软件对声发射信号进行实时监控、分析。AEwin是PAC公司自主研发的声发射信号专用处理软件，具有十分强大的前后处理功能。通过对软件的合理设置，可以对反应不同信息的声发射信号各个特征参数进行实时分析，并通过设置合适的门槛值实现对临界失效状态的准确捕捉，发出预警信息，同时还可以与其他软件兼容处理数据，实现功能的多元化。检测过程中采用耦合剂将探头放置在涂层表面，实时捕捉压入过程试样裂纹扩展行为。上述检测仪与各装置配合构成的检测系统，该检测系统如图6所示，包括控制主机、控制装置、检测仪、支撑机构、声发射装置、被测零件和声发射装置的显示计算机。本发明的检测仪相比同类的测量技术与检测设备具有以下显著的特点:第一，作为压入加载系统的压头驱动机构采用运行平稳的伺服电机，能够保证对检测的零件实现连续加载或交变加载，且可由控制装置控制加载速度、交变频率、载荷量级等参数；第二，可配有不同材料、不同直径的压头，通过分析不同涂层基体体系的特性，选取材料、形状最为适宜的压头；第三，该检测仪安装位移传感器作为位移检测部件，可准确显示斜块的位移量和弹簧的伸长量，作为试验设备的压入反馈量，以达到控制压入厚度或压入载荷的目的；
第四，通过设置支撑机构，可保证测量时的稳定性和准确性，检测仪在工作时与支撑机构进行联用，可实现对各类涂层的压入加载；第五，引入声发射装置，利用声发射无损检测技术对压入过程进行动态实时在线检测，准确捕捉裂纹萌生和扩展信息；第六，该检测仪具有简单、轻便的外形，操作过程相当方便，测量结果也非常直观，可满足工厂现场对涂层类再制造零件的要求。上述仅是本发明较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限在这些实施例，本技术领域的技术人员在本发明披露技术范围内，可以想到的变化及替换，都在本发明保护范围内。因此，本发明保护范围以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，该检测仪包括: 压头驱动机构、控制装置和位移检测部件；其中， 压头驱动机构由驱动装置和该驱动装置通过传动机构驱动的压头构成； 控制装置与压头驱动机构的驱动装置电连接； 压头驱动机构上设有测量压头位移量和传动机构的拉簧伸长量并以电信号输出的位移检测部件。
2.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述压头驱动机构的传动机构包括: 螺杆、螺母、拉簧、斜块、压簧和导轨；其中， 螺杆一端连接驱动装置的动力输出端； 螺母活动套设在螺杆上； 螺母前端与拉簧连接； 拉簧前端与斜块连接； 螺母和斜块均设置在平直的导轨上，能沿导轨直线滑动； 斜块顶部的斜面上设有压头安装位，压头安装位处设有压簧，压簧套设在压头安装位上安装的压头上。
3.根据权利要求1或2所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括: 外壳，压头驱动机构的驱动装置、传动机构和压头均设置在外壳内，压头从外壳前端的侧壁上伸出，外壳尾部设有提手部件。
4.根据权利要求3所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述外壳的中间部位设有定位环。
5.根据权利要求3所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括: 支撑机构，支撑机构包括支撑柱和被测物支撑平台；其中，支撑柱上端设有安装压头驱动机构的安装位；被测物支撑平台设置在支撑柱的中间部位，与支撑柱上端的所述安装位内装入的压头驱动机构的压头相对应。
6.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述压头驱动机构的驱动装置采用伺服电机。
7.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括: 声发射装置，声发射装置的声发射探头设置在压头处的被测物上，声发射装置的主机与声发射探头连接。
8.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述压头驱动机构的压头包括: 金刚石压头或碳化钨压头； 所述碳化鹤压头为球形压头，其直径为3mm、4mm或5mm。
9.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述位移检测部件为位移传感器。
10.根据权利要求1所述的再制造零件涂层结合强度检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括:处理显示装置，与所述位移 检测部件连接，处理所述位移检测部件输出的电信号得出检测结果并显示输出。
全文摘要
本发明公开一种再制造零件涂层结合强度检测仪，属于涉及涂层检测设备领域。该检测仪包括压头驱动机构、控制装置和位移检测部件；其中，压头驱动机构由驱动装置和该驱动装置通过传动机构驱动的压头构成；控制装置与压头驱动机构的驱动装置电连接；压头驱动机构上设有测量压头位移量和传动机构的拉簧伸长量并以电信号输出的位移检测部件。该检测仪具有结构简单、携带方便，检测准确等优点。
文档编号G01N19/04GK103196824SQ201210002668
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者王海斗, 徐滨士, 宋亚南, 朴钟宇 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院