一种涂层表面形貌的分形维数获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及喷涂涂层性能与质量评价技术领域，尤其涉及一种可以对涂层表面形 貌的三维数据进行计算的涂层表面形貌的分形维数获取方法。
【背景技术】
[0002] 超音速等离子喷涂技术作为近几十年来发展起来的重要的材料表面改性手段，已 成功应用于许多工业领域。种类繁多的涂层体系使得热喷涂层可以根据不同需求分别用于 提高零件表面的耐腐、耐磨、耐高温等性能。为了得到工程应用中质量最优的涂层，需要进 行一系列的前期探索过程，而涂层的表面状态是其中一项重要的评价指标，比如原始形貌 可以反映不同参数下喷涂粒子的铺展状态，断口形貌可以反映不同工况下涂层失效的严重 程度等等。因此，对涂层不同时期表面形貌的定量表征，对于科学评定涂层的质量及性能具 有重要意义。
[0003] 对于材料断口等表面形貌的定量表征一直以来都是一个较为棘手的问题，因为在 不同的放大尺度下，断口的表面形貌总是表现出不尽相同的特征，并且非常复杂。针对这 一问题，Mandelbrot提出采用分形理论，研究材料不同放大尺度所呈现出材料特性之间的 关系，由局部到整体，从微观到宏观，探索混乱几何形态中的分形特性。分形理论产生于20 世纪70年代末，是研究非线性问题的有力工具。大量研究表明，分形特性不仅存在于材料 的断口表面，许多材料的表面也具有天然的自相似特性，如薄膜、涂层、加工零件表面等。因 此，将分形理论用于超音速等离子表面形貌的定量评价具有重要意义。
[0004] 在目前的涂层表面形貌表征方法中，大多是通过表面轮廓仪获取涂层表面的二维 轮廓数据，随后采用不同的数学方法计算出各组数据的算术平均值、均方差等，通过这些计 算方法，可以得到轮廓曲线的偏斜度峭度、轮廓算术平均差、轮廓均方差等。根据不同的实 际需求，选择不同的表征指标。这种方法存在以下缺点。
[0005] 缺点1 :根据轮廓曲线的偏斜度峭度、轮廓算术平均差、轮廓均方差等参数的计算 原理可知，这些指标实际上是默认了以涂层表面轮廓线的二维状态表征真实的三维粗糙形 貌。这样必然会导致许多信息都未被使用上，造成结果可靠性的下降。
[0006] 缺点2 :在对涂层表面二维轮廓曲线进行采样时，得到的结果会随着采样设备放 大倍数的增加而不断变化，比如在100倍时，涂层的表面粗糙度为Ra = 1. 2 μ m，而在600倍 时得到的结果可能仅为Ra = 0. 7 μ m。另外，该结算结果也会随着采样距离的变化而产生明 显的变化。
[0007] 因此，如何研发一种可以对涂层表面形貌的三维数据进行计算的涂层表面形貌的 分形维数获取方法，成为本领域技术人员亟待解决的难题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了提供一种涂层表面形貌的分形维数获取方法，可以对涂层表 面形貌的三维数据进行计算。
[0009] 为了实现上述目的，本发明提供了一种涂层表面形貌的分形维数获取方法，包括 以下步骤：
[0010] 步骤1)对试样进行清洗处理；
[0011] 步骤2)对试样进行扫描，获取基于峰谷实际高度的涂层表面三维形貌图；
[0012] 步骤3)采用投影覆盖法计算涂层表面形貌的分形维数。
[0013] 优选的，所述步骤3)具体包括：
[0014] 步骤31)预先设定初始方格的边长δ max和最小方格的边长δ min ;
[0015] 步骤32)按照预设比例，缩小方格，方格的边长为δ k ;
[0016] 步骤33)计算涂层表面粗糙面积A ( δ k);
[0017] 步骤34)判断方格边长Sk是否大于所述最小方格的边长δ min，若大于缩小方 格，否则进入步骤35);
[0018] 步骤35)将方格的边长δ k与涂层表面粗糙面积Α( δ k)进行线性拟合，得到直线 斜率K ;
[0019] 步骤36)获取涂层表面形貌的分形维数Ds，Ds = 2-K。
[0020] 优选的，所述预设比例为二分之一。
[0021] 优选的，所述步骤1)具体为：采用超声清洗设备对所述试样进行多次清洗，每次 清洗后均对试样进行吹风烘干。
[0022] 优选的，所述步骤2)中，采用激光3D显微镜对所述试样进行扫描。
[0023] 优选的，所述步骤2)还包括采用高斯滤波方式对扫描得到的数据进行预处理。
[0024] 优选的，所述步骤2)与步骤3)之间还包括：
[0025] 步骤21)保存所述涂层表面三维形貌图的数据，数据格式为csv"格式。
[0026] 优选的，所述步骤1)与步骤2)之间还包括：
[0027] 步骤12)将试样以表面呈水平状固定在平整的样品台上。
[0028] 本发明提供的涂层表面形貌的分形维数获取方法，对涂层表面形貌的三维数据进 行计算，不会存在遗漏的现象，这样可以对涂层的真实形貌有一个更为直观的整体评价，比 二维的方法更能体现涂层的真实特征；本发明的计算基本原理就是针对涂层的表面形貌 在不同的放大倍数下会拥有相似但却不相同的结构，通过建立不同尺度之间计算结果的联 系，得到最终表征涂层表面形貌特征的参数，解决了涂层表面粗糙形貌二维计算结果受采 样尺度与采样距离影响较大的问题，计算结果更为精确。
【附图说明】
[0029] 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。
[0030] 图1为本发明提供的涂层表面形貌的分形维数获取方法的一种具体实现方式的 流程图；
[0031] 图2为投影覆盖法原理的整体形貌示意图；
[0032] 图3为投影覆盖法原理的局部形貌示意图。
【具体实施方式】
[0033] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明 提供的等离子体加工设备进行详细描述。
[0034] 请参考图1，图1为本发明提供的涂层表面形貌的分形维数获取方法的一种具体 实现方式的流程图。
[0035] 如图1所述，本发明提供的涂层表面形貌的分形维数获取方法包括以下步骤。
[0036] 步骤S1，对试样进行清洗处理。
[0037] 可以采用超声清洗设备，将试样清洗3次，每次时间为8~10分钟，清洗溶剂为浓 度为97.5%的乙醇。每次清洗之后，都采用专用吹风机烘干。在3次清洗结束之后，采用无 尘纸包裹试验，放入试验袋中密封保存。
[0038] 优选的，试样清洗完毕后，可以用橡皮泥将待测涂层试样固定在平整的样品台上， 确保