一种热喷涂涂层高通量检测装置及测试方法与流程

本发明涉及表面强化及再制造涂层检测技术领域，尤其涉及一种热喷涂涂层高通量检测装置及测试方法,该装置可对热喷涂涂层进行定性、及定量的检测。

背景技术：

机械零部件磨损、腐蚀等是零部件失效的主要原因，是关系国计民生的关键性共性问题。全球每年由其造成的经济损失超过了各种自然灾害所造成的损失总和，我国每年由此造成的经济损失达到数以千亿元，还由此造成很多事故，严重威胁人民生命财产安全，并带来了大量资源浪费和严重环境污染。利用热喷涂技术(火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂等)制备纳米涂层可有效解决机械零部件的磨损、腐蚀问题。

现代工程对零部件材料的要求越来越多重化，对材料表面的硬度、弹性模量、微区腐蚀、微观形貌与结构等提出更高的要求。材料表面涂层的研究是解决这一问题方法中的一条必不可少的途径，对涂层多项性质的检测手段是非常重要的研究内容。经过大量调查发现，目前大多数检测设备只能对涂层一项或者几项相近的性能参数进行检测，像原子力显微镜(afm)可检测得到涂层微观形貌，力调制显微镜fmm(forcemodulationmicroscopy)可得到涂层表面微观力学性能，扫描开尔文探针显微术skpm(scanningkelvinprobemicrocopy)可检测得到涂层微区电化学腐蚀性质，电化学噪声测试装置可得到涂层原位无损电化学噪声en等。想要完整的评价涂层的性能参数，一般需要制作多个样品，并且需要寻找多个仪器设备进行检测，这不仅浪费宝贵的研究时间，降低研究效率，而且在制作多个研究样品和样品移动保存过程中，很难保证样品的一致性，从而增加检测数据的误差，降低评价指标的精度。高通量快速检测技术是指一次可检测多个样品或同一样品进行多种检测的技术，目前高通量的检测方法包括：荧光检测、紫外-可见吸收光谱检测、化学发光检测、电化学检测等；高通量检测技术在药物筛选、医疗诊断、基因测序、生态学等领域有许多应用，并正发挥着重要作用，但是在表面涂层检测领域还有待发展；高通量快速检测技术应用于热喷涂涂层具有重要的经济和社会意义。

热喷涂涂层高通量检测装置可以简单、快速、有效、多元化对一个样品热喷涂涂层进行同时多项检测。具有测试试样制备耗时短，测试周期短、效率高，数据可靠性高的优点，该设备的研制成功可填补热喷涂涂层高通量检测装置的空缺。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有热喷涂涂层高通量检测设备的缺乏，提供一种可以同时对一个热喷涂涂层样品进行多项检测的高通量检测装置及测试方法，利用该装置和方法可以简单、快速、有效的对热喷涂纳米涂层的硬度、弹性模量、微区腐蚀电位与电流、微观形貌与结构、涂层完整性(微裂纹、通孔数量等)等进行定性/定量的分析，获得多元系数据分析图，从而可以快速获得热喷涂复合涂层成分、性能指标、微观结构参数的分布规律，最后可以快速获得性能-组织-工艺之间关系，指导研发，建立热喷涂复合涂层高通量评价方法。

本发明的一种热喷涂涂层高通量检测装置，包括检测感应模块、零件支撑模块、及控制处理模块三部分；

所述的零件支撑模块包括底座、透明外壳、分区板、载物移动平台、样品夹具；透明外壳可拆卸的固定于底座上，形成封闭空间，载物移动平台安装于底座上，样品通过样品夹具夹持固定在载物移动平台上，分区板可拆卸的设置于透明外壳内用于将上述封闭空间隔为彼此隔绝的两部分，每部分空间中均含有部分样品，且其中一部分空间为密闭检测区，另一部分空间的透明外壳上设有竖向开槽，为常规检测区，在密闭检测区设置有气液进口和气液出口；

所述的检测感应模块包括afm、fmm、skpm和en检测单元四个分区，afm、fmm设于常规检测区，skpm和en设于密闭检测区，其中：

afm检测单元包括afm激光、微悬臂、afm扫描探针、afm面光电探测器，afm激光与afm面光电探测器均固定在透明外壳上，微悬臂一端与透明外壳活动连接，afm扫描探针固定在微悬臂另一端上；

fmm检测单元包括fmm压划头、砝码、载荷力臂、电机、螺纹杆；螺纹杆竖直设置，一端与轴承固定安装于底座，另一端连接电机输出轴，载荷力臂一端与螺纹杆螺纹连接，另一端穿过上述开槽伸入透明外壳内部，在载荷力臂该端上部设置砝码杆，下部固定fmm压划头，砝码套在砝码杆上；

skpm检测单元包括skpm扫描探针、skpm信号激光、skpm信号检测器，skpm信号激光和skpm信号检测器均固定在分区板上，skpm扫描探针与分区板活动连接；

en检测单元包括电化学噪声探测头，该探测头固定在分区板上；

此外，检测感应模块还包括压电陶瓷扫描管和监控ccd，压电陶瓷扫描管内嵌于载物移动平台表面，样品固定后完全覆盖压电陶瓷扫描管；监控ccd用于实时监控检测情况；

所述的控制处理模块基于计算机实现，用于接收afm扫描探针、afm面光电探测器、fmm压划头、监控ccd、压电陶瓷扫描管、skpm扫描探针、en探测头、skpm信号检测器的数据，并控制电机、afm激光、skpm信号激光的运行。

上述方案中，进一步的，所述的分区板与透明外壳间设置玻璃胶实现密封，分区板与样品连接处设置橡胶密封圈实现密封。

基于上述装置进行热喷涂涂层高通量检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：将样品通过夹具固定在载物移动平台上，安装砝码、分区板、透明外壳；

步骤二：由控制处理模块控制打开设备的所有检测装置，并根据具体的检测需求向密闭检测区通入环境气体和介质溶液，为微区电化学测试提供检测环境；根据具体检测需求控制电机转动使fmm压划头向样品施加载荷；

步骤三：控制载物移动平台带动样品移动，则样品与afm扫描探针、fmm压划头、skpm扫描探针和电化学噪声探测头之间均相对运动；

步骤四：所有检测数据汇总到控制处理模块的计算机内，供研究人员分析，检测结束后控制处理模块控制关闭设备的所有检测装置。

本发明装置将现有afm、fmm、skpm和en四大模块的探测部分合理的集成到一个装置里，可快速、有效、全面的了解涂层样品的物理和化学性能，如：硬度、弹性模量、膜基结合强度、涂层失效形式、基体变形尺度、涂层三维形貌、微区腐蚀电位与电流、原位无损电化学噪声等。其中afm得到的涂层样品表面原子级分辨图像，可进行粗糙度、粘着力、摩擦力和物质和材料表面原子间的作用力计算，还可进行厚度、步宽、方框图和颗粒度分析。将以上测得数据汇总到计算机内，通过绘图软件调用所需对比分析的数据，可以快速绘制一幅或多幅具有多组数据的曲线分析图，进行多元化分析，能及时全面地指导涂层的改进工艺和理论研究。

附图说明

图1为热喷涂涂层高通量检测装置的一种具体结构示意图；

图2为待测涂层样品安装在载物移动平台示意图；

图3为分区板分隔出透明外壳区域示意图。

具体实施方式

为了更详细的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例做进一步说明。

如图1、2所示，本发明的一种热喷涂涂层高通量检测装置，包括：底座1、螺纹杆2、载荷力臂3、支撑杆4、伺服电机5、微悬臂6、afm扫描探针7、fmm压划头8、砝码9、afm激光10、俯视监控ccd11、载物移动平台12、压电陶瓷扫描管13、样品夹具14、涂层检测样品15、skpm扫描探针16、skpm信号激光17、分区板18、电化学噪声探测头19、skpm信号检测器20、气液出口21、afm面光电探测器22、电化学检测区监控ccd23、afm与fmm监控ccd24、透明外壳罩体25、透明外壳主体26、气液进口27、控制处理模块28、橡胶圈29。

载物移动平台12通过螺栓连接在底座上，压电陶瓷扫描管13夹在涂层检测样品15与载物移动平台12之间，涂层检测样品15通过样品夹具14固定在载物移动平台12上，样品夹具14通过螺栓固定于载物移动平台12上；

透明外壳主体26与罩体25固连为一体构成透明外壳，可拆卸的固定于底座1上，形成封闭空间，分区板18可拆卸的设置于透明外壳内用于将上述封闭空间隔为彼此隔绝的两部分，每部分空间中均含有部分样品，且其中一部分空间为密闭检测区，另一部分空间的透明外壳上设有竖向开槽，为常规检测区，在密闭检测区设置有气液进口和气液出口；具体的分区板18可以如图1所示由一块水平板和一块竖直板固连构成，竖直板的底边与样品接触处均采用橡胶圈密封(如图3)，分区板的其余边沿均采用玻璃胶进行密封。

在常规检测区内：

螺纹杆2与轴承固定安装在底座1上(螺纹杆可设于常规检测区内部或设于透明外壳外部，可根据实际空间进行布置，图示实例为设置在透明外壳外侧)，载荷力臂3一端与螺纹杆2螺纹连接，另一端穿过上述竖向开槽伸入透明外壳内部，支撑杆4可根据需要设置，其可作为支点对载荷力臂3提供支撑，在载荷力臂3伸入外壳内部一端上设置有砝码杆，伺服电机5输出轴与螺纹杆2连接，通过驱动螺纹杆2转动，给载荷力臂3施加载荷，砝码9套在载荷力臂3上的砝码杆上施加一定的预载荷，fmm压划头8通过螺栓固定在载荷力臂3的端部；

微悬臂6可以通过铰链或者其他保留一个转动自由度的连接方式连接于透明外壳罩25，afm扫描探针7固定在微悬臂6的端部，afm激光10、afm面光电探测器22和俯视监控ccd11固定在透明外壳罩25上；

afm与fmm监控ccd24可以装在透明外壳26外部底座1上；

在密闭检测区内：

skpm扫描探针16、skpm信号激光17和skpm信号检测器20调试好相应的位置固定于分区板18上；电化学噪声探测头19也固定在分区板18上；电化学检测区监控ccd23可以装在透明外壳26外部底座1上；

分区板18与透明外壳所形成的密闭检测区用于处于溶液环境下的微区电化学检测手段skpm与en，也可以根据具体检测需求通入环境气体。

可以通过载物移动平台12控制涂层检测样品的移动，控制处理模块28连接伺服电机5控制其转动对fmm压划头8施加载荷；检测时，控制处理模块28接收来自afm扫描探针7、fmm压划头8、俯视监控ccd11、压电陶瓷扫描管13、skpm扫描探针16、skpm信号激光17、en探测头19、skpm信号检测器20、afm面光电探测器22、电化学检测区监控ccd23和afm与fmm监控ccd24的数据和图像，汇总在计算机内分析，绘制多元系数据分布图，包括：硬度、弹性模量膜基结合强度、涂层失效形式、基体变形尺度、涂层三维形貌、微区腐蚀电位与电流、原位无损电化学噪声等物理化学性能，进行分析研究，完成测试。

采用上述装置进行检测的方法，具体可如下：

(1)利用电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、激光熔覆等热喷涂技术制备涂层样板。

(2)把制备处理好的涂层样板的涂层面朝上，平放于载物台中心位置，并用样品夹具14夹紧样板，安装砝码、分区板、透明外壳。

(3)可根据具体检测要求在分区板18形成的密闭检测区内，通过气液进口27接入一定湿度、温度、酸碱度的环境气体或者溶液，气液出口可进行封堵或连接其他设备；

(4)通过控制伺服电机对fmm压划头8施加载荷，压入样板涂层面得到涂层硬度和弹性模量，控制载物移动平台12带动涂层样品直线移动，让fmm压划头8在涂层面上滑动得到膜基结合强度、涂层失效形式和基体变形尺度；

(5)同时,随着载物移动平台带动样品移动，afm扫描探针也在涂层表面滑动，测得涂层三维形貌与结构；skpm扫描探针16也相对涂层表面进行直线移动，可测得微区腐蚀电位与电流。

(6)同时，en探测头19测得涂层样品的原位无损电化学噪声。

(7)测试结果全部导入计算机处理，通过软件进行数据分析，建立多元数据分布图分析。

采用本发明的装置对喷涂涂层进行检测，可同时得到喷涂涂层的全面的性能数据，进行多元化对比分析。该装置结构简单、易于控制；测试过程快速、便捷；测试结果全面、准确、易对比分析。

以上所述仅是本发明的部分实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。