一種涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及噴涂涂層性能與質(zhì)量評價技術領域，尤其涉及一種可以對涂層表面形 貌的三維數(shù)據(jù)進行計算的涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法。
【背景技術】
[0002] 超音速等離子噴涂技術作為近幾十年來發(fā)展起來的重要的材料表面改性手段，已 成功應用于許多工業(yè)領域。種類繁多的涂層體系使得熱噴涂層可以根據(jù)不同需求分別用于 提高零件表面的耐腐、耐磨、耐高溫等性能。為了得到工程應用中質(zhì)量最優(yōu)的涂層，需要進 行一系列的前期探索過程，而涂層的表面狀態(tài)是其中一項重要的評價指標，比如原始形貌 可以反映不同參數(shù)下噴涂粒子的鋪展狀態(tài)，斷口形貌可以反映不同工況下涂層失效的嚴重 程度等等。因此，對涂層不同時期表面形貌的定量表征，對于科學評定涂層的質(zhì)量及性能具 有重要意義。
[0003] 對于材料斷口等表面形貌的定量表征一直以來都是一個較為棘手的問題，因為在 不同的放大尺度下，斷口的表面形貌總是表現(xiàn)出不盡相同的特征，并且非常復雜。針對這 一問題，Mandelbrot提出采用分形理論，研究材料不同放大尺度所呈現(xiàn)出材料特性之間的 關系，由局部到整體，從微觀到宏觀，探索混亂幾何形態(tài)中的分形特性。分形理論產(chǎn)生于20 世紀70年代末，是研究非線性問題的有力工具。大量研究表明，分形特性不僅存在于材料 的斷口表面，許多材料的表面也具有天然的自相似特性，如薄膜、涂層、加工零件表面等。因 此，將分形理論用于超音速等離子表面形貌的定量評價具有重要意義。
[0004] 在目前的涂層表面形貌表征方法中，大多是通過表面輪廓儀獲取涂層表面的二維 輪廓數(shù)據(jù)，隨后采用不同的數(shù)學方法計算出各組數(shù)據(jù)的算術平均值、均方差等，通過這些計 算方法，可以得到輪廓曲線的偏斜度峭度、輪廓算術平均差、輪廓均方差等。根據(jù)不同的實 際需求，選擇不同的表征指標。這種方法存在以下缺點。
[0005] 缺點1 :根據(jù)輪廓曲線的偏斜度峭度、輪廓算術平均差、輪廓均方差等參數(shù)的計算 原理可知，這些指標實際上是默認了以涂層表面輪廓線的二維狀態(tài)表征真實的三維粗糙形 貌。這樣必然會導致許多信息都未被使用上，造成結(jié)果可靠性的下降。
[0006] 缺點2 :在對涂層表面二維輪廓曲線進行采樣時，得到的結(jié)果會隨著采樣設備放 大倍數(shù)的增加而不斷變化，比如在100倍時，涂層的表面粗糙度為Ra = 1. 2 μ m，而在600倍 時得到的結(jié)果可能僅為Ra = 0. 7 μ m。另外，該結(jié)算結(jié)果也會隨著采樣距離的變化而產(chǎn)生明 顯的變化。
[0007] 因此，如何研發(fā)一種可以對涂層表面形貌的三維數(shù)據(jù)進行計算的涂層表面形貌的 分形維數(shù)獲取方法，成為本領域技術人員亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了提供一種涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法，可以對涂層表 面形貌的三維數(shù)據(jù)進行計算。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法，包括 以下步驟：
[0010] 步驟1)對試樣進行清洗處理；
[0011] 步驟2)對試樣進行掃描，獲取基于峰谷實際高度的涂層表面三維形貌圖；
[0012] 步驟3)采用投影覆蓋法計算涂層表面形貌的分形維數(shù)。
[0013] 優(yōu)選的，所述步驟3)具體包括：
[0014] 步驟31)預先設定初始方格的邊長δ max和最小方格的邊長δ min ;
[0015] 步驟32)按照預設比例，縮小方格，方格的邊長為δ k ;
[0016] 步驟33)計算涂層表面粗糙面積A ( δ k);
[0017] 步驟34)判斷方格邊長Sk是否大于所述最小方格的邊長δ min，若大于縮小方 格，否則進入步驟35);
[0018] 步驟35)將方格的邊長δ k與涂層表面粗糙面積Α( δ k)進行線性擬合，得到直線 斜率K ;
[0019] 步驟36)獲取涂層表面形貌的分形維數(shù)Ds，Ds = 2-K。
[0020] 優(yōu)選的，所述預設比例為二分之一。
[0021] 優(yōu)選的，所述步驟1)具體為：采用超聲清洗設備對所述試樣進行多次清洗，每次 清洗后均對試樣進行吹風烘干。
[0022] 優(yōu)選的，所述步驟2)中，采用激光3D顯微鏡對所述試樣進行掃描。
[0023] 優(yōu)選的，所述步驟2)還包括采用高斯濾波方式對掃描得到的數(shù)據(jù)進行預處理。
[0024] 優(yōu)選的，所述步驟2)與步驟3)之間還包括：
[0025] 步驟21)保存所述涂層表面三維形貌圖的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為csv"格式。
[0026] 優(yōu)選的，所述步驟1)與步驟2)之間還包括：
[0027] 步驟12)將試樣以表面呈水平狀固定在平整的樣品臺上。
[0028] 本發(fā)明提供的涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法，對涂層表面形貌的三維數(shù)據(jù)進 行計算，不會存在遺漏的現(xiàn)象，這樣可以對涂層的真實形貌有一個更為直觀的整體評價，比 二維的方法更能體現(xiàn)涂層的真實特征；本發(fā)明的計算基本原理就是針對涂層的表面形貌 在不同的放大倍數(shù)下會擁有相似但卻不相同的結(jié)構(gòu)，通過建立不同尺度之間計算結(jié)果的聯(lián) 系，得到最終表征涂層表面形貌特征的參數(shù)，解決了涂層表面粗糙形貌二維計算結(jié)果受采 樣尺度與采樣距離影響較大的問題，計算結(jié)果更為精確。
【附圖說明】
[0029] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所 需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施 例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲 得其他的附圖。
[0030] 圖1為本發(fā)明提供的涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法的一種具體實現(xiàn)方式的 流程圖；
[0031] 圖2為投影覆蓋法原理的整體形貌示意圖；
[0032] 圖3為投影覆蓋法原理的局部形貌示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 為使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明 提供的等離子體加工設備進行詳細描述。
[0034] 請參考圖1，圖1為本發(fā)明提供的涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法的一種具體 實現(xiàn)方式的流程圖。
[0035] 如圖1所述，本發(fā)明提供的涂層表面形貌的分形維數(shù)獲取方法包括以下步驟。
[0036] 步驟S1，對試樣進行清洗處理。
[0037] 可以采用超聲清洗設備，將試樣清洗3次，每次時間為8~10分鐘，清洗溶劑為濃 度為97.5%的乙醇。每次清洗之后，都采用專用吹風機烘干。在3次清洗結(jié)束之后，采用無 塵紙包裹試驗，放入試驗袋中密封保存。
[0038] 優(yōu)選的，試樣清洗完畢后，可以用橡皮泥將待測涂層試樣固定在平整的樣品臺上， 確保