ES2297640T3 - Procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento sobre un sustrato de acoplamiento acustico de un transductor mediante una capa delgada. - Google Patents

Procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento sobre un sustrato de acoplamiento acustico de un transductor mediante una capa delgada. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento (2) sobre un sustrato (l), consistente en emitir ultrasonidos por medio de un transductor (3) en dirección al sustrato (1) y al revestimiento (2), en captar una sucesión de ecos que resultan de reflexiones de los ultrasonidos en las caras del sustrato (1) y del revestimiento (2) y en calcular una relación de amplitud de dos ecos sucesivos, caracterizado porque la medida se hace en el aire y porque el procedimiento consiste también en aplicar el transductor (3) sobre el sustrato (1) por medio de una capa delgada (7) de gel, en calcular un factor de calidad del revestimiento dado por la relación entra las amplitudes de los ecos asociados a las dos primeras reflexiones en la interfaz sustrato (1) - revestimiento (2) después de la travesía del sustrato (1) o en la interfaz revestimiento (2) - aire después de la travesía del sustrato (1) y del revestimiento (2), y en determinar la adherencia del revestimiento a partir de una función de correlación entre el factor de calidad y la tensión de rotura del revestimiento, obtenida de antemano por ensayos mecánicos en probetas de calibración.

Description

Procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento sobre un sustrato de acoplamiento acústico de un transductor mediante una capa delgada.
La presente invención se refiere a un procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento sobre un sustrato, y en particular de un revestimiento metálico depositado en un sustrato metálico.
La adherencia de un revestimiento sobre un sustrato puede evaluarse por medio de probetas constituidas por discos del mismo material que el sustrato que recibe el revestimiento en una de sus caras. Estos discos se pegan en unas probetas de contraste que se fijan en las mordazas de una máquina de ensayo de tracción. La medida de la adherencia del revestimiento es proporcionada entonces por una medida mecánica de la fuerza necesaria para arrancar el revestimiento del sustrato.
No obstante, se observan dispersiones considerables de las fuerzas de rotura medidas en probetas idénticas, lo que pone de manifiesto que el modo operatorio utilizado introduce incertidumbres que son tan grandes que es difícil conceder un valor a estos ensayos. Es probable que el pegado sea responsable de defectos de uniformidad de transmisión de la fuerza de tracción a través del montaje, pero no se puede ni siquiera poner remedio tomando el mayor cuidado al realizarlo.
Además, con algunos revestimientos del tipo de carburo de tungsteno que presentan una adherencia superior a la del pegamento utilizado, se mide por estos ensayos la resistencia a la rotura del pegamento y no la del revestimiento.
En la patente EP 1.130.391 del solicitante, se ha descrito un procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento en un sustrato gracias a ondas ultrasónicas, utilizando este procedimiento un transductor que está distante de la muestra a medir y que está sumergido con la muestra en una cuba llena de agua.
Este procedimiento conocido no puede aplicarse sino a probetas, ya que, en general, es imposible sumergir una pieza real grande en una cuba llena de agua. Tampoco puede aplicarse a revestimientos porosos que absorben el agua de la cuba por capilaridad, lo que hace la medida ineficaz.
Además, en este procedimiento conocido es necesario que el transductor esté orientado perpendicularmente a la probeta a medir, causando todo defecto de ortogonalidad dispersiones de ondas en el agua y falseando las medidas.
Un objetivo de la presente invención es atenuar estos inconvenientes, gracias a un procedimiento que permite, en particular, una evaluación in situ de la adherencia de un revestimiento de un sustrato o de una pieza cualquiera, por medio de ondas ultrasónicas.
Este objetivo se logra por medio de un procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento sobre un sustrato, consistente en emitir ultrasonidos por medio de un transductor en dirección del sustrato y del revestimiento, en captar una sucesión de ecos que resultan de reflexiones de los ultrasonidos sobre las caras del sustrato y del revestimiento, y en calcular una relación de amplitud de dos ecos sucesivos, caracterizado porque la medida se hace en el aire y porque el procedimiento consiste también en aplicar el transductor sobre el sustrato por medio de una capa delgada de gel, en calcular un factor de calidad del revestimiento dado por la relación entre las amplitudes de los ecos asociados a las dos primeras reflexiones en la interfaz sustrato-revestimiento después de la travesía del sustrato o en la interfaz revestimiento-aire después de la travesía del sustrato y del revestimiento, y en determinar la adherencia del revestimiento a partir de una función de correlación entre el factor de calidad y la tensión de rotura del revestimiento, obtenida previamente por ensayos mecánicas en probetas de calibración.
El procedimiento según la invención es aplicable a todo tipo de piezas y de revestimiento. En particular, permite medidas in situ en piezas revestidas cualesquiera y en revestimientos porosos.
Cuando la impedancia acústica del sustrato es grande en comparación con la del revestimiento, la onda ultrasónica es reflejada por la interfaz sustrato- revestimiento. Cuando las impedancias acústicas del sustrato y del revestimiento están próximas, la onda ultrasónica cruza esta interfaz y el revestimiento y es reflejada por la interfaz revestimiento-aire.
El procedimiento según la invención permite repetir las medidas in situ a intervalos de tiempo regulares o no para seguir la evolución de la calidad de la adherencia del revestimiento en una pieza a lo largo del tiempo.
Otra ventaja del procedimiento según la invención es la determinación de la calidad de la conexión sustrato- revestimiento y de la calidad de la estructura del revestimiento.
Generalmente, una ventaja principal de la presente invención es permitir medidas rápidas in situ en piezas que incluyen un revestimiento, sin desmontaje y sin inmersión de estas piezas.
Otras ventajas y características de la invención aparecerán en la lectura de la descripción siguiente hecha a título de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática del equipo utilizado para la ejecución del procedimiento según la invención;
- la figura 2 es una vista esquemática del equipo utilizado según una alternativa de realización de la invención;
- las figuras 3 y 4 son vistas esquemáticas que ilustran dos modos de reflexión de los ultrasonidos;
- la figura 5 representa una curva de ecos obtenida por el procedimiento;
- la figura 6 es una vista esquemática que ilustra un ensayo mecánico de rotura;
- la figura 7 representa una curva de correlación entre la tensión de rotura y el factor de calidad.
En la figura 1, la referencia 1 designa un sustrato, formado por un material cualquiera, y la referencia 2 designa un revestimiento depositado sobre este sustrato. Típicamente el sustrato y el revestimiento son metálicos.
El revestimiento 2 se realizó por un procedimiento tal como la proyección de plasma para el cual las medidas de la adherencia tienen una gran importancia debido a la irregularidad de estructura del revestimiento 2 y en consecuencia a su fragilidad. El revestimiento 2 presenta un grosor mucho más bajo que el del sustrato 1.
Se aplica un transductor 3 que genera una onda ultrasónica longitudinal, sobre el sustrato del lado opuesto al revestimiento 2. El transductor 3 está conectado a un medio de control 4, tal como un microordenador, a un osciloscopio 5 y a un generador de impulsos 6.
Para mejorar el contacto entre el transductor y la superficie sobre la cual se aplica, se coloca una capa delgada 7 de gel entre ellos, y con un grosor de aproximadamente 10 \mum.
El transductor 3 emite una onda ultrasónica longitudinal y funciona también como receptor. El osciloscopio 5 registra e indica los ecos captados por el transductor 3 y permite explotarlos de la manera descrita a continuación.
La figura 2 ilustra una alternativa de realización del equipo, en el cual se utilizan dos transductores 3, 3'. El primer transductor 3 está dispuesto de la misma manera que se ha descrito anteriormente y tiene por función, emitir unas ondas ultrasónicas mientras que el segundo transductor 3', en contacto con la superficie inferior libre del revestimiento 2, funciona en receptor, estando conectado el primer transductor 3 al medio de control 4 y al generador de impulsos 6, estando conectado el segundo transductor 3' al osciloscopio 5.
En esta alternativa, no se realiza la medida en las reflexiones de la onda ultrasónica, sino en las transmisiones a través del revestimiento 2.
Cuando las impedancias acústicas del sustrato 1 y del revestimiento 2 son notablemente diferentes, la onda ultrasónica emitida por el transductor 3 es reflejada en la interfaz sustrato 1 - revestimiento 2, mientras que en el caso contrario, si las impedancias acústicas están próximas, la onda ultrasónica emitida por el transductor 3 atraviesa el revestimiento 2 y es reflejada en la interfaz revestimiento 2 - aire.
Las figuras 3 y 4 ilustran los procedimientos correspondientes de reflexión de las ondas ultrasónicas por las interfaces antes citadas, estando representada la dirección de la onda 4 en oblicuo para mayor claridad. Las ondas ultrasónicas emitidas y recibidas están dirigidas realmente de manera perpendicular a la superficie superior del sustrato 1, estando destinada la representación en oblicua a simplificar el dibujo y facilitar su explicación sin que se modifique el principio de la medida.
En la figura 3, la onda emitida por el transductor 3 aplicado sobre la superficie del sustrato 1, está representada por la línea L_{1}. Estando garantizado El contacto por una capa muy fina 7 de gel, la parte de la onda reflejada por la cara superior del sustrato 1 es indetectable.
Como las impedancias acústicas del sustrato 7 y del revestimiento 2 son diferentes, la onda ultrasónica transmitida a través del sustrato 1 es reflejada en la interfaz sustrato 1 - revestimiento 2 según una línea L_{2}.
La onda ultrasónica que atraviesa nuevamente el sustrato según la línea L_{2} se transmite en parte al exterior según la línea L_{3} y forma un "primer eco", y en parte se refleja en la interfaz sustrato 1 - aire y vuelve a atravesar el sustrato 1 según la línea L_{4} para ser en parte reflejada de nuevo según la línea L_{5}, en la interfaz sustrato 1 - revestimiento 2. La onda ultrasónica que se propaga según la línea L_{5} es transmitida en parte al exterior a través de la interfaz sustrato 1 - aire según la línea L_{6} y forma un "segundo eco".
En la figura 4, las impedancias acústicas del sustrato 1 y del revestimiento 2 son poco diferentes y la onda emitida por el transductor 3 según L_{1}' atraviesa el sustrato 1 y el revestimiento 2 y y es reflejada según la línea L_{2}' por la interfaz revestimiento 2 - aire.
La onda reflejada según la línea L_{2}' se transmite en parte ("primer eco") y se refleja en parte según las líneas L_{3}' y L_{4}', respectivamente, como se describe anteriormente. La onda reflejada según L_{4}' es de nuevo reflejada en parte por la interfaz revestimiento 2 - aire según la línea L_{5}'. Una parte de esta onda reflejada se transmite según la línea L_{6}' a través de la interfaz sustrato 1 - aire y forma el "segundo eco."
Las líneas L_{2}, L_{4}, L_{5} y L_{2}', L_{4}', L_{5}' que atraviesan el sustrato 1 tienen la misma longitud, aunque los ecos sucesivos que llegan al transductor 3 por las líneas L_{3}, L_{6}, y L_{3}', L_{6}' están separados por intervalos de tiempo iguales, que corresponden respectivamente al doble del tiempo de recorrido de los ultrasonidos a través del grosor x_{1} del sustrato 1, y x_{1} + x_{2} del sustrato 1 y del revestimiento 2.
El procedimiento según la invención consiste en medir las amplitudes los dos primeros ecos sucesivos de la onda emitida por el transductor 3, siendo designados estos dos ecos por las referencias 8 y 9 en el diagrama de la figura 5 que representa la evolución de la amplitud de los ecos en función del tiempo.
Se llama factor de calidad del revestimiento, la relación de las amplitudes y_{1} e y_{2} de los dos primeros ecos.
Para una pieza cuyas impedancias acústicas del sustrato y el revestimiento sean poco diferentes, es decir, para una reflexión en la interfaz revestimiento 2 - aire, el factor de calidad del revestimiento tiene por expresión:
1
Para una pieza cuyas impedancias acústicas del sustrato 1 y del revestimiento 2 sean notablemente diferentes, es decir, para una reflexión en la interfaz sustrato 1 - revestimiento 2, el factor de calidad del revestimiento tiene por expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
2
En estas expresiones, \alpha_{1} y \alpha2 son los coeficientes de atenuación de las ondas ultrasónicas en el sustrato 1 y en el revestimiento 2, respectivamente, t_{12} y t_{21} son los coeficientes de transmisión en amplitud del sustrato 1 hacia el revestimiento 2 y del revestimiento 2 hacia el sustrato 1, respectivamente, y r_{1cc} y r_{12} son los coeficientes de reflexión en amplitud en la interfaz sustrato 1 - capa delgada 7 y en la interfaz sustrato 1 - revestimiento 2, respectivamente.
El factor de calidad Q está formado por un primer término que hace intervenir las propiedades del sustrato 1, y un segundo término que hace intervenir la calidad estructural del revestimiento 2 por la cantidad e^{2a2x2} y la calidad de su conexión con el sustrato 1 por la cantidad t_{12}t_{21}.
Del mismo modo, el factor de calidad Q' comprende un primer término que hace intervenir las propiedades del sustrato 1, y un segundo término que hace intervenir la calidad de la conexión del revestimiento 2 con el sustrato 1 por el coeficiente r_{12}.
Se ha constatado que el coeficiente de reflexión r'_{1cc}, entre el sustrato 1 y la capa delgada 7 de gel es igual al coeficiente de reflexión entre el sustrato 1 y el agua, que se puede determinar experimentalmente. Eso permite no tener en cuenta las propiedades de la materia utilizada para formar la capa delgada 7, en el cálculo del factor de calidad.
Se establece una correlación entre el factor de calidad y la adherencia del revestimiento 2 por medio de medidas mecánicas en probetas de calibración, que se realizan de la siguiente forma.
Estas probetas son discos de la misma naturaleza que las piezas a revestir, teniendo por ejemplo un diámetro de 25,4 milímetros (una pulgada) y un grosor de seis milímetros, que se colocan junto a las piezas a revestir y reciben el mismo revestimiento 2 que estas piezas. A continuación, como se representa esquemáticamente figura 6, se pega cada disco 10 a dos probetas de contraste 11, 12 por medio de un adhesivo 13 de alta resistencia mecánica tal como el FM 1000 de la sociedad American Cyanamid. Las dos probetas de contraste se fijan en unas mordazas o cabezas de amarre 14 de una máquina de tracción. La velocidad de aplicación de la carga del disco 10 es constante, por ejemplo de 0,8 MPa/s, lo que corresponde a un desplazamiento de un milímetro por minuto.
La adherencia del revestimiento 2 sobre el sustrato 1 se mide como la fuerza necesaria para separarlo del sustrato 1. La tensión de rotura \sigma es la relación de la fuerza de tracción máxima alcanzada y el área de la superficie sobre la cual se deposita el revestimiento 2.
La figura 7 representa una curva de variación de la tensión de rotura \sigma en MPa en función del factor de calidad Q medido a una frecuencia de 5 MHz en el caso de un revestimiento 2 de WC al 17% sobre un sustrato 1 de Z12C13. Se ve que en este caso, el factor de calidad Q aumenta cuando \sigma disminuye.
En otros casos, tales como por ejemplo el de un revestimiento de NiAl al 5% sobre un sustrato de Z12C13, el factor de calidad Q' medido a una frecuencia de 10 MHz varía en el mismo sentido que la tensión de rotura \sigma y aumenta cuando la adherencia del revestimiento 2 sobre el sustrato 1 es mayor.
Se puede establecer pues, para cada tipo de revestimiento 2 y de sustrato 1, una curva de calibración de factor de calidad Q o Q' a partir de ensayos de tracción realizados en probetas, y luego medir directamente el factor de calidad Q o Q' en piezas revestidas, lo que permite estimar la calidad de la adherencia del revestimiento 2 sobre una pieza in situ en unos minutos. Así se puede controlar la calidad del revestimiento 2, y también seguir su evolución en el tiempo, pudiéndose repetir las medidas del factor de calidad pudiendo a intervalos de tiempo predeterminados. La variabilidad de las medidas de los factores de calidad es baja con relación a la de los ensayos de tracción y estas medidas representan bastante fielmente la adherencia del revestimiento.
Por otra parte, la invención permite evaluar la calidad de la adherencia de un revestimiento poroso y la de los revestimientos que tienen tensiones de rotura superiores a la del pegamento utilizado para el pegado de las probetas en los ensayos de tracción.

Claims (8)

1. Procedimiento de medida de la adherencia de un revestimiento (2) sobre un sustrato (l), consistente en emitir ultrasonidos por medio de un transductor (3) en dirección al sustrato (1) y al revestimiento (2), en captar una sucesión de ecos que resultan de reflexiones de los ultrasonidos en las caras del sustrato (1) y del revestimiento (2) y en calcular una relación de amplitud de dos ecos sucesivos, caracterizado porque la medida se hace en el aire y porque el procedimiento consiste también en aplicar el transductor (3) sobre el sustrato (1) por medio de una capa delgada (7) de gel, en calcular un factor de calidad del revestimiento dado por la relación entra las amplitudes de los ecos asociados a las dos primeras reflexiones en la interfaz sustrato (1) - revestimiento (2) después de la travesía del sustrato (1) o en la interfaz revestimiento (2) - aire después de la travesía del sustrato (1) y del revestimiento (2), y en determinar la adherencia del revestimiento a partir de una función de correlación entre el factor de calidad y la tensión de rotura del revestimiento, obtenida de antemano por ensayos mecánicos en probetas de calibración.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los ultrasonidos tienen una frecuencia del orden de 5 a 10 MHz.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las medidas de factor de calidad se hacen in situ en piezas revestidas.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracteriza porque consiste en repetir las medidas en las piezas a intervalos de tiempo regulares o no para seguir la evolución de la calidad de la adherencia del revestimiento sobre las piezas a lo largo del tiempo.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el revestimiento (2) y el sustrato (1) son metálicos.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa delgada (7) de gel tiene un grosor de aproximadamente 10 \mum.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el factor de calidad del revestimiento (2) dado por la relación entre las amplitudes de los ecos asociados a las dos primeras reflexiones en la interfaz sustrato (1) - revestimiento (2) después de la travesía del sustrato (1), tiene por expresión:
3
donde \alpha_{1} es el coeficiente de atenuación de los ultrasonidos en el sustrato (1), x_{1} es el grosor del sustrato (1), y r_{lcc}, y r_{12} son los coeficientes de reflexión en amplitud en la interfaz sustrato (1) - capa delgada (7) y en la interfaz sustrato (1) - revestimiento (2), respectivamente.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el factor de calidad del revestimiento (2) dado por la relación entre las amplitudes de los ecos asociados a las dos primeras reflexiones en la interfaz revestimiento (2) - aire después de la travesía del sustrato (1) y del revestimiento (2), tiene por expresión:
4
donde \alpha_{1} y \alpha_{2} son los coeficientes de atenuación de los ultrasonidos en el sustrato (1) y en el revestimiento (2), respectivamente, x_{l} y x_{2} son los grosores del sustrato (1) y del revestimiento (2), respectivamente, t_{12} y t_{21} son los coeficientes de transmisión en amplitud del sustrato (1) hacia el revestimiento (2) y del revestimiento (2) hacia el sustrato (l), respectivamente, y r_{1cc} es el coeficiente de reflexión en amplitud en la interfaz sustrato (1) – capa
delgada (7).
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