3D共聚焦显微镜与探针式粗糙度仪:谁更适合亚表面损伤检测?

光学玻璃 难测的不是表面形貌,而是再沉积层下亚表面裂纹。普通显微镜看不见亚表面损伤,激光扫描共聚焦显微镜查微裂纹有优势却拉低激光损伤阈值。表面粗糙度测量易 ,亚表面损伤检测却难:探针式粗糙度仪、触针式粗糙度仪与表面轮廓仪受针尖半径限制,够不到裂纹底;切开又毁样品。

K9玻璃游离磨粒生中位与横向裂纹,前者成亚表面损伤,属光学玻璃亚表面损伤与SSD检测 ;裂纹深度测不准,超精密抛光去除量难定。光子湾3D共聚焦显微镜以非接触式表面测量突破针尖半径瓶颈,下探裂纹底完成3D表面形貌检测与PV粗糙度评定 ,用激光共聚焦显微镜测表面形貌,让亚表面损伤检测又快又可靠。

现有检测方法的局限与突破方向

损伤检测与无损检测对比

截面抛光法检测亚表面损伤流程

截面抛光法切开抛光、裂纹看得清但报废。相比之下,非接触式粗糙度测量方法是化学蚀刻检测后的优选 ,也支持3D表面形貌检测、表面粗糙度测量、表面形貌测量与3D表面测量。

无损方向两条路:用表面粗糙度测量反推SSD深度(光学玻璃检测常用),即SSD检测的比值模型;或靠光声信号直接测。前者随工况波动,后者模型复杂。

化学蚀刻三类方法的优缺点

化学蚀刻溶掉再沉积层、撑开闭合裂纹,是化学蚀刻检测的前提。蚀刻速率拐点法对液温浓度敏感;逐层抛光法效率差;用探针式粗糙度仪量PV粗糙度最快,触针式粗糙度仪与表面轮廓仪同理受限,结果偏小。

缺口就在这里:裂纹要打开,探测手段要足够细,还得赶在融合之前。这正是3D表面形貌检测发挥作用的地方,也离不开表面形貌测量与3D表面测量。

化学蚀刻过程中亚表面裂纹的演化规律

W18 研磨试样表面形貌随蚀刻时间的变化

研磨后的亚表面裂纹多半闭合。低浓度HF与NH₄F混合液在20℃下缓慢作用,裂纹逐步打开,为化学蚀刻检测与亚表面损伤检测创造条件。

蚀刻初期凹坑变大、裂纹变宽,深度先升后降。蚀刻液渗到底部时裂纹深度最大,即亚表面裂纹的真实深度;往后相邻裂纹相遇融合,深度变浅。融合时刻可用裂纹平均间距除以两倍基体蚀刻速率估算。W18与W40试样约3.8h和7.8h。

激光扫描共聚焦显微镜 vs 探针式粗糙度仪

PV随蚀刻时间的变化曲线

蚀刻表面 PV 粗糙度随蚀刻时间的变化

同批蚀刻表面用探针式粗糙度仪和激光扫描共聚焦显微镜测PV(激光共聚焦粗糙度测量),曲线均上升、过峰、回落。W40试样PV整体高于W18,磨粒越粗裂纹越深。

差别在峰值和时间。激光扫描共聚焦显微镜测到的最大PV粗糙度是12.82μm和20.45μm,出现在2.5h与4.5h;探针只有7.59μm和12.27μm,拖到14h与10h。

3D共聚焦显微镜测到真实深度

截面抛光法获得的剖面显微图

表面轮廓仪与触针式粗糙度仪的针尖半径10μm。裂纹宽度不到这个量级,针尖沉不到底;等宽度够了,融合已发生,量到的是被抹平的浅坑。3D共聚焦显微镜的光束半径近似为零,不受裂纹宽度约束,融合前扫描即可拿到真实裂纹深度。

3D共聚焦显微镜属非接触式三维成像,蚀刻后在同一视场完成3D表面形貌检测、表面形貌测量与PV粗糙度评定,既是非接触式表面测量手段,表面粗糙度测量与形貌可同视场完成,也常用于光学玻璃检测。

截面抛光验证与SSD检测比值分析

直接测量结果对比

两种化学蚀刻方法与截面抛光法测量的 SSD 深度比较

验证靠截面抛光。同批试样直接测得12.50μm和19.34μm,激光共聚焦粗糙度测量偏差仅2.56%和5.74%,与3D表面形貌检测对照一致,探针偏低三成半以上。

游离磨粒工艺

SSD检测的比值可快速估深,依据是压入断裂力学中中位裂纹深度与表面起伏近似成正比。游离磨粒工艺的文献值在2.92--3.9,非接触式表面测量与表面粗糙度测量约2.72±0.71。

工艺对比值影响最大,测量方式次之,力学性能最弱。工艺固定后,用表面粗糙度测量就能估算亚表面损伤检测深度。

可靠测量条件与工业应用建议

可靠窗口只有一段:蚀刻液到裂纹底部、裂纹未大面积融合,探测介质有效半径足够小。激光扫描共聚焦显微镜满足后一条,3D共聚焦显微镜适合做表面粗糙度测量、3D表面形貌检测与3D表面测量。

操作上先估出融合时间,把测量点压在峰值附近。对光学玻璃超精密抛光,这个深度直接对应去除量,光学玻璃检测与光学玻璃亚表面损伤都依赖它。

微裂纹检测拼的是时机与手段的匹配。化学蚀刻把裂纹打开,3D共聚焦显微镜测量PV粗糙度提供足够细的探针,效率与试样保全才能兼顾。

光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜 是一款用于对各种精密器件及材料表面,可应对多样化测量场景,符合ISO25178标准测量,能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务,提供值得信赖的高质量数据。

光子湾3D共聚焦显微镜

  1. 超宽视野范围,高精细彩色图像观察
  2. 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术
  3. 采用针孔共聚焦光学系统,高稳定性结构设计
  4. 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力,为精密测量提供表征技术支撑,助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控,成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。

原文参考:王华东等《表面技术》2020年第11期《基于化学蚀刻检测光学玻璃亚表面损伤深度》

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