基于PMTS传感器的GH4169智能螺栓（紧固件）技术规范

目次TOC\o"1-1"\h\t"标准文件_一级条标题,2,标准文件_附录一级条标题,2,"前言 III1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 13.1PMTS传感器 13.2溅射 23.3结节 33.4麻点 33.5气孔 33.6功能表面 33.7信号强度 33.8信噪比 33.9回波特性 33.10靶材 33.11基体 33.12预紧力测量仪 34一般要求 44.1智能紧固件基体结构要求 44.2靶材材料 45PMTS传感器制备过程 45.1工艺流程 45.2主要工序 45.2.1验收紧固件基体 45.2.2预处理 55.2.3制备压电层 55.2.4制备绝缘层 55.2.5制备电极层 55.2.6质量检测 65.2.7包装入库 66技术要求 66.1GH4169智能紧固件尺寸 66.2GH4169智能紧固件外观 66.3GH4169智能紧固件材料 66.4GH4169智能紧固件机械性能 66.5PMTS传感器技术要求 66.5.1PMTS传感器尺寸 66.5.2PMTS传感器厚度 76.5.3PMTS传感器外观 76.5.4PMTS传感器结合力 76.5.5PMTS传感器信噪比 76.5.6PMTS传感器耐温性能 77检验方法 77.1GH4169智能紧固件尺寸 77.2GH4169智能紧固件外观 77.3GH4169智能紧固件材料 77.4GH4169智能紧固件机械性能 77.5GH4169智能紧固件所制PMTS传感器检验方法 88检验规则 98.1检验分类 98.2鉴定检验 108.3质量一致性检验 109标志、包装、运输与贮存 11前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中国表面工程协会电镀分会提出。本文件由中国表面工程协会归口。本文件起草单位：贵州航天精工制造有限公司、中国航空发动机研究院、武汉大学、中国航发沈阳发动机研究所本文件主要起草人：吴志元、杨兵、李祥、胡军林、余绍伟、罗杰、詹兴刚、郑鹏飞、裴烈勇、陈毅、陈霄霄、谢婷婷、张洋基于PMTS传感器的GH4169智能螺栓（紧固件）技术规范1范围本文件规定了基于PMTS传感器的GH4169智能紧固件的设计、制备、检验、交付及使用规范。本文件适用于螺纹直径范围为5-42mm的GH4169外螺纹智能紧固件。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T90.2紧固件标志与规范Q/S10-0301-2004紧固件用优质GH4169合金冷拉棒材Q/611S588紧固件用铝涂层规范Q/HTJG11.28永久型薄膜传感制备工艺规范QJ479-90金属镀覆层结合强度试验方法ASTMB487显微镜检查测量金属和氧化物涂层厚度的标准试验方法（StandardTestMethodforMeasurementofMetalandOxideCoatingThicknessbyMicroscopicalExaminationofCrossSection）3术语和定义本规范所引用文件中的术语均适用于本文件，引用文件中未涉及到的术语和定义如下。3.1PMTS传感器PMTSsensor在紧固件的头部或杆部端面制备PMTS传感器，该传感器通过压电效应将所受电脉冲转换为一个穿过紧固件垂直行进的超声波，当超声波触及紧固件另一端面发生反射，经过PMTS传感器时通过逆压电效应转换为电回波信号，通过专用仪器可实现电回波信号的可视化，经过运算后显示紧固件加载后预紧力数值。PMTS传感器原理如图3-1所示，PMTS传感器结构如图3-2所示。图3-1PMTS传感器原理图图3-2PMTS传感器结构图3.2溅射Sputtering通过物理方法使靶材在真空环境下转变为气相，经过溅射将冷凝颗粒涂覆到某一基体上形成薄膜超声传感器的PVD（物理气相沉积）工艺。3.3结节Nodule局部有积聚或未混合均匀的颗粒。3.4麻点Pockmark因腐蚀等原因而造成的传感器镀层孔洞。3.5气孔Airhole涂层内部的小孔或气隙。3.6功能表面Functionalsurface明确要制备薄膜超声传感器的基体表面。3.7信号强度Signalstrength预紧力测量设备采集到的目标信号经信号放大得到的放大信号相对于参考零点的信号幅值大小。3.8信噪比Signal-to-noiseratio预紧力测量设备采集到的目标信号经信号放大得到的放大信号性对于参考零点的信号幅值大小。3.9回波特性Echocharacteristic薄膜超声传感器接受到激励信号后产生的回波信号幅值、相位和波形特征。3.10靶材Targetmaterial通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成功能薄膜的溅射源。3.11基体Substrate制备PMTS传感器前的紧固件。3.12预紧力测量仪Preloadmeasuringinstrument用于测量智能紧固件预紧力的专用设备，具备电脉冲收发功能，其自身所带软件可实现电脉冲信号处理及可视化，可实时显示当前所测智能紧固件预紧力数值。4一般要求4.1智能紧固件基体结构要求GH4169智能紧固件主要适用于螺栓、螺钉和螺柱等外螺纹GH4169紧固件产品，其基体结构如图4-1所示。可根据GH4169紧固件服役工况，将PMTS传感器制备在GH4169紧固件基体头部或杆部端面。图4-1智能紧固件基体的基本结构4.2靶材材料制备压电层所用的ZnO靶材应经工艺试验确认，并确定为合格供应商所提供的靶材，其材料纯度应满足工艺试验合格时的要求，与之焊接在一起的基底材料应具有良好的导热性。制备过渡层所用的SiO2靶材应经工艺试验确认，并确定为合格供应商所提供的靶材，其材料纯度应满足工艺试验合格时的要求，与之焊接在一起的基底材料应具有良好的导热性。制备金属层所用的Ti靶材应经工艺试验确认，并确定为合格供应商所提供的靶材，其材料纯度应满足工艺试验合格时的要求，与之焊接在一起的基底材料应具有良好的导热性。5PMTS传感器制备过程5.1工艺流程PMTS传感器制备工艺流程见图5-1。具体工艺参数详见Q/HTJG11.28《永久型薄膜传感制备工艺规范》图5-1PMTS传感器制备工艺流程5.2主要工序5.2.1验收紧固件基体PMTS传感器制备前应按GH4169紧固件基体生产所遵循标准要求进行验收。例：若在Q/S15.1033-2011MJ螺纹小十二角头螺栓端面制备PMTS传感器，螺栓基体需满足Q/S15.1033-2011标准所规定尺寸、性能、标识等相关要求。5.2.2预处理GH4169紧固件在制备PMTS传感器时，需对制备传感器的紧固件基体头部端面或杆部端面进行去除原涂层、机械加工或抛光处理等工作。预处理后产品尺寸不得超出产品最终尺寸要求偏差范围，机械加工或抛光处理区域应磨光至最大粗糙度Ra≤0.8μm、平行度≤0.1mm、平面度≤0.05mm、垂直度≤0.1mm。注：a）此时需确定制备传感器的GH4169紧固件基体处理头部端面或杆部端面；b）制备PMTS传感器之前，应完成GH4169紧固件基体所有金属热处理和机械加工（如成型、滚丝、滚R等）、表面处理、探伤工序。若评估制备PMTS传感器会对GH4169紧固件基体性能产生影响，传感器制备工序可在工序顺序上进行调整，以保证GH4169智能紧固件性能满足标准要求。5.2.3制备压电层GH4169紧固件在压电层制备前，应检查：a）预镀压电层端面是否保持清洁；b）预镀压电层端面是否预处理；c）预镀压电层端面粗糙度是否满足5.2.2要求。若不满足以上条件需重新进行预处理。真空镀时的环境条件应保持在温度（12～35）℃、空气相对湿度不大于80%、环境清洁无多余物。5.2.4制备绝缘层制备完压电层后，应先在压电层表面采用绝缘环制备工装制备绝缘环（注：（a）绝缘环尺寸应小于零件的最小实体直径；（b）绝缘环可采用绝缘环制备工装或手工粘贴方式在压电层上制备；（c）绝缘环与GH4169紧固件基体PMTS传感器制备端面中心同轴），再进行绝缘层的制备。图5-2绝缘环制备工装放置示意图5.2.5制备电极层制备完过渡层后方可制备电极层，制备电极层后，紧固件在氩气中冷却到室温，随后从工装架中抽取样件，检测传感器的制备质量。5.2.6质量检测检测PMTS传感器制备质量。5.2.7包装入库检测合格的智能紧固件按照包装要求进行产品包装入库。6技术要求6.1GH4169智能紧固件尺寸GH4169智能紧固件最终尺寸应符合紧固件基体所遵循标准要求。6.2GH4169智能紧固件外观GH4169智能紧固件除PMTS传感器所在端面外，其余部分外观应符合紧固件基体所遵循标准要求。6.3GH4169智能紧固件材料智能紧固件基体材料为GH4169，应符合所遵循标准要求。例：若在Q/S15.1033-2011MJ螺纹小十二角头螺栓端面制备PMTS传感器，螺栓基体材料需满足Q/S10-0301-2004（紧固件用优质GH4169合金冷拉棒材）标准要求。6.4GH4169智能紧固件机械性能GH4169智能紧固件机械性能应符合螺栓基体所遵循标准要求。例：若在Q/S15.1033-2011MJ螺纹小十二角头螺栓端面制备PMTS传感器，最终产品应满足Q/S15.1033-2011标准规定机械性能要求。6.5PMTS传感器技术要求6.5.1PMTS传感器尺寸PMTS传感器直径d小于螺栓最小实体尺寸d2。图6-1PMTS传感器制备头部端面示意图图6-2PMTS传感器制备杆部端面示意图6.5.2PMTS传感器厚度PMTS传感器厚度不超过50μm。6.5.3PMTS传感器外观PMTS传感器电极层表面应呈银白色金属光泽，无起皮、脱落、腐蚀以及其他明显外观缺陷，溅射部位无麻点、结节，PMTS传感器结构无气孔等缺陷。6.5.4PMTS传感器结合力PMTS传感器应连续地结合到紧固件端面，目视检查无涂层剥离现象。6.5.5PMTS传感器信噪比使用专用预紧力测量仪器连接完成PMTS传感器制备的GH4169紧固件，能观察清晰回波且回波信号互不干扰，回波信号信噪比≥2。6.5.6PMTS传感器耐温性能PMTS传感器耐温范围（-196℃～300℃），恢复常温后具备正常功能无异常。7检验方法7.1GH4169智能紧固件尺寸GH4169智能紧固件按紧固件基体制造遵循标准要求使用游标卡尺、百分表、投影仪、螺纹塞规等专业量具检测，其结果应满足6.1要求。7.2GH4169智能紧固件外观外观采用目视检查，必要情况使用3～5倍放大镜检查，其结果应满足6.2要求。7.3GH4169智能紧固件材料GH4169智能紧固件基体使用GH4169材料应具备合格证并进行入厂复验，其结果应满足6.3要求。7.4GH4169智能紧固件机械性能机械性能按GH4169智能紧固件基体标准的要求进行，其结果应满足6.4的要求。值得注意的是，制备传感器前及传感器制备完成后均需进行机械性能检验，要求两次检验结果为合格。7.5GH4169智能紧固件所制PMTS传感器检验方法7.5.1PMTS传感器尺寸使用投影仪对PMTS传感器直径d及紧固件最小实体尺寸d2进行检测，其结果应满足6.5.1要求。7.5.2PMTS传感器厚度使用金相显微镜、扫描电镜等专业检测工具对传感器厚度检测，其结果应满足6.5.2要求。7.5.3PMTS传感器外观通过目视进行检查，其结果应满足6.5.3要求。7.5.4PMTS传感器结合力鉴定试验按QJ479热振法进行检测，一致性检验按Q/611S588胶带法进行检测，试验后PMTS传感器信号满足要求，无起皮、脱落等现象，不应出现与集体分离现象，其结果应满足6.5.4要求。7.5.5PMTS传感器信噪比a）标定标定前明确温度标定、载荷标定的范围和步长，设置好标定参数后再进行标定。标定文件中应注明产品的型号、规格、材料、夹层厚度、标定过程中使用的超声测量信号测量线的长度。标定完成后对标定结果进行精度验证。温度标定：准备一台允许在足够长时间内达到特定（恒定）温度的具有编程功能的恒温恒湿箱，以保证紧固件在设置温度下达到热平衡，同时使用预紧力测量仪来测量该温度下螺栓的声时和温度，计算出温度因子。在编程过程中设置温度范围应包含螺栓服役工况温度的上下限温度，温度间隔根据温度量程进行均布取值，建议取值点不少于8个为宜。载荷标定：准备一台在计量期限内的拉伸试验机或标定试验平台等具有拉伸/扭拉功能的设备（要求试验机精度等级不超过0.5级），将需要标定的智能紧固件安装到适配的拉伸工装中，保证安装夹层厚度与产品使用时的夹层保持一致。将安装好的智能紧固件放入试验机上，一般选取低于标定螺栓拉断载荷的70%载荷值作为载荷标定的最大值，从0载荷开始按设置步长递增至最大载荷。使用预紧力测量仪测量各载荷对应智能紧固件声时，计算出载荷标定系数。一般在设定载荷间隔时必须保证在载荷范围内至少取10个点，对于具有特殊间隔要求的产品按照要求进行设置。标定文件：采用预紧力测量仪自带的软件对温度标定因子、载荷因子进行耦合得到温度-声时-载荷关系的标定文件，并由厂家出具纸质的标定数据报告。在进行智能螺栓预紧力测量时调用对应的标定文件即可实现对螺栓预紧力的高精度测量。b）预紧力测量GH4169智能紧固件预紧力测量系统如图7-1所示，预紧力测量仪1通过同轴测力线缆4与测力探头3连接到被测智能紧固件2上；通过测温线缆5与温度探头6连接到被测智能紧固件附近；通过预紧力测量仪收发电脉冲，利用预紧力测量仪自带软件对电脉冲信号进行处理并可视化，实时显示当前智能紧固件所受载荷数值。观察当前GH4169智能紧固件回波信号，其结果应满足6.5.5要求。1—预紧力测量仪；2—被测螺栓；3—测力探头；4—同轴测力线缆；5—测温线缆；6—温度探头。图7-1智能紧固件预紧力测量系统7.5.6PMTS传感器耐温性能高温处理：将PMTS传感器制备完成后GH4169智能紧固件放入空气加热炉中，加热至300℃，保温1h，恢复至室温；低温处理：将PMTS传感器制备完成后GH4169智能紧固件放入液氮中静置24小时，到时间取出恢复至室温。目视检查经高、低温处理智能紧固件外观，其结果应符合6.5.3要求。使用预紧力测量仪测量经高、低温处理后恢复至室温智能紧固件，其结果应符合6.5.5要求。8检验规则8.1检验分类检验应分为鉴定检验和质量一致性检验。8.2鉴定检验8.2.1有下列情况之一者，应进行鉴定检验a)新产品或老产品转厂生产的试制定型；b)正式生产后，如结构、材料、工艺改变，可能影响产品性能时；c)正常生产时，每两年进行一次周期性检验；d)停产1年以上，恢复生产时；e)质量一致性检验结果与上次鉴定检验结果有较大差异时。8.2.2鉴定检验项目应符合表1的规定表1鉴定检验项目序号试验项目技术要求检验方法抽样试验数量（件）1GH4169智能紧固件尺寸6.1条7.1条按智能紧固件基体制造所遵循标准规定要求进行抽样2外观6.2条7.2条3材料6.3条7.3条4机械性能6.4条7.4条5PMTS传感器尺寸6.5.1条7.5.1条100%6厚度6.5.2条7.5.2条100%7外观6.5.3条7.5.3条100%8结合力6.5.4条7.5.4条59信噪比6.5.5条7.5.5条510耐温性6.5.6条7.5.6条58.2.3合格判定鉴定检验的样件按8.2.2规定进行检验，若样品的所有检验项目都符合要求，则认为鉴定检验合格。8.3质量一致性检验8.3.1检验批的组成每批产品应进行质量一致性检验。每个检验批应由同一品种、同一直径、同