CN104034287A - 一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法 - Google Patents

Abstract

一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，属于超声无损检测技术领域。它采用一套包括超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，分别对被检测试样与参考试样进行测量。针对弹性各向异性金属基体热障涂层试样超声回波信号，借助定义的修正系数Δγ，提取出其中所有Δγ>0的超声数据，并计算其归一化功率谱Gm(f)，读取Gm(f)有效频带内的谐振频率fn，结合已知的热障涂层纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式即可实现弹性各向异性金属基体热障涂层厚度测量。该方法有效克服了由于基体弹性各向异性引起的超声波形畸变以及主频偏移等现象导致热障涂层超声测厚结果偏差较大的问题。

Description

一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法

技术领域

本发明涉及一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，其属于超声无损检测的技术领域。

背景技术

采用热障涂层提高发动机叶片等热端部件的工作温度是一种十分经济有效的技术途径，而热障涂层厚度及其均匀性直接影响到最终隔热效果。在现场涂装施工和质量检验过程中，要求喷涂的热障涂层厚度达到合格标准。准确可靠的热障涂层厚度无损测试方法是该领域的迫切工程需求。

现有多种无损检测方法可用于热障涂层厚度的测量，主要有涡流法、红外法、微波法和超声波法等方法。其中涡流法是基于探头与基体之间由涂层厚度变化引起的提离效应进行测厚的，测厚结果受粘结层的影响较大。红外法是根据被检测涂层在红外线的照射下吸收对应波长的红外线，分析处理被吸收的强度就可以对涂层进行厚度测定，测厚精度受照射时间、涂层成分均匀性等因素影响较大。微波法是在检测前优选适于涂层检测的最灵敏波段，并通过测量反射波反射系数相位的信息进而计算涂层厚度值的，该方法尚处于实验室研究阶段。超声法测量热障涂层厚度主要包括超声显微镜、超声表面波，超声脉冲回波三种技术。超声显微镜技术是利用高频超声波对样品材料表层及内部结构进行无损显微成像的技术，其检测成本高、检测系统复杂、同时该方法对涂层表面平整度的要求较高。超声表面波技术依据声波在涂层中的频散方程，通过测量涂层相速度频散曲线，然后结合反演技术计算涂层厚度，由于热障涂层厚度多在数十微米至百微米量级，因此所需激发的表面波频率多在40MHz-200MHz范围，目前多借助激光来激发，然而由于光声转换效率低、回波信号弱及检测灵敏度低等因素限制了其应用。传统的超声脉冲回波技术利用涂层前后界面反射纵波的声程差或者对应频谱的两个相邻谐振频率，结合涂层的纵波声速来实现涂层厚度的测量。由 于纵波声速大，涂层内传播声时极短，该方法测量厚度在百微米以下的热障涂层通常需要大于40MHz带宽，由此导致超声高频成分强衰减、波形畸变等，难以实施测量。林莉等提出了一种超声纵波小角度入射波型转换测量热障涂层厚度的技术，实验中采用常规主频20MHz的水浸点聚焦探头，对不锈钢基体上制备的厚度范围66～100μm的氧化钇部分稳定氧化锆(Y₂O₃ partially stabilized zirconia，YSZ)涂层进行了超声测厚，结果准确可靠。然而，针对以镍基高温合金为代表的金属基体热障涂层试样，由于基体在制备过程中会发生枝晶偏析及再结晶，导致其存在弹性各向异性，超声波在其中传播过程中会引起波形畸变以及主频偏移等现象，进而引起热障涂层厚度测量不准。以上方法均不能有效解决此类弹性各向异性金属基体热障涂层厚度无损测量的问题。

发明内容

借助超声脉冲回波法C扫描测厚系统对弹性各向异性金属基体的各向异性进行表征，并定义一个弹性各向异性金属基体热障涂层测厚的修正系数Δγ，Δγ＝γ_ani-c-γ_iso-c。当Δγ≤0时，金属基体的弹性各向异性对涂层测厚影响较大，难以准确测量涂层厚度；当Δγ>0时，金属基体弹性各向异性对涂层测厚的影响不大，提取出所有Δγ>0的超声测量数据，并计算其归一化功率谱Gm(f)；读取Gm(f)有效频带内的谐振频率f_n,结合已知的热障涂层纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式可实现热障涂层厚度测量；该方法克服了金属基体弹性各向异性引起的热障涂层超声测厚结果偏差较大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，其特征是：它采用一台超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，分别对弹性各向异性金属基体热障涂层试样、弹性各向同性金属基体热障涂层试样、弹性各向异性金属基体试样进行超声检测，具体检测步骤如下：

(1)首先定义了一个弹性各向异性金属基体热障涂层测厚的修正系数Δγ，表达式为：

Δγ＝γ_ani-c-γ_iso-c (1)

其中γ_ani-c表示弹性各向异性金属基体热障涂层试样的超声回波信号功率谱(以下简称“功率 谱”)主频偏移系数，γ_iso-c表示涂层前后界面回波干涉引起的功率谱主频偏移系数；用γ_ani表示弹性各向异性金属基体引起的功率谱主频偏移系数，γ的表达式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{f_i-f_0}{f_0}---\left(2\right)$

其中f_i为被测试样功率谱主频，f₀为水浸点聚焦探头的始发信号功率谱主频；

(2)校准好超声脉冲回波法C扫描测厚系统，将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体试样上方，调整水浸聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体表面，采集一个始发脉冲作为基准信号J，对信号J进行傅里叶变换得到其功率谱并读取对应的主频f₀以及-6dB对应的有效频带；然后将声束焦点聚焦于基体底面，将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个基体试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M，统计主频f_ani，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani；

(3)将水浸点聚焦探头置于弹性各向同性金属基体热障涂层参考试样上方，调整水浸点聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体底面；将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；然后在C扫描结果不同灰度位置采集对应的回波信号，截取所有信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_iso-c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_iso-c；

(4)将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体热障涂层试样上方，同样将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_ani-c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani-c；比较弹性各向异性金属基体热障涂层试样不同位置γ_ani-c与对应厚度弹性各向同性金属基体热障涂层试样的γ_iso-c值；当Δγ≤0时，γ_ani-c不仅包括涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移，还包括基体弹性各向异性引起的主频偏移γ_ani，此时利用归一化幅度谱谐振频率进行涂层测厚，结果误差较大，测厚结果不可靠；当Δγ>0时，γ_ani-c主要包括涂层前后界面回波干涉引起的 主频偏移，提取所有Δγ>0的数据并进行涂层测厚；

(5)将步骤(4)提取的数据进行傅里叶变换并以信号J为基准进行归一化处理，得到其归一化功率谱Gm(f),读取Gm(f)有效频带内的谐振频率值f_n,已知该热障涂层的纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式(3)：

$f_n=\frac{n\×c}{4d}---\left(3\right)$

通过表达式(3)可计算出对应的涂层厚度。

本发明的效果和益处是：该发明借助超声脉冲回波法C扫描测厚系统对弹性各向异性金属基体热障涂层试样、弹性各向同性金属基体热障涂层试样、弹性各向异性金属基体试样分别进行超声检测。借助定义的修正系数Δγ，提取出弹性各向异性金属基体热障涂层所有Δγ>0的超声回波数据，并计算其归一化功率谱Gm(f)，读取Gm(f)有效频带内的谐振频率f_n,结合已知的热障涂层纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式即可实现热障涂层厚度测量。该方法不仅克服了现有用于热障涂层测厚的超声显微镜、超声表面波，超声脉冲回波三种技术存在的要求高的检测频率及硬件配置、检测成本高、系统复杂等不足，而且有效解决了金属基体弹性各向异性引起的涂层超声测厚结果误差较大的问题。该方法对检测系统硬件要求低，操作方便，成本低，适用范围广，具有较大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。

图1是超声脉冲回波法C扫描测厚系统。

图2是基准信号J时域波形与对应功率谱。

图3是镍基高温合金基体试样的C扫描结果。

图4是镍基高温合金基体试样的功率谱M与主频偏离系数γ_ani。

图5是涂层厚度40～120μm的均匀不锈钢基体YSZ涂层试样的C扫描结果。

图6是涂层厚度40～120μm的均匀不锈钢基体YSZ涂层试样的主频偏移系数γ_iso-c。

图7是镍基高温合金基体YSZ涂层试样的C扫描结果。

图8是镍基高温合金基体YSZ涂层试样的主频偏离系数γ_ani-c。

图9是YSZ涂层超声测厚结果与金相测厚结果。

图10是YSZ涂层试样横截面的扫描电子显微镜照片

图11是YSZ涂层超声测厚误差分析。

图1中：1、计算机，2、DPO4O32数字示波器试样，3、超声波C扫描装置，4、水浸点聚焦探头，5、试样，6、试样台。

具体实施方式

本弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法采用图1所示的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，它由一台SM-J38-300超声波C扫描装置、标称25MHz的水浸点聚焦探头、DPO4O32数字示波器以及计算机共同构成。分别对标称60μm厚的镍基高温合金基体YSZ涂层试样、涂层厚度40～120μm的均匀不锈钢基体YSZ涂层试样、镍基高温合金基体试样进行测量，它采用的测量步骤如下：

(1)校准好超声脉冲回波法C扫描测厚系统，将标称25MHz水浸点聚焦探头置于镍基高温合金基体试样上方，调整水浸聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体表面，采集一个始发脉冲作为基准信号J，见图2(a)。对其进行傅里叶变换得到其功率谱见图2(b)，主频f₀＝23.25MHz，功率谱-6dB对应的有效频带为13.75MHz～33.0MHz。然后将声束焦点聚焦于基体底面，将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个弹性各向异性金属基体试样进行C扫描检测，结果见图3；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M，见图4(a)。统计功率谱的主频f_ani，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani，如图4(b)。图中可以看出镍基高温合金基体的主频偏移系数γ_ani主要分布在-0.5～0范围，基体各向异性引起超声波主频向低频偏移。

(2)将标称25MHz水浸点聚焦探头置于涂层厚度40～120μm的均匀不锈钢基体YSZ涂层试样上方，调整水浸点聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于均匀不锈钢基体底面；将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检 测，结果如图5。然后采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号。截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_iso-c；依据公式(2)计算涂层厚度波动10％引起的主频偏移系数γ_iso-c范围，见图6。图中给出了23.25MHz探头的测厚范围为40～90μm。采用同样的方法测量了15MHz探头的测厚范围为60～120μm。可以发现，该方法采用低频探头可测量较大涂层厚度，采用高频探头可以测量较薄涂层厚度，其它频率探头的测厚范围需要根据实际情况标定。

(3)将标称25MHz水浸点聚焦探头置于标称60μm厚的镍基高温合金基体YSZ涂层试样上方，同样将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测，结果如图7。采集图7中箭头位置对应的回波信号，并截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_ani-c；依据公式(2)计算其对应的主频偏移系数γ_ani-c范围，见图8；比较不同位置γ_ani-c与图6中60μm厚度对应的γ_iso-c(γ_iso-c＝0)值。如果Δγ≤0，说明γ_ani-c不仅包括YSZ涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移γ_iso-c，基体各向异性引起的γ_ani也不可忽略，此时利用归一化幅度谱谐振频率进行涂层测厚，结果误差较大；如果Δγ>0，表明γ_ani-c主要来自YSZ涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移γ_iso-c，基体各向异性引起的γ_ani可忽略，提取出所有Δγ>0的数据并进行涂层测厚。

(4)将步骤(3)提取的数据进行傅里叶变换并以信号J为基准进行归一化处理，得到其归一化功率谱Gm(f)，读取Gm(f)谐振频率值f_n，已知该YSZ涂层纵波声速4320m/s，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式(3)，可计算出对应的YSZ涂层厚度，见图9。然后解剖试样，利用金相方法确定YSZ涂层厚度，涂层试样横截面的扫描电子显微镜照片如图10所示。图11给出了标称厚度60μm的镍基高温合金基体YSZ涂层试样的原始超声法测厚结果和修正后超声法测厚结果与金相测厚结果对应的绝对误差，原始超声法测厚结果的绝对误差范围为-10.89～98.5μm，统计标准差为29.3μm，统计相对误差为49.8％。修正后超声法测厚结果的绝对误差范围为-10.89～11.9μm，统计标准差为5.07μm，统计相对误差为9.9％。

Claims (1)

1.一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，其特征是：它采用一台超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，分别对弹性各向异性金属基体热障涂层试样、弹性各向同性金属基体热障涂层试样、弹性各向异性金属基体试样进行超声检测，具体检测步骤如下：

(1)首先定义一个弹性各向异性金属基体热障涂层测厚的修正系数Δγ，表达式为：

Δγ＝γ_ani-c-γ_iso-c (1)

其中γ_ani-c表示弹性各向异性金属基体热障涂层试样的超声回波信号功率谱主频偏移系数，以下简称“功率谱主频偏移系数”，γ_iso-c表示涂层前后界面回波干涉引起的功率谱主频偏移系数；用γ_ani表示弹性各向异性金属基体引起的功率谱主频偏移系数，γ的表达式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{f_i-f_0}{f_0}---\left(2\right)$

其中f_i为被测试样功率谱主频，f₀为水浸点聚焦探头的始发信号功率谱主频；

(2)校准好超声脉冲回波法C扫描测厚系统，将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体试样上方，调整水浸聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体表面，采集一个始发脉冲作为基准信号J，对信号J进行傅里叶变换得到其功率谱并读取对应的主频f₀以及-6dB对应的有效频带；然后将声束焦点聚焦于基体底面，将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个基体试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M，统计主频f_ani，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani；

(3)将水浸点聚焦探头置于弹性各向同性金属基体热障涂层试样上方，调整水浸点聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体底面；将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；然后在C扫描结果不同灰度位置采集对应的回波信号，截取所有信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其功率谱M并统计其对应的主频f_iso-c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_iso-c；

(4)将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体热障涂层试样上方，同样将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_ani-c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani-c；比较弹性各向异性金属基体热障涂层试样不同位置γ_ani-c与对应厚度弹性各向同性金属基体热障涂层试样的γ_iso-c值；当Δγ≤0时，γ_ani-c不仅包括涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移，还包括基体弹性各向异性引起的主频偏移γ_ani；当Δγ>0时，γ_ani-c主要包括涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移，提取所有Δγ>0的数据并进行涂层测厚；

(5)将步骤(4)提取的数据进行傅里叶变换并以信号J为基准进行归一化处理，得到其归一化功率谱Gm(f),读取Gm(f)有效频带内的谐振频率值f_n,已知该热障涂层的纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式(3)：

$f_n=\frac{n\×4}{4d}---\left(3\right)$

通过表达式(3)计算出对应的涂层厚度。