[发明专利]一种热障涂层结构高频超声成像表征方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用超声扫描显微镜及信号处理方法，实现高频超声成像方法对热障涂层结构质量的有效表征，是属于超声无损检测范围的一种新的涂层结构成像表征方法。 

背景技术

涡轮叶片因为前后缘较薄，产生的热惯性比较小，快速的受热使得反复作用的涡轮叶片产生很大热应力从而导致出现热疲劳裂纹。在如此高温、高压和腐蚀的工作环境中保持着高速旋转，这不仅要承受着高频的扭转应力和交变与应力，除此之外还存在着一系列问题像高温氧化、热腐蚀和磨损等等。为了满足抗高温和抗氧化腐蚀的能力，现在仅靠采用先进的冷却技术、生产新式耐高温合金材料和改善涡轮叶片的制造工艺等这几种常规方法，是很难保证能即安全而又可靠的完成工作的，必需要满足抗高温蠕变强度和抗高温氧化腐蚀的能力，而现在为了提高涡轮叶片的这些性能目前的方法就是在叶片的表面采用热障涂层技术。 

现阶段使用的热障涂层大多还是由陶瓷隔热层以及金属粘结层两部分组成。然而热障涂层与金属基体材料两者之间的热膨胀系数存在很大的差距，导致两者之间的粘结效果不好。当热障涂层长期服役在恶劣的高温环境下，热障涂层与基体材料之间的残余应力不断的增长，当到达一定的程度时，就会发生涂层脱落的情况。且由于涂层材料与金属基体材料的热物理性能参数也有很大的差距，在热障涂层的制备过程中，凝固收缩过程中产生了大量的拉应力，一旦当拉应力达到了材料的抗拉极限的时候，热障涂层内部就会产生裂纹。当热障涂层长期服役在恶劣的高温环境中时，涂层内部裂纹会不断的向表面进行生长、扩展，一段时间过后就会形成表面裂纹。并且在制备涂层的过程中不可避免的会产生一些气体，或者由于制备工艺的局限性，设备本身存在的一些气体。当涂层中的气体不能及时排出的话，则会残留在其中，最终形成气孔。另外，当热障涂层开始凝固收缩的时候，也有可能产生一些气孔。而涂层质量的好坏直接影响着涂层的性能，所以需要对涂层内部质量进行检测。而制造航空涡轮叶片的材料都是一些比较昂贵的复合材料，所以叶片涂层缺陷诊断的首选方法就该考虑的是没有破坏性的无损检测技术。在各种无损检测方法中，超声波检测更具应用前景。 

物体很多虽然不能透光但是都能透声的，所以在早期就有人提出了利用声替换光来观察物体内部的组织结构。1936年前苏联科学家索科洛夫就大胆的提出超声显微镜的设想，物质是由于折射率的差异而产生光的散射，然而声的散射却是由于弹性介质的不同而产生的。声的波长决定了分辨率，几百兆赫兹的超高频超声波也只能得到几个的分辨率。声全息技术研究成功后，尤其是当在水面声全息像的激光扫描实时显示，获得了以下清晰的显微镜成图像的进步，这种技术便引起了广泛的关注，但由于设备的庞大所以不便普及。直至六七十年代，超声显微镜电子显微镜随着声成像相关技术的发展也一样有了长足的发展趋势。利用超声显微成像系统，张军等人观测到了涂层亚表面的结构形貌状态、金属基体与涂层的结构组织差异、涂层的厚度，测试结果与实际情况较吻合。美国的Kundu以及Mal等人对厚度为1μm的金刚石涂层采用超声显微镜成像技术进行测量，并成功测量了涂层密度、声速等物理参数。在国内，大多数报道都集中在运用超声显微镜检测技术对涂层厚度进行测量，加上超声显微镜在国内还是新兴仪器了解的人较少，对涂层结构成像检测研究的并不多。超声扫描显微镜（Scanning Acoustic Microscope）简称（SAM），它是利用超声波对物体的完整性和内部微观结构进行检测的仪器，作为无损检测设备分析中的一种，可以完成15-400MHz超声检测工作。 

超声检测的反射回波中又包含着涂层声速和频率等结构特征信息，为了提取出各个界面微弱的状态特征信息，就必须对反射信号进行数据分析和处理。由于涂层之间存在大小相差不大的声阻抗，使得陶瓷层与粘结层界面以及粘结层与基体界面的反射信号非常微弱，且不可避免的将发生反射信号混叠；而且在涂层中传播，声波有很大衰减以及波形转换等干扰信号，因此需要对检测信号进行卷积滤波，提高信噪比；然后通过波包匹配分解方法分离涂层界面反射信号，最后将多周期反复波包重建并成像，通过成像图对各涂层结构状态进行分析和识别，实现涂层结构质量状况的表征。 

发明内容

本发明的目的是：针对航空涡轮叶片热障涂层结构状况检测需要，提出一种热障涂层结构高频超声成像表征方法，通过高频超声激励信号对带涂层叶片进行B扫描，然后将接收到的高频检测信号进行卷积滤波、涂层界面反射分离和反射波包重建等处理方法实现对涂层结构的成像，最后根据成像图对各涂层结构状态进行分析和识别，实现涂层结构质量状况的表征。