[发明专利]一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法

说明书

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：