[发明专利]采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法

摘要

一种采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法，属于超声无损检测技术领域。它采用一套包括水槽、超声波水浸点聚焦探头、XYZ三维步进装置、超声波探伤仪、数字示波器以及计算机构成的超声测试系统。该系统产生的超声波以小角度入射至热障涂层/金属基体结构，在基体/水的界面产生折射横波并经过基体/涂层以及涂层/水等界面，由探头接收到一个混叠信号。计算混叠信号的声压反射系数功率谱，通过测量热障涂层的横波声速值并读取一个准确的fm，实现涂层测厚。本发明采用常规超声水浸点聚焦探头及测量系统即可实现50-250μm热障涂层厚度的测量。与现有的超声测厚方法相比，检测系统复杂程度及成本均大大降低，具有较大的经济效益和社会效益。

主权项

1.一种采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法，它采用一套包括水槽、超声波水浸点聚焦探头、XYZ三维步进装置、超声波探伤仪、数字示波器以及计算机构成的超声测试系统，其特征是：所述方法采用的测量步骤如下：（1）利用所述校准好的超声测试系统，将水浸点聚焦探头置于金属基体上方，用水槽水浸耦合，并保证探头主声束轴线与金属基体表面垂直，调节探头位置，将声束焦点聚焦于金属基体的上表面，此时金属基体一次表面回波P₁最高；然后，调节探头与金属基体间的距离，将声束焦点聚焦于金属基体底面，此时偏离主声束轴线的超声波会以小角度α斜入射到金属基体之中，小角度α在0～9°之间，小于水/金属基体界面的第一临界角，记下此时金属基体的一次表面回波P₁的声时t₁；以小角度α斜入射到金属基体中的波束在水/金属基体界面产生折射纵波，折射角记为β_l；折射纵波在金属基体下表面反射时，又会同时产生反射纵波P₂与反射横波P₃，它们反射到金属基体/水界面出射时，转换为折射角为α的纵波并被水浸点聚焦探头接收，借助数字示波器观察波形，记录一次底面反射纵波P₂与一次底面反射横波P₃，得到对应的声时t₂与t₃，P₂做为基准信号1，P₃做为基准信号2；已知金属基体的纵波声速υ_基，水中纵波声速υ_水，金属基体内传播声时t₁₂=t₂-t₁，结合其厚度h计算出入射角α；（2）将水浸点聚焦探头置于被测热障涂层/金属基体试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；然后，调节探头与热障涂层表面之间的距离，使热障涂层的一次表面回波P_1s的声时同样为t₁，即将声束焦点聚焦于热障涂层的表面；同步骤（1）所述，倾斜入射的纵波在金属基体下表面反射时，会产生反射纵波P_2s与反射横波P_3s；反射纵波P_2s经过热障涂层后，在涂层上下界面发生多次混叠并且以折射纵波P₄的形式被水浸点聚焦探头接收；反射横波P_3s经过涂层后，在涂层上下界面发生多次混叠，并且在涂层/水界面再次发生波型转换，以纵波P₅的形式被水浸点聚焦探头接收；借助数字示波器观察波形并采集反射回波P₄与反射回波P₅，P₄做为试样信号1，P₅做为试样信号2；（3）热障涂层纵波声速、横波声速计算过程：对步骤（1）和（2）所述采集到的基准信号1和试样信号1分别进行傅里叶变换，得到基准信号和试样信号声压反射系数功率谱R₁和S₁，令功率谱R₁和功率谱S₁的商为涂层纵波信号的归一化功率谱G₁；对基准信号2和试样信号2分别进行傅里叶变换，得到基准信号和试样信号声压反射系数功率谱R₂和S₂，令功率谱R₂和功率谱S₂的商为涂层横波信号的归一化功率谱G₂；在G₁与G₂中分别搜索探头中心频率附近的极大值谐振频率f_n与f_m，由斜入射条件下谐振频率表达式与斯涅耳定理可得公式（1）～（4）：dcosγl=n*υl4*fn---(1)]]>dcosγs=m*υs4*fm---(3)]]>其中d为热障涂层厚度，υ_l、υ_s、γ_l与γ_s分别为热障涂层的纵波声速、横波声速、纵波折射角与横波折射角；已知热障涂层厚度d与入射角α，联立式（1）与（2）可同时求得υ_l与γ_l两个未知量；联立式（3）与（4）可同时求得υ_s与γ_s两个未知量；（4）热障涂层厚度d测量过程：对步骤（1）、（2）与（3）所述过程，若已知涂层纵波υ_l与入射角度α，结合功率谱G₁读取的谐振频率f_n，联立式（1）～（2）可求出热障涂层厚度d；对于采用纵波法无法测量的较薄涂层，可采用热障涂层横波υ_s与入射角α，结合功率谱G₂读取的谐振频率f_m，联立式（3）～（4），求出涂层厚度d，因为热障涂层横波声速υ_s相对υ_l较小，在相同的检测系统下，可测量较薄涂层厚度值。