CN105548353B - 一种超声波涂层检测方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波涂层检测方法，用于对航空发动机的零部件的基体上的涂层进行检测，包括如下步骤：将基体上的涂层朝下水平放置于水槽中，调整探头的焦点位于基体底面上；通过预先拟合的超声波检测设备的反射回波信号高度与涂层和基体的结合缺陷的比率的函数曲线，插值获得扫描得到的反射回波信号高度所对应的涂层与基体的结合缺陷的比率，以判断结合质量是否合格。本发明通过上述优化的超声波涂层检测步骤，提供了一套超声波检测的数值标准，检测过程可以全数字化自动完成，提高了测量精度和效率，可广泛应用于航空发动机的涂层的无损检测，可以可靠保证涂层结合质量。

Description

一种超声波涂层检测方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机涂层检测技术，尤其是一种利用超声波对航空发动机的零部件上的涂层进行检测的方法，特别涉及一种超声波涂层检测方法。

背景技术

航空发动机中，需要在部分零件上喷涂AlSi 6％材料(Al94％+Si6％的合金)的磨耗封严涂层，以保证这些零件的封严性。现有航空发动机制造厂商对该类零件涂层质量的检验仅限于目视检查其表观质量，而涂层与基体的结合质量只能靠工艺保证，没有任何无损检测方法，这样一来，一旦喷涂工艺过程失控，就可能导致因涂层结合质量差而造成涂层脱落零件失效的事故，进而危害发动机的安全。

喷涂件的结合性缺陷一般就是涂层与基体脱离缺陷，这类缺陷是面积型缺陷(即厚度方向的尺寸很小)，根据缺陷形态特点，可考虑采用红外、超声等无损检测技术进行检验。由于红外检验时需要给零件加载，操作条件要求比较苛刻，且检验灵敏度不高，不利于小缺陷的检出。

超声波探伤技术是一种常规现有技术，能够利用超声进行可靠的无损检测。例如，中国专利申请CN 201510196255.4中公开了一种金属板材的超声波检测方法，采用频率为10～15MHz的水浸式探头检测板材的不连续性图像，如果被检测金属板材的某个不连续性图像比验收方法规定的不连续性图像尺寸大，则该不连续性被判定为不合格；反之为合格。该方法在检测板材的时候，对于焦距的设置很随意，即观察金属板材上表面反射回波的波高直至波高出现最大值，但是最大值应当出现在缺陷深度，但是缺陷深度并不是固定的，因此上述现有技术只能用于缺陷较多、较明显的一般质量要求不高的场合，对于检测质量要求极高的航空发动机涂层的定量检测缺乏精确的设定标准，即，该现有技术没有提供判断超声波检测的数值标准。同样的，类似中国专利申请CN 201310472205.5中公开的无间隙度超声检测方法虽然用到金相分析进行证实，但是提供的也是定性的分析，也没有可供参考的定量的数值判断标准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声波涂层检测方法，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种超声波涂层检测方法，用于利用超声波检测设备对航空发动机的零部件的基体上的涂层进行检测，所述方法包括如下步骤：将所述基体上的涂层朝下水平放置于水槽中，将所述超声波检测设备的超声波探头放置于所述基体的上方，所述超声波探头为水浸点聚焦探头，工作频率为10MHz～25MHz，焦点尺寸：≤0.8mm；调整所述探头的焦点位于所述基体底面上；将所述基体与水界面的反射回波信号高度调至所述超声波检测设备满屏的100％；启动所述超声波检测设备进行扫描，其中扫查步进≤0.2mm；采样间距≤0.2mm；重复频率≥1280Hz；通过预先拟合的所述超声波检测设备的反射回波信号高度与所述涂层与所述基体的结合缺陷的比率的函数曲线，插值获得扫描得到的反射回波信号高度所对应的所述涂层与所述基体的结合缺陷的比率，以判断所述涂层与所述基体的结合质量是否合格。

优选地，扫描得到的反射回波信号高度小于等于所述超声波检测设备满屏的65％，则判断所述涂层与所述基体的结合质量合格。

优选地，扫描得到的反射回波信号高度大于等于所述超声波检测设备满屏的80％，则判断所述涂层与所述基体完全脱离。

优选地，扫描得到的反射回波信号高度小于所述超声波检测设备满屏的80％，大于所述超声波检测设备满屏的65％，则判断所述涂层与所述基体部分脱离。

优选地，所述探头的焦距为L，所述基体的厚度为B，所述探头在水槽中距离所述基体的上表面的高度为L-4B。

优选地，所述基体材料为镍基高温合金钢，所述涂层为AlSi 6％合金材料；所述探头的焦距为50mm，所述基体的厚度为1.5mm，所述探头在水槽中距离所述基体的上表面的高度为44mm。

优选地，预先建立所述函数曲线的步骤为：采用所述超声波检测设备对所述零部件的不同的试件进行扫描，记录每个试件的反射回波信号高度；对每个所述试件进行金相解剖检查，统计每个所述试件的所述涂层与所述基体的结合缺陷的比率；以所述试件的反射回波信号高度为横轴，以所述结合缺陷的比率为纵轴，拟合获得所述函数曲线。

优选地，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于等于所述超声波检测设备满屏的65％时，所述结合缺陷的比率为0％。

优选地，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度大于等于所述超声波检测设备满屏的80％时，所述结合缺陷的比率为100％。

优选地，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于所述超声波检测设备满屏的80％，大于所述超声波检测设备满屏的65％，所述结合缺陷的比率在0％-100％之间。

本发明通过上述优化的超声波涂层检测步骤，提供了一套超声波检测的数值标准，检测过程可以全数字化自动完成，提高了测量精度和效率，可广泛应用于航空发动机的涂层的无损检测，可以可靠保证涂层结合质量。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的超声波涂层检测方法的检测布局结构示意图；

图2显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的结合没有缺陷的金相解剖图；

图3显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的完全脱离的金相解剖图；

图4显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的部分脱离的金相解剖图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的超声波涂层检测方法的检测布局结构示意图，如图所示，所述超声波涂层检测方法用于利用超声波检测设备(图中仅示出了超声波检测设备的超声波探头300)对航空发动机的零部件的基体100上的涂层200进行检测，其中，所述基体材料为镍基高温合金钢，涂层优选为AlSi 6％合金材料(Al94％+Si6％的合金)。

如图，本发明的检测方法的基本原理是：当采用超声波法对基体100及其上的涂层200的结合质量进行检测时，超声波可以从任一侧垂直于结合面入射(例如从基体100一侧入射)。当超声波经过基体100传播到其与涂层200的结合面时，由于两种材料声阻抗不同，一部分超声波会反射回来，另一部分将透射入涂层200中。若两种材料结合良好，大部分超声波进入涂层200继续传播，小部分反射回基体100，因而在结合层处的反射回波幅度较小。若两种材料完全未结合，则所有超声波在结合层处被反射回基体100，故结合层处的反射回波幅度很大。若两种材料部分未结合，则小部分超声波进入涂层200继续传播，大部分超声波在结合层处被反射回基体100，故结合层处的反射回波幅度介于上述两种情况之间。因此，我们只要监测结合层处的超声回波的幅度，就能判断结合质量的好坏。

基于上述原理，本发明的方法包括如下具体步骤：

首先将基体100上的涂层200朝下水平放置于水槽中，将超声波检测设备的超声波探头300放置于基体100的上方，超声波探头300为水浸点聚焦探头，工作频率为10MHz～25MHz，焦点尺寸：≤0.8mm。其中，超声波的工作频率越高，横向分辨率越好，越能将两个小缺陷区分开。由于结合层的缺陷是任意形状和尺寸的，有的弥散状缺陷非常小，为了能区分它们，需要选择较高的检测频率。另外，涂层200朝下检测的好处是便于下一步流程中调整探头300的焦点，因为基体100的厚度是可以基于设计参数以及附着涂层之前的测量准确确定的，而涂层200的厚度在检测之前是不可预知的，因此从基体100的一侧可以准确将超声波的焦点确定在基体100的底面上，以便于获得准确的测量结果。特别是当基体100为锻件时，由于锻件的组织比较均匀，对超声波的衰减比较一致，所以超声波到达整个锻件底面时能量基本保持一致，这样，不同部位基体100和涂层200结合面回波幅度的差异就完全是由于结合质量不同造成。这样可使得本发明所提供的方法更加适用。

本领域技术人员应当立即，超声波探头300放置于基体100的上方是为了保障超声波与基体100垂直，因此，如果零件为环形放置于水中，则可将超声波探头300同样置于水中，并偏转90度角保障超声波探头300与环形零件的圆周面垂直，这样同样可实现超声波与被测基体100的垂直。

因此，下面要做的步骤是：调整探头300的焦点位于基体100底面上；将基体100与水界面的反射回波信号高度调至超声波检测设备满屏的100％。在点聚焦探头的超声场内，离探头端面不同距离处的声场分布是不同的，焦点处声束宽度最小，能量最集中。由于结合层的质量是我们所关心的，因此应使探头的焦点落在结合面，以保证该区域的检测信噪比最佳。

另外超声波检测的灵敏度与反射回波信号的高度相关，高度值的准确测量决定了检测的灵敏度的高低。基体100与水界面的反射回波信号高度由于没有涂层200的干扰，在超声波检测设备的显示屏上显示的幅度是最大的，因此可以事先将一个没有涂层的试样放置在水槽中，将测得的基体100与水界面的反射回波信号高度在显示屏上调整到显示屏的整幅高度(Full screen height，FSH)的100％，后续检测过程中因为不会出现更大的信号高度(不会出现超出显示屏的显示范围的信号值)，因此这种设置使得后续检测得到的信号高度能够在显示屏中显示得尽可能大，从而方便获取最精确的检测信号高度，保证足够的检测灵敏度。也就是说，可以使用一个与被检件相同的没有喷涂涂层200的零件作为对标件，将这个零件的底波(也就是基体100与水界面的反射回波信号)调到100％FSH作为检测灵敏度。调好灵敏度后，再换上被检件，记录被检件的基体100和涂层200的界面回波高度，以此评价结合质量。

探头300的焦距由探头的结构所确定，在一个具体实施例中，探头300的焦距L优选为50mm，被检测零件的基体100的厚度B为1.5mm，则一般将探头300距被检测零件上表面的距离确定为L-B，即大体上此时探头的焦点落在了基体100的底面上。但是实际上这是不准确的，精确来说，由于基体100采用的镍基高温合金钢中超声波的传播速度远大于空气中的声波速度，因此如果是在空气中进行检测，可以忽略空气中的声波速度的影响，上述计算方式大体上还是可以接受的。但是，当采用水浸式超声波检测的时候，超声波在水中的传播速度并不会低于镍基高温合金钢中超声波的传播速度很多，因此精确测量时需要考虑二者之间的速度差值，经过试验检测，在本发明中，镍基高温合金钢中超声波的传播速度等于超声波在水中的传播速度的四倍，因此在本步骤中，确定探头300的焦点位于基体100底面上的精确方案应当是，调整探头300在水槽中距离基体100的上表面的高度为L-4B，即在具体实施例中，该高度应该为44mm。

之后启动超声波检测设备进行扫描，其中扫查步进≤0.2mm；采样间距≤0.2mm；重复频率≥1280Hz。点聚焦探头声场范围很小，要保证较大的零件100％的检测，需要对零件进行扫描，扫描步进和采样间距决定了采点的间距。重复频率即每秒中发射超声波的次数，决定了采集数据的数量。对喷涂零件进行扫描时，采集的数据越多，扫描图形更清晰。因此仪器的重复频率应设置较高，只要不出现幻影波即可。

最后，通过预先拟合的超声波检测设备的反射回波信号高度与涂层200与基体100的结合缺陷的比率的函数曲线，插值获得扫描得到的反射回波信号高度所对应的涂层200与基体100的结合缺陷的比率，以判断涂层200与基体100的结合质量是否合格。

在一个具体实施例中，预先建立函数曲线的步骤为：采用同样的超声波检测设备对同样的零部件的不同的试件进行扫描，记录每个试件的反射回波信号高度；对每个试件进行金相解剖检查，统计每个试件的涂层200与基体100的结合缺陷的比率；以试件的反射回波信号高度为横轴，以结合缺陷的比率为纵轴，拟合获得所述函数曲线。

本发明对应的反射回波信号高度与结合缺陷的比率的几个重要端值可以参照金相解剖加以验证。其中，图2显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的结合没有缺陷的金相解剖图，图中可见，该状态下的结合缺陷的比率为0％，涂层200和基体100的结合良好，完全不存在脱离的现象，此时，统计对应的试件扫描得到的反射回波信号高度小于等于超声波检测设备满屏的65％。图3显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的完全脱离的金相解剖图，图中可见，该状态下的结合缺陷的比率为100％，涂层200和基体100处于完全脱离的状态，此时，统计对应的试件扫描得到的反射回波信号高度大于等于超声波检测设备满屏的80％(因为毕竟有涂层存在，而且涂层即便完全脱离也距离基体非常近，因此仍然会有一部分超声波会被涂层传播出去)。图4显示的是根据本发明的一个具体实施例中涂层的部分脱离的金相解剖图，图中可见，该状态下的结合缺陷的比率在0％-100％之间，涂层200和基体100处于部分脱离的状态，统计对应的试件扫描得到的反射回波信号高度小于超声波检测设备满屏的80％，大于超声波检测设备满屏的65％。此外，统计涂层200与基体100的结合缺陷的比率可以通过将金相解剖图输入计算机，利用软件统计结合面位置处的深色(表示脱离区域)在整个结合面的面积比率，以此获得精确的结合缺陷的比率值，避免人为读图差异带来的数据缺陷，整个过程可以数字化、自动化完成，提高了测量精度和效率。

也就是，根据上述步骤拟合获得所述函数曲线之后，也可以从该函数曲线上反向插值获得上述典型的端值数据，即，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于等于超声波检测设备满屏的65％时，结合缺陷的比率为0％；通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度大于等于超声波检测设备满屏的80％时，结合缺陷的比率为100％；通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于超声波检测设备满屏的80％，大于超声波检测设备满屏的65％，结合缺陷的比率在0％-100％之间。

拟合获得函数曲线之后，真实检测扫描得到反射回波信号高度，就可以利用函数曲线进行插值，得到函数曲线上对应的结合缺陷的比率，根据函数曲线的上述端值判断结合质量是否合格。例如，在一个具体实施例中，如果扫描得到的反射回波信号高度小于等于超声波检测设备满屏的65％时，则判断涂层200与基体100的结合质量合格，即结合缺陷的比率为0％。在另一个具体实施例中，如果扫描得到的反射回波信号高度大于等于超声波检测设备满屏的80％，则判断涂层200与基体100完全脱离，即结合缺陷的比率为100％。在又一个具体实施例中，如果扫描得到的反射回波信号高度小于超声波检测设备满屏的80％，大于超声波检测设备满屏的65％，则判断涂层200与基体100部分脱离，即结合缺陷的比率在0％-100％之间。

综上所述，本发明通过上述优化的超声波涂层检测步骤，提供了一套超声波检测的数值标准，检测过程可以全数字化自动完成，提高了测量精度和效率，可广泛应用于航空发动机的涂层的无损检测，可以可靠保证涂层结合质量。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种超声波涂层检测方法，用于利用超声波检测设备对航空发动机的零部件的基体(100)上的涂层(200)进行检测，所述方法包括如下步骤：

将所述基体(100)上的涂层(200)朝下水平放置于水槽中，将所述超声波检测设备的超声波探头(300)放置于所述基体(100)的上方，所述超声波探头(300)为水浸点聚焦探头，工作频率为10MHz～25MHz，焦点尺寸：≤0.8mm；

调整所述探头(300)的焦点位于所述基体(100)底面上；将所述基体(100)与水界面的反射回波信号高度调至所述超声波检测设备满屏的100％；

启动所述超声波检测设备进行扫描，其中扫查步进≤0.2mm；采样间距≤0.2mm；重复频率≥1280Hz；

通过预先拟合的所述超声波检测设备的反射回波信号高度与所述涂层200和所述基体100的结合缺陷的比率的函数曲线，插值获得扫描得到的反射回波信号高度所对应的所述涂层200与所述基体100的结合缺陷的比率，以判断所述涂层200与所述基体100的结合质量是否合格。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描得到的反射回波信号高度小于等于所述超声波检测设备满屏的65％，则判断所述涂层(200)与所述基体(100)的结合质量合格。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描得到的反射回波信号高度大于等于所述超声波检测设备满屏的80％，则判断所述涂层(200)与所述基体(100)完全脱离。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描得到的反射回波信号高度小于所述超声波检测设备满屏的80％，大于所述超声波检测设备满屏的65％，则判断所述涂层(200)与所述基体(100)部分脱离。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探头(300)的焦距为L，所述基体(100)的厚度为B，所述探头(300)在水槽中距离所述基体(100)的上表面的高度为L-4B。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基体材料为镍基高温合金钢，所述涂层为AlSi 6％合金材料；所述探头(300)的焦距为50mm，所述基体(100)的厚度为1.5mm，所述探头(300)在水槽中距离所述基体(100)的上表面的高度为44mm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先建立所述函数曲线的步骤为：采用所述超声波检测设备对所述零部件的不同的试件进行扫描，记录每个试件的反射回波信号高度；对每个所述试件进行金相解剖检查，统计每个所述试件的所述涂层(200)与所述基体(100)的结合缺陷的比率；以所述试件的反射回波信号高度为横轴，以所述结合缺陷的比率为纵轴，拟合获得所述函数曲线。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于等于所述超声波检测设备满屏的65％时，所述结合缺陷的比率为0％。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度大于等于所述超声波检测设备满屏的80％时，所述结合缺陷的比率为100％。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述函数曲线插值获得扫描得到的反射回波信号高度小于所述超声波检测设备满屏的80％，大于所述超声波检测设备满屏的65％，所述结合缺陷的比率在0％-100％之间。