CN110726772A - 一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法，属于超声无损检测技术领域。该方法采用一套包括水槽、涂层试样、超声波水浸探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置以及计算机构成的超声检测系统。该系统的超声体波垂直入射至涂层试样进行检测，采集水/涂层和涂层/基体界面的混叠信号Pr(t)，对Pr(t)进行快速傅里叶变换获得展开相位Ψ0(f)，将Ψ0(f)线性拟合获得相位谱Ψp(f)，识别Ψp(f)相邻奇数或偶数零点相位对应的谐振频率fn与fn+2，求解界面刚度变化引起的相位变化
Figure DDA0002272016950000011
依据
Figure DDA0002272016950000012
与刚度系数Kn之间理论关系实现界面结合强度定量测量。该方法克服了超声表面波、超声显微镜技术设备操作复杂、不易工程应用以及目前超声体波技术易受涂层厚度影响，定量精度不高的问题。

Description

一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法
技术领域
本发明涉及一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法，其属于超声无损检测技术领域。
背景技术
航空航天、核电等领域关键零部件普遍采用涂层技术来满足其高性能、长寿命、高可靠运行的使役要求。零部件苛刻的高温、高压、高磨损等服役环境要求涂层/基体界面具有高的结合强度。Lima等指出涂层界面结合强度与涂层脱落失效直接相关。Ghasemi等指出热障涂层普遍存在残余应力、局部微缺陷，要求涂层与基体间有足够的界面结合强度才能避免脱落失效。因此，发展简便、可靠、且易于工程应用的涂层界面结合强度定量检测方法，是满足涂层零部件长期服役性能的关键保障。
目前，常用于测量涂层/基体材料界面结合强度的方法主要有：拉伸法、划痕法、压入法等。美国材料与试验协会(ASTM)提出涂层界面结合强度测量标准“Standard testmethod for adhesion or cohesion strength of thermal spray coatings,ASTMStandard C 633-01,ASTM,West Conshocken,PA,USA,2001”。该标准测量的涂层结合强度上限依赖粘胶强度，目前最大可测69MPa，无法应用于更高结合强度涂层(如WC-Co涂层结合强度高达143MPa)体系的定量检测。高结合强度涂层体系多采用划痕法测量，该法以导致涂层与基体剥离的临界载荷作为涂层结合强度的评价依据，检测结果受涂层自身硬度、强度影响大，适用的涂层厚度通常不超过10μm。有人提出了一种基于界面断裂韧性间接测量涂层界面结合强度的评价方法。该方法需要获得涂层/基体界面开裂时的临界载荷，且需要已知的涂层硬度与弹性模量值方可计算结合强度。还有人基于超声检测模块、硬度测试模块与界面裂纹检测模块等发展了基于界面断裂韧性测量涂层界面结合强度的方法，并开发了集成设备，实现了高低结合强度涂层体系结合强度的测量。上述涂层界面结合强度测量方法均属于有损检测方法，较难对涂层试样实现100％检测。
涂层/基体界面结合强度是一种力学性能参数，而超声无损检测固体零部件是一种固体力学方法。因此，采用超声无损检测技术表征界面结合强度成为研究热点，主要包括激光超声技术、超声表面波技术、超声显微镜技术和超声体波技术。激光超声技术表征界面结合强度分为2类,激光层裂技术与激光超声表面波技术。激光层裂技术是利用测量声波模式变换/表面位移差异,计算结合强度。激光超声表面波技术属于超声表面波技术的一种。超声表面波技术是利用表面波频在涂层结构中的散规律表征界面结合质量。该方法通常仅能表征一个表面波长内的结合强度，由于涂层通常较薄，激发表面波的设备较为复杂，横向分辨力不高，多借用激光超声技术激发表面波提高分辨率，但增加了设备成本且不易于工程应用。常用的反射式超声显微镜技术简称V(z,t)技术，该技术利用垂直反射波与漏表面之间的干涉效应形成V(z,t)曲线表征结合强度。该方法需事先已知准确的涂层厚度，涂层厚度无损获得也较难，该方法需要在厚度方向动态聚焦，不便于工程现场应用。徐春广等提出涂层/基体界面的透射系数受界面结合强度影响，引入超声体波界面透射系数影响因子K，用于表征界面结合强度。该方法可用于定性表征界面结合强度高低，难以准确定量，且影响因子K受涂层与基体厚度、组织非均匀等影响较大。
本文提出一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法，在涂层厚度未知的情况下，采用单个超声体波水浸探头垂直入射涂层试样，单次测量回波信号Pr(t)，通过信号分析获得相应涂层混叠信号相位谱，即可提取出与界面刚度系数Kn具有线性关系的相位变化
Figure BDA0002272016930000031
实现涂层/基体界面结合强度的定量测量。本文方法仅需超声体波单次测量即可获得混叠信号的相位谱，避免了混叠带来的干扰，无需知道涂层厚度即可从相位谱中提取涂层界面刚度系数，进而实现微米量级(50-500μm)涂层界面结合强度定量表征，克服了超声表面波技术与超声显微镜技术设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术容易受涂层厚度等影响，定量精度不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法。解决单个超声体波探头垂直入射时的涂层上表面回波和涂层/基体界面回波混叠问题，克服超声表面波技术与超声显微镜技术设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术易受涂层厚度等影响、定量精度不高的问题。适用范围更广，工程应用简单易行，可推广应用到涂层界面结合质量的C扫描成像，具有较大的经济效益和社会效益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法，其特征是：检测方法包括一套水槽、涂层试样、超声波水浸探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置以及计算机构成的超声检测系统，采用的测量步骤如下：
(1)将超声波水浸探头置于参考试块上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，t表示时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]；
(2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到水/涂层与涂层/基体界面，采集特定闸门内包含涂层表面以及涂层/基体界面回波的A扫描波形Pr(t)；
(3)对步骤(2)所述采集到的A扫描波形Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的超声声压反射系数展开相位Ψ0(f)，对有效频带[ff,fb]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)，相位谱Ψp(f)的理论表达式可由涂层结构的复声压反射系数R获得；
Figure BDA0002272016930000041
Figure BDA0002272016930000042
其中Real(R)与Img(R)分别表示复声压反射系数R的实部与虚部，d2为涂层厚度，V2为涂层声速，其中r12与r23分别表示水/涂层与涂层/基体界面的声压反射系数，式(3)给出了水与涂层理想结合的声压反射系数r12，式(4)给出了涂层与基体界面不理想结合的复声压反射系数r23，Kn表示不理想结合界面处的垂向刚度系数，单位为N/m3；
r12＝(Z2-Z1)/(Z2+Z1) (3)
r23＝[(Z3-Z2)+i(2πf/Kn)Z2Z3]/[(Z3+Z2)-i(2πf/Kn)Z2Z3] (4)
式(3)与式(4)中Z1、Z2与Z3分别表示水、涂层与基体的声阻抗，是对应介质声速V与密度ρ的乘积；
(4)当界面刚度系数Kn大时，涂层/基体界面的复声压反射系数r23变为实数，当界面刚度小时，Kn仅出现在复声压反射系数r23的虚部，引起反射系数r23出现一个相位变化
Figure BDA0002272016930000051
步骤(3)中的公式(4)可表示为幅值项乘以相位项形式，见公式(5)；
Figure BDA0002272016930000052
其中复反射系数r23的实部项a,虚部项b以及相位角
Figure BDA0002272016930000053
可分别表示为,
Figure BDA0002272016930000054
Figure BDA0002272016930000055
(5)将步骤(4)中的公式(5)代入步骤(3)中的公式(1)，则涂层试样的复声压反射系数R可表示为；
Figure BDA0002272016930000057
Figure BDA0002272016930000058
可以看出，除了涂层厚度d2与涂层声速V2会引起复声压反射系数R的相位谱Ψp(f)变化，界面刚度引起的相位变化
Figure BDA0002272016930000059
也会导致相位谱Ψp(f)变化，当公式(10)的频率f满足公式(11)，相位谱Ψp(f)在谐振频率fn处相位值为零，
(6)识别有效频带[ff,fb]内相位谱Ψp(f)中相邻奇数或偶数零点相位Ψp(fn)与Ψp(fn+2)对应的谐振频率fn与fn+2，则可求解界面刚度Kn变化引起的相位变化
Figure BDA0002272016930000065
Figure BDA0002272016930000062
将实验获得的
Figure BDA0002272016930000063
与涂层已知声速与密度与基体已知声速与密度代入公式(8)，可实现涂层/基体界面刚度系数Kn的精准求解，实现界面结合质量的定量检测。
本发明的效果和益处是：该方法仅需超声体波单次测量即可获得混叠信号的相位谱，避免了混叠带来的干扰，无需知道涂层厚度即可从相位谱中提取涂层界面刚度系数，进而实现微米量级(50-500μm)涂层界面结合强度定量表征，克服了超声表面波技术与超声显微镜技术设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术容易受涂层厚度等影响，定量精度不高的问题。适用范围更广，工程应用简单易行，可推广应用到涂层界面结合质量的C扫描成像，具有较大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是涂层界面结合质量的超声相位谱检测系统连接示意图。
图2是参考试块的A扫描波形P0(t)(a)与其对应的幅度谱(b)。
图3是涂层试样的A扫描波形Pr(t)(a)与其对应的展开相位Ψ0(f)(b)。
图4是采用公式(2)计算获得的相位谱Ψp(f)。
图5是零点相位对应的谐振频率fn与fn+2(a)与计算的相位变化
Figure BDA0002272016930000064
图6是5组试样检测的界面刚度与设计界面刚度比较结果。
图中：1、水槽，2、涂层试样，3、水浸探头，4、XYZ三维步进装置，5、超声波探伤仪，6、电脑。
具体实施方式
本涂层与基体界面结合强度超声相位谱定量检测方法的检测系统由图1所示的水槽1、涂层试样2、标称频率5.0MHz的超声波水浸探头3、XYZ三维步进装置4、超声波探伤仪5以及计算机6构成。它采用的测量步骤如下：
(1)将超声波水浸探头置于参考试块的上方，保证探头主声束轴线与试块表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，如图2(a)，t为时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，如图2(b)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]为[1.25MHz,8.95MHz]。
(2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，涂层试样有环氧树脂/铝基体构成，环氧树脂的声速V2＝2000m/s，密度为ρ2＝1700kg/m3，铝基体的声速为V3＝6300m/s，密度为ρ3＝2700kg/m3，耦合介质水的声速为V1＝1480m/s，密度为ρ1＝1000kg/m3。在环氧树脂/铝基体界面制备刚度系数Kn＝0.8×1013N/m3、Kn＝1.6×1013N/m3、Kn＝4.0×1013N/m3、Kn＝8.0×1013N/m3与Kn＝10.0×1013N/m3的5组试样，标记为试样1#，2#，3#，4#，5#。保证探头主声束轴线与试样表面垂直，水槽中耦合介质保证超声波入射到涂层试样，采集特定闸门内的A扫描波形数据Pr(t),如图3(a)。
(3)对步骤(2)所述采集到的所有A扫描波形数据Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得试样对应位置的声压反射系数展开相位Ψ0(f)，如图3(b)，对有效频带[1.25MHz,8.95MHz]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得公式(10)表达的相位谱Ψp(f)，如图4所示。
(4)识别步骤(3)所述相位谱Ψp(f)有效频带[1.25MHz,8.95MHz]内中心频率附件相邻偶数或奇数零点相位对应的谐振频率fn与fn+2，试样1#的谐振频率分别为3.42MHz与6.71MHz，试样2#的谐振频率分别为3.48MHz与6.71MHz，试样3#的谐振频率分别3.85MHz与7.02MHz，试样4#的谐振频率分别4.15MHz与7.26MHz，试样5#的谐振频率分别4.76MHz与7.94MHz，如图5(a)。
(5)将步骤(4)识别的谐振频率值代入公式(11)计算的相位变化
Figure BDA0002272016930000081
分别-2.2°，-4.32°，-12.12°，-19.10°，-28.65°，如图5(b)。已知水、涂层与铝基体声速与密度值，探头中心频率5MHz，代入公式(8)，可计算各自的界面刚度Kn值分别为：0.79×1012N/m3，1.61×1013N/m3，4.41×1013N/m3，6.98×1013N/m3，9.51×1013N/m3，与设计的界面刚度值之间的相对误差分别为-1.0％，6.3％，10.2％，-12.7％与-4.9％，如图6。

Claims (1)

1.一种超声体波相位谱无损测量涂层界面结合强度的方法，其特征是：检测方法包括一套水槽、涂层试样、超声波水浸探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置以及计算机构成的超声检测系统，采用的测量步骤如下：
(1)将超声波水浸探头置于参考试块上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到参考试块，采集参考试块表面反射回波信号的A扫描波形P0(t)，t表示时间，单位为秒，对P0(t)进行快速傅里叶变换获得其功率谱G0(f)，f为频率，单位为赫兹，识别功率谱G0(f)的-12dB幅值对应的有效频带[ff,fb]；
(2)将超声波水浸探头置于被测涂层试样的上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直；超声波经过水槽中耦合介质入射到水/涂层与涂层/基体界面，采集特定闸门内包含涂层表面以及涂层/基体界面回波的A扫描波形Pr(t)；
(3)对步骤(2)所述采集到的A扫描波形Pr(t)进行快速傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的超声声压反射系数展开相位Ψ0(f)，对有效频带[ff,fb]内的Ψ0(f)进行线性拟合获得相位谱Ψp(f)，相位谱Ψp(f)的理论表达式由涂层结构的复声压反射系数R获得；
Figure FDA0002272016920000011
Figure FDA0002272016920000012
其中Real(R)与Img(R)分别表示复声压反射系数R的实部与虚部，d2为涂层厚度，V2为涂层声速，其中r12与r23分别表示水/涂层与涂层/基体界面的声压反射系数，式(3)给出了水与涂层理想结合的声压反射系数r12，式(4)给出了涂层与基体界面不理想结合的复声压反射系数r23，Kn表示不理想结合界面处的垂向刚度系数，单位为N/m3；
r12＝(Z2-Z1)/(Z2+Z1) (3)
r23＝[(Z3-Z2)+i(2πf/Kn)Z2Z3]/[(Z3+Z2)-i(2πf/Kn)Z2Z3] (4)
式(3)与式(4)中Z1、Z2与Z3分别表示水、涂层与基体的声阻抗，是对应介质声速V与密度ρ的乘积；
(4)当界面刚度系数大时，Kn＝1.0×1030N/m3，涂层/基体界面的复声压反射系数r23变为实数，当界面刚度小时，Kn仅出现在复声压反射系数r23的虚部，引起反射系数r23出现一个相位变化
Figure FDA0002272016920000021
步骤(3)中的公式(4)表示为幅值项乘以相位项形式，见公式(5)；
Figure FDA0002272016920000022
其中复反射系数r23的实部项a,虚部项b以及相位角分别表示为,
Figure FDA0002272016920000024
Figure FDA0002272016920000025
Figure FDA0002272016920000026
(5)将步骤(4)中的公式(5)代入步骤(3)中的公式(1)，则涂层试样的复声压反射系数R表示为；
Figure FDA0002272016920000032
除了涂层厚度d2与涂层声速V2会引起复声压反射系数R的相位谱Ψp(f)变化，界面刚度引起的相位变化也会导致相位谱Ψp(f)变化，当公式(10)的频率f满足公式(11)，相位谱Ψp(f)在谐振频率fn处相位值为零，
Figure FDA0002272016920000034
(6)识别有效频带[ff,fb]内相位谱Ψp(f)中相邻奇数或偶数零点相位Ψp(fn)与Ψp(fn+2)对应的谐振频率fn与fn+2，则求解界面刚度Kn变化引起的相位变化
Figure FDA0002272016920000036
将实验获得的
Figure FDA0002272016920000037
与涂层已知声速与密度与基体已知声速与密度代入公式(8)，实现涂层/基体界面刚度系数Kn的精准求解，实现界面结合质量的定量检测。
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