CN111766302A - 涂层结构的超声检测方法以及检测系统 - Google Patents

涂层结构的超声检测方法以及检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涂层结构的超声检测方法以及检测系统，所述涂层结构包括基体材料及其表面的至少一层涂层，其中所述检测方法包括通过递归刚度矩阵方法，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵，并根据所述总刚度或总柔度矩阵，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式。上述超声检测方法以及检测系统具有可准确、无损测量多层结构的各层材料的密度、厚度以及弹性常数等优点。

Description

涂层结构的超声检测方法以及检测系统
技术领域
本发明属于超声测量领域，具体包括一种涂层结构的超声结构方法以及检测系统。
背景技术
涂层结构广泛应用于现代工业中。例如，为满足现代航空发动机高性能、高可靠性的发展对其材料性能的更苛刻的要求，为了提高其寿命、可靠性和抗疲劳等性能，使用各种涂层结构是一种有效方法。航空发动机中使用的涂层有保护涂层、封严与密封涂层、橡胶涂层、热胀涂层等。这些涂层在使用过程中，由于高温、高压、腐蚀等环境作用容易产生物理、化学、力学等性能的变化和损伤，包括厚度、弹性性能的变化等。比如用于热端部件的高压涡轮叶片等常使用热障涂层，以提高其耐高温、抗氧化、抗腐蚀等性能。如以氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)陶瓷层为面层，MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系，在高温环境中，热障涂层的面层和粘结层之间会生成含铝氧化物为主的热生长氧化物，导致涂层厚度及物理性能(如密度以及弹性模量、剪切模量、泊松比等弹性常数)等发生变化，甚至产生损伤。为了对涂层的损伤进行表征，一个很重要的方面是需要对多层涂层的性能，如厚度、密度以及弹性常数(例如弹性模量、剪切模量、泊松比)等进行测量。
目前对涂层厚度的测量多采用传统的超声测厚的方法，即使用超声测厚仪，采用接触式超声探头测量超声波在涂层上下表面回波时间差实现厚度的测量。其测量公式如下：
Figure BDA0002014411950000011
其中t是超声波从涂层表面传播到底面再从底面反射回来的声波传播所需的时间，v是声波在材料中传播的速度。然而，该方法需要知道声波在涂层中传播的速度。另外，对于多层涂层，在各层涂层声速未知的前提下，该方法无法测量不同层上涂层的厚度，也无法对涂层的物理性能(如密度)，和弹性常数，如弹性模量，剪切模量、泊松比等进行测量。而实际中，多层涂层的物理性能(如密度)和弹性常数很难直接测量，只有通过破坏性的实验，进行测试得到。
超声显微镜是一种新型的无损检测仪器，它利用高频聚焦超声波对物体进行无损检测，可对物体内部及亚表面结构进行高精度、高灵敏度的检测，可观察从表层到数十毫米深度范围内存在的微米到亚微米尺度结构。超声显微镜检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，目前已广泛应用于航空航天、电子工业、医学、材料科学等领域。
超声显微镜一般采用水作耦合剂，使用水浸聚焦超声探头进行检测。聚焦超声探头是一种能实现声束聚焦的超声波换能器，根据聚焦方式分为点聚焦和线聚焦超声波换能器。聚焦超声换能器的选取对超声显微镜检测效果有着很重要的影响，它的主要性能指标有直径、弧度角、频率、焦距、焦区声束宽度等。其工作模式主要有以下三种：1)内部成像，即将声束聚集在样品内部进行扫查成像；2)表面、亚表面成像，即；3)z轴扫描工作模式，即沿着样品的z轴扫描，在不同的z值下获得反射信号，得到反射信号和z的关系V(z)，即该样品的声学特征曲线。
在V(z)工作模式下，反射声波信号与聚焦探头参数、声波反射系数及聚焦深度z存在如下关系：
Figure BDA0002014411950000021
其中，R(θ)是材料的超声反射系数；a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数，P(θ,ka)是一个与探头类型有关的函数，点聚焦探头和线聚焦探头有不同的表达式。
R(θ)是与被测涂层的材料的密度、厚度、及弹性常数有关的变量，同时与入射角、超声检测频率以及检测方向有关。通过建立R(θ)与被测涂层的材料密度、厚度、弹性常数(弹性模量，剪切模量、泊松比)的关系函数；然后通过关系式(2)建立V(z)与被测涂层的材料的密度、厚度、及弹性常数的关系函数；最后通过对V(z)曲线的测定，实现多层涂层厚度、密度及弹性常数的测量。
本领域需要一种涂层结构的超声无损检测方法，以对涂层结构，尤其是多层涂层的结构的性能，如厚度、密度以及弹性常数(例如弹性模量、剪切模量、泊松比)等进行测量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种涂层结构的超声检测方法。
本发明的另一个目的是提供一种涂层结构的超声检测系统。
根据本发明一个方面的涂层结构的超声检测方法，所述涂层结构包括基体材料及其表面的至少一层涂层，所述检测方法包括：
步骤a.通过递归刚度矩阵方法，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵，并根据所述总刚度或总柔度矩阵，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式；
步骤b.将至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值代入所述第一关系式，得到所述声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
步骤c.对所述涂层结构进行超声检测，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)；
步骤d.对响应函数的所述理论值VCal(z)与所述实验值VExp(z)进行迭代，得到响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值。
根据本发明另一方面的涂层结构的超声检测系统，根据本发明又一方面的超声检测系统，包括计算机可读存储介质，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行所述指令以实现如下步骤：
接收至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值，代入通过递归刚度矩阵方法建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵以及根据所述总刚度或总柔度矩阵建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式，得到声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
对响应函数的所述理论值VCal(z)与以及接收响应函数的实验值VExp(z)的输入，进行迭代，得到响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值。
根据本发明另一方面的涂层结构的超声检测系统，适用于涂层结构的上述超声检测方法，包括超声探头模块，包括聚焦探头、以及控制超声聚焦探头频率的脉冲收发器以及控制超声聚焦探头位移的机械扫描装置；数据处理模块，包括数据采集系统以及数据处理系统，所述数据采集器用于采集所述涂层结构的超声反射信号s(x,t)，所述数据处理器对所述超声反射信号s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，选择某一具体频率f下的数据，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)。
本发明的进步效果包括采用超声显微镜技术，首先通过建立R(θ)与多层涂层各层的厚度、密度及弹性常数的关系函数，再建立V(z)与多层涂层各层的厚度、密度及弹性常数的关系函数，最后通过迭代拟合一次性获得多层涂层厚度、密度及弹性常数参数，实现多层涂层厚度、密度及弹性常数的测量，克服了现有的对于涂层厚度、密度以及弹性常数检测方法存在的不足，无需进行破坏性试验，过程高效、结果可靠。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是一实施例的涂层结构的超声检测系统的示意图。
图2是一实施例的涂层结构的超声检测方法的流程图。
图3是一实施例的检测系统的超声反射信号s(x,t)的曲线。
图4是一实施例的检测系统检测304/Hastelloy C22涂层结构的VExp(z)以及VCal(z)曲线。
图5是一实施例的检测系统检测304/Hastelloy C22涂层结构的声反射系数R(θ)曲线。
图6是一实施例的检测系统检测Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ涂层结构的VExp(z)以及VCal(z)曲线。
图7是一实施例的检测系统检测Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ涂层结构的声反射系数R(θ)曲线。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。
另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
参考图2，在一实施例中，涂层结构的超声检测方法的步骤包括：
步骤a.输入涂层结构各层/基体的密度、厚度以及弹性常数的理论初始值，计算上述理论初始值对应的涂层结构的声反射系数R(θ)。具体的方法是通过递归刚度矩阵方法，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵，并根据所述总刚度或总柔度矩阵，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式。在一实施例中，具体的计算过程可以是：
考虑某一单层涂层，由声学及弹性理论可知，对于均质材料：
Figure BDA0002014411950000061
Figure BDA0002014411950000062
Figure BDA0002014411950000063
其中，VL为该层涂层中纵波波速，VS为横波(剪切波)波速，E为该涂层弹性模量，G为该层剪切模量，σ为该层泊松比，ρ为该层的密度。
可以看出，对于弹性常数例如弹性模量E、剪切模量G以及泊松比σ而言，已知三者的任意两者，即可以求解出第三者。
另外，根据胡克定理，应力应变方程可以通过矩阵方式表示成：
σij＝Cijklεkl(i,j,k,l＝x,y,z) (6)
Cijkl为4阶张量，共81各常数。考虑到σij＝σji，εkl＝εlk,这81各常数可简化为36个常数。如果做如下标记：
(xx)～1；(yy)～2；(zz)～3；(yz)＝(zy)～4；(xz)＝(zx)～5；(xy)＝(yx)～6；(7)
Cijkl可以表示为：
Figure BDA0002014411950000071
对于立方对称性材料体系，公式(8)可以进一步简化为：
Figure BDA0002014411950000072
考虑到涂层材料多为均质材料，根据声学和弹性理论，有：
Figure BDA0002014411950000073
Figure BDA0002014411950000074
Figure BDA0002014411950000075
递归刚度矩阵方法具体可以是：
考虑一个包含n层的涂层体系，n为大于等于1的整数，由Stroh方程得到：
Figure BDA0002014411950000076
其中ξ为状态向量，表示为：
Figure BDA0002014411950000077
U和T分别为位移矢量和应力矢量：
U＝[ux,uy,uz]T，T＝[σxz,σyz,σzz]T (15)
A(z)可以表示为：
Figure BDA0002014411950000081
式中：
Figure BDA0002014411950000082
此时根据弹性力学的传递矩阵关系，有：
B(z1,z0)＝eiAh (18)
h＝z1-z0,是该层的厚度；
对于n层涂层结构，其n层的传输矩阵可以表示为：
Figure BDA0002014411950000083
对于n大于1的多层涂层结构，，该多层涂层结构第一层上表面到最底层(第n层)下表面的传输矩阵可以表示为：
Figure BDA0002014411950000084
BCoat是多层涂层体系总的传输矩阵，可以表示为各层传输矩阵的乘积，即：
Figure BDA0002014411950000085
根据递归传输矩阵理论，第n层刚度矩阵和传递矩阵的转换关系为：
Figure BDA0002014411950000086
通过递归刚度矩阵方法，得到此多层涂层的总刚度矩阵K，其递归公式如下：
Figure BDA0002014411950000091
由式(13)得到，此多层涂层总柔度矩阵：
Figure BDA0002014411950000092
当涂层基体材料比较薄时，基体材料可以视为涂层材料的第n+1层进行分析，此时，整个基体和涂层体系的刚度矩阵和柔度矩阵满足公式(22)-(23)。当声波从水中入射到该基体和多层涂层材料体系表面时，其声反射系数和透射系数计算公式为：
Figure BDA0002014411950000093
其中，Λ＝cosθ/(iωρfVf)，ω角频率，θ为入射角，ρf为水的密度，Vf为水中声速。
当涂层基体材料较厚时，基体材料可以视为一个无限厚度的介质，此时基体材料的传输矩阵为：
Figure BDA0002014411950000094
其中，hBase为基体材料厚度，ABase通过公式(18)计算，为基体材料的Stroh矩阵。
当基体较厚时，可以不考虑向下传播的声波，只考虑反射波，此时将式(26)中BCoat做矩阵分解成如下形式：
Figure BDA0002014411950000095
Figure BDA0002014411950000097
和
Figure BDA0002014411950000098
分别表示为单位位移矢量和单位应力矢量，“-”和“+”分别代表声波向下和向上传播的方向。那么，对于厚的基体材料，该基体和涂层体系的声反射系数可通过如下公式计算：
Figure BDA0002014411950000096
式中：
Figure BDA0002014411950000101
其中，矩阵M与基体材料传输矩阵分量和多层涂层传输矩阵Bcoat相关，表示为：
Figure BDA0002014411950000102
至此，通过建立总刚度或总柔度矩阵的方法，建立薄基体和厚基体的涂层结构的涂层各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式，即R(θ)分别按式(25)和(28)计算。
继续参考图2，根据初始值计算R(θ)的理论值，接着步骤b.将至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值代入上述第一关系式，得到所述声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
具体地，在一实施例中，步骤b具体包括：
所述第二关系式为，在V(z)工作模式下，反射声波信号与聚焦探头参数、声波反射系数及聚焦深度z的关系式：
Figure BDA0002014411950000103
对于点聚焦探头，计算公式如式(2)，其中：
Figure BDA0002014411950000104
式中，μ(α)是与聚焦探头弧度角有关的函数。
对于线聚焦探头，V(z)可进一步表示为：
Figure BDA0002014411950000105
式中kf是波数，kx是波数在x轴方向上的分量，β为线聚焦探头晶片弧度角，ρ是材料密度。
继续参考图1，超声检测方法还包括步骤c.对所述涂层结构进行超声检测，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)。需要注意的是，以上介绍中，步骤a，步骤b，步骤c等描述，并不表示步骤必然的先后顺序，例如也可以先进行步骤c的测量计算，再进行步骤a，步骤b的理论计算。
具体得到实验值VExp(z)所需要的超声检测系统可以如图1所示，在一实施例中，用于进行涂层结构的试样10的超声检测系统包括超声探头模块以及数据处理模块，超声探头模块包括超声聚焦探头1，控制超声聚焦探头1的频率的脉冲收/发器2，控制超声聚焦探头1的位移的机械扫描装置3，对应振幅可通过示波器4显示。数据处理模块包括数据采集系统5以及数据处理系统6，数据处理系统可以是计算机设备6；数据处理系统可对所述超声反射信号s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线。涂层结构的试样10放入超声检测系统的工作槽7的耦合剂8内，使得聚焦探头1的轴向方向与涂层结构的试样10的表面保持垂直。耦合剂8可以采用干净、无气泡的水，干净即为水中无颗粒物质，避免颗粒物质的超声反射信号对试样10的超声反射信号产生噪声干扰。
具体的试验步骤可以是：
c1.将所述涂层结构的试样10放入超声检测系统的工作槽7的耦合剂8内，使得超声检测系统的聚焦探头1的轴向方向与涂层结构的的试样10表面保持垂直；
c2.在与涂层结构的的试样10表面保持垂直的Z轴方向上调整探头1的位置，使测得的超声反射信号最大，此时探头与与所述涂层结构的表面的距离即为探头的焦距D。将此时聚焦探头1的Z方向的位置设置为零，聚焦探头在-Z方向移动一定距离z，且z<D；
c3.以最小步进d在Z方向向上移动聚焦探头1，每移动一个步进d至一位置，稳定超声检测系统一个时间间隔T，待信号稳定后超声检测系统记录该位置的超声反射信号s(x,t)，如此依次记录，获得一组Z方向不同位置的超声反射信号S(x,t)，-z≤x≤z；
c4.对所述超声反射信号s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f下的数据，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)。
步骤d.对响应函数的所述理论值VCal(z)与所述实验值VExp(z)进行迭代，判断是否得到最优解，若得到最优解，则输出，定义输出值为响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值；若迭代后未得到最优解，迭代后得到的调整值代入所述第一关系式，得到响应函数的所述理论值VCal(z)的调整值，继续迭代，直到得到最优解。
具体地，对响应函数的所述理论值与所述实验值进行迭代可以是，
通过公式
Figure BDA0002014411950000121
对所述涂层结构的VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合。
可以理解到，上述实施例的步骤a、步骤b以及步骤d，也可以在计算机设备中实现，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
步骤e.接收至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值，代入通过递归刚度矩阵方法建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵以及根据所述总刚度或总柔度矩阵建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式，得到声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
步骤f.对响应函数的所述理论值VCal(z)与以及接收响应函数的实验值VExp(z)的输入，进行迭代，得到响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值。
可以理解到，上述计算机设备可以是计算机，也可以是服务器、智能移动设备、虚拟现实设备、增强现实设备等，包括处理器和计算机可读存储介质。处理器可以执行存储于计算机可读存储介质中的指令，以实现上述超声检测方法中步骤a,步骤b以及步骤c执行。。在一些实施例中，处理器可以包括至少一个硬件处理器，例如，微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、物理处理器(PPU)、单片机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、先进精简指令集系统(ARM)、可编程逻辑设备(PLD)、能够执行至少一个功能的任何电路或处理器等，或其任何组合。计算机可读存储介质可以存储计算机可读指令和/或数据。计算机可读存储介质可以包括内存和存储器。内存可以易失性地存储计算机可读指令和/或数据，例如可以存储步骤a、步骤b和/或步骤d的指令等。内存可以为易失性读写存储器，例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)。内存例如可以包括动态RAM(DRAM)、双倍数据传输率同步动态RAM(DDR SDRAM)、静态RAM(SRAM)、晶闸管RAM(T-RAM)、零电容RAM(Z-RAM)等。存储器可以非易失性地存储计算机可读指令和/或数据，例如可以存储有电子地图数据、路线规划程序、多条规划路线比较程序指令等。存储器可以包括大容量存储器、可移动存储器、只读存储器(ROM)等，或其任何组合。示例性的大容量存储器可以包括磁盘、光盘、固态驱动器等。示例性的可移动存储器可以包括闪存盘、软盘、光盘、存储卡、压缩盘、磁带等。示例性的ROM可以包括掩模型ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电擦除可编程ROM(EEPROM)、光盘ROM(CD-ROM)、数字通用盘ROM等。在一些实施例中，存储器可以在云平台上实现。仅作为示例，所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、分布式云、跨云、多云等，或其任何组合。
为更清楚的进行示例，下述实施例中将描述对具体的涂层结构的检测方法。
A.304/Hastelloy C22涂层结构的超声检测
(a)选取304/Hastelloy C22涂层结构试样。该材料为304钢，通过热喷涂制备一层Hastelloy C22涂层，涂层的厚度的理论值为h＝0.200mm。该304/Hastelloy C22涂层结构基体和涂层的密度、弹性常数的理论值如表1所示。
表1 304/Hastelloy C22密度和弹性常数的理论值
Figure BDA0002014411950000141
(b)将该304/Hastelloy C22试样放入如图1所示的超声检测系统的工作槽内，工作槽采用干净、无气泡的水做耦合剂。采用线聚焦探头，调整机械扫描装置使线聚焦探头的方向，使得线聚焦探头的轴向方向与标样反射表面保持垂直。
(c)采用机械扫描装置在Z轴方向上调整探头的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时探头与标样表面的距离即为探头的焦距D。将此时线聚焦探头Z方向的位置设置为零，通过机械扫描装置将探头向-Z方向移动一定距离z，z的大小根据线聚焦探头的焦距而定(z<D)。
(d)控制机械扫查装置以最小步进d(d＝0.01mm)在Z方向向上移动线聚焦探头，每移动一个步进系统稳定一个时间间隔T，待信号稳定后系统自动记录该位置的超声反射信号s(x,t)，如图3所示。如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(x,t)。
(e)对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该探头的中心频率。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f＝10Mhz下的数据，即得到该频率下该试样的声学特征曲线的实验值VExp(z)，如图4所示。
(f)通过表1的参数按式(28)计算该涂层试样声反射系数R(θ)的理论值，如图5所示，检测频率f＝10MHz，三角形图例和圆圈图例的曲线分别为声反射系数的模量和相位角。
(g)通过公式(32)，计算获得该涂层试样声学特征曲线的理论值VCal(z)。
(h)对该涂层结构的响应函数实验值VExp(z)和理论值VCal(z)进行迭代拟合，如图4所示，最终获得Hastelloy C22涂层厚度、密度和弹性常数的优化实验值分别为：厚度h＝0.203mm，密度ρ＝8.89g/cm3，弹性模量E＝208.0GPa，剪切模量G＝78.79GPa，泊松比σ＝0.32；与表1中理论值之间的误差最大为4.5％。
B.Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ涂层结构的超声检测
(a)选取Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ双层涂层结构试样。该试样基体为Inconel625合金，中间涂层是厚度的理论值为0.15mm的CoNiCrAlY涂层，面层是厚度的理论值为0.22mm的YSZ涂层。该Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ试样基体和各层涂层的密度、弹性常数的理论值如表2所示。
表2 Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ试样各层的密度和弹性常数的理论值
Figure BDA0002014411950000151
(b)将该Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ试样放入如图1所示的超声检测系统的工作槽内，工作槽采用干净、无气泡的水做耦合剂。采用点聚焦探头，调整机械扫描装置使线聚焦探头的方向，使得探头的轴向方向与标样反射表面保持垂直。
(c)采用机械扫描装置在Z轴方向上调整探头的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时探头与标样表面的距离即为探头的焦距D。将此时点聚焦探头Z方向的位置设置为零，通过机械扫描装置将探头向-Z方向移动一定距离z，z的大小根据该点聚焦探头的焦距而定(z<D)。
(d)控制机械扫查装置以最小步进d(d＝0.01mm)在Z方向向上移动探头，每移动一个步进系统稳定一个时间间隔T，待信号稳定后系统自动记录该位置的超声反射信号s(x,t)，典型的反射信号如图3所示。如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(x,t)。
(e)对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该探头的中心频率。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f下的数据，即得到该频率下该Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ试样的声学特征曲线的实验值VExp(z)，见图6。
(f)通过表2的参数按式(28)计算该双层涂层试样声反射系数R(θ)，如图7所示，检测频率f＝10MHz，三角形图例和圆圈图例的曲线分别为声反射系数的模量和相位角。
(g)通过公式(32)，计算获得该双层涂层试样声学特征曲线的理论值VCal(z)。
(h)对该双层涂层的响应函数的实验值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，见图6，获得该Inconel625/CoNiCrAlY/YSZ各层涂层厚度、密度和弹性常数的优化实验值分别如下：(1)CoNiCrAlY涂层：厚度h1＝0.152mm，密度ρ1＝6.78g/cm3，弹性模量E1＝187.2GPa，剪切模量G1＝72.6GPa，泊松比σ1＝0.29；(2)YSZ涂层：厚度h2＝0.216mm，密度ρ2＝5.36g/cm3，弹性模量E2＝43.8GPa，剪切模量G2＝18.1GPa，泊松比σ2＝0.21与表2中理论值之间的误差最大为4.5％。
综上，采用上述实施例的涂层结构的超声检测方法以及检测系统的有益效果包括本发明的进步效果包括采用超声显微镜技术，首先通过建立R(θ)与多层涂层各层的厚度、密度及弹性常数的关系函数，再建立V(z)与多层涂层各层的厚度、密度及弹性常数的关系函数，最后通过迭代拟合一次性获得多层涂层厚度、密度及弹性常数参数，实现多层涂层厚度、密度及弹性常数的测量，克服了现有的对于涂层厚度、密度以及弹性常数检测方法存在的不足，无需进行破坏性试验，过程高效、结果可靠。
本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.涂层结构的超声检测方法，所述涂层结构包括基体材料及其表面的至少一层涂层，其特征在于，包括：
步骤a.通过递归刚度矩阵方法，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵，并根据所述总刚度或总柔度矩阵，建立所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式；
步骤b.将至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值代入所述第一关系式，得到所述声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
步骤c.对所述涂层结构进行超声检测，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)；
步骤d.对响应函数的所述理论值VCal(z)与所述实验值VExp(z)进行迭代，得到响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤b包括，所述第二关系式为：
Figure FDA0002014411940000011
其中，a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数；
对于点聚焦探头，通过公式
Figure FDA0002014411940000012
代入所述第二关系式，公式中μ(α)是与聚焦探头弧度角有关的函数；
对于线聚焦探头，所述第二关系式变换为以下公式：
Figure FDA0002014411940000021
式中kf是波数，kx是波数在x轴方向上的分量，β为线聚焦探头晶片弧度角，ρ是密度。
3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述弹性常数包括弹性模量E、剪切模量G以及泊松比σ的三者中的任意两者。
4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤a的建立所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵包括：
所述基体材料薄，将所述基体材料等效于所述至少一层涂层的一层，以建立所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵；
若所述基体材料厚，将所述基体材料等效为无限厚度，以建立所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵。
5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤a的递归刚度矩阵方法包括：
考虑一个包含n层，的涂层体系，n为大于等于1的整数，由Stroh方程得到：
Figure FDA0002014411940000022
其中ξ为状态向量，表示为：
Figure FDA0002014411940000023
U和T分别为位移矢量和应力矢量：
U＝[ux,uy,uz]T，T＝[σxz,σyz,σzz]T
A(z)为关于材料本身性质、超声波波数目以及频率的函数；
B(z1,z0)＝eiAh
根据弹性力学的传递矩阵关系，
h＝z1-z0,是该层的厚度；
对于n层涂层结构，第n层的传输矩阵表示为：
Figure FDA0002014411940000031
对于n大于1的多层涂层结构，该多层涂层结构最顶层上表面到最底层下表面的传输矩阵表示为：
Figure FDA0002014411940000032
BCoat是多层涂层体系总的传输矩阵，表示为各层传输矩阵的乘积，即：
Figure FDA0002014411940000033
根据递归传输矩阵理论，第n层刚度矩阵和传递矩阵的转换关系为：
Figure FDA0002014411940000034
通过递归刚度矩阵方法，得到此多层涂层的总刚度矩阵K，其递归公式如下：
Figure FDA0002014411940000035
此多层涂层总柔度矩阵：
Figure FDA0002014411940000036
6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤c的对所述涂层结构进行超声检测包括：
c1.将所述涂层结构放入超声检测系统的工作槽的耦合剂内，使得超声检测系统的聚焦探头的轴向方向与所述涂层结构的表面保持垂直；
c2.在与所述涂层结构的表面保持垂直的Z轴方向上调整探头的位置，使测得的超声反射信号最大，此时探头与与所述涂层结构的表面的距离即为探头的焦距D。将此时聚焦探头Z方向的位置设置为零，聚焦探头在-Z方向移动一定距离z，且z<D；
c3.以最小步进d在Z方向向上移动聚焦探头，每移动一个步进d至一位置，稳定所述超声显微镜设备一个时间间隔T，待信号稳定后所述超声显微镜设备记录该位置的超声反射信号s(x,t)，如此依次记录，获得一组Z方向不同位置的超声反射信号S(x,t)，-z≤x≤z；
c4.对所述超声反射信号s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f下的数据，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述步骤d的所述对响应函数的所述理论值与所述实验值进行迭代，包括：
通过公式
Figure FDA0002014411940000041
对所述涂层结构的VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合。
8.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述耦合剂为干净、无气泡的水。
9.一种适用于如权利要求1-8所述的涂层结构的超声检测方法的的超声检测系统，所述涂层结构包括基体材料及其表面的至少一层涂层，其特征在于，
所述超声检测系统包括超声探头模块，包括聚焦探头、以及控制超声聚焦探头频率的脉冲收发器以及控制超声聚焦探头位移的机械扫描装置；
数据处理模块，包括数据采集系统以及数据处理系统，所述数据采集系统用于采集所述涂层结构的超声反射信号s(x,t)，所述数据处理系统对所述超声反射信号s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，选择某一具体频率f下的数据，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的实验值VExp(z)。
10.涂层结构的超声检测系统，其特征在于，包括：
计算机可读存储介质，用于存储可由处理器执行的指令；
处理器，用于执行所述指令以实现如下步骤：
接收至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数的理论值，代入通过递归刚度矩阵方法建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构的总刚度或总柔度矩阵以及根据所述总刚度或总柔度矩阵建立的所述至少一层涂层的各层以及基体材料的密度、厚度以及弹性常数与所述涂层结构声反射系数R(θ)的第一关系式，得到声反射系数R(θ)的理论值，根据所述声反射系数R(θ)与超声检测的聚焦探头的响应函数V(z)的第二关系式，得到所述涂层结构对应的聚焦探头的响应函数V(z)的理论值VCal(z)；
对响应函数的所述理论值VCal(z)与以及接收响应函数的实验值VExp(z)的输入，进行迭代，得到响应函数V(z)的优化实验值；将所述优化实验值代入所述第二关系式，得到所述涂层结构的声反射系数R(θ)的优化实验值并将其代入所述第一关系式，得到至少一层涂层的各层的密度、厚度以及弹性常数的优化实验值。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112945766A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 西安交通大学 高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法
CN114460596A (zh) * 2022-04-14 2022-05-10 宜科(天津)电子有限公司 一种基于能量和距离的自适应数据处理方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6397680B1 (en) * 2000-07-24 2002-06-04 National Research Council Of Canada Ultrasonic spectroscopy apparatus for determining thickness and other properties of multilayer structures
EP1679513A2 (en) * 1996-11-22 2006-07-12 Perceptron, Inc. Physical parameter measuring apparatus and method thereof
KR20120082574A (ko) * 2011-01-14 2012-07-24 한국과학기술원 다층 구조물의 손상탐지 방법
CN108286952A (zh) * 2017-12-13 2018-07-17 大连理工大学 一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法
US10140388B1 (en) * 2014-11-16 2018-11-27 The Boeing Company System and method for designing composite laminates using lamination parameters

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1679513A2 (en) * 1996-11-22 2006-07-12 Perceptron, Inc. Physical parameter measuring apparatus and method thereof
US6397680B1 (en) * 2000-07-24 2002-06-04 National Research Council Of Canada Ultrasonic spectroscopy apparatus for determining thickness and other properties of multilayer structures
KR20120082574A (ko) * 2011-01-14 2012-07-24 한국과학기술원 다층 구조물의 손상탐지 방법
US10140388B1 (en) * 2014-11-16 2018-11-27 The Boeing Company System and method for designing composite laminates using lamination parameters
CN108286952A (zh) * 2017-12-13 2018-07-17 大连理工大学 一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAODONG DENG: "Nondestructive evaluation of thermal sprayed coating by Acoustic Microscopy and Eddy Current Testing", 《INSA LYON学位论文数据库》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112945766A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 西安交通大学 高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法
CN112945766B (zh) * 2021-01-28 2022-12-09 西安交通大学 高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法
CN114460596A (zh) * 2022-04-14 2022-05-10 宜科(天津)电子有限公司 一种基于能量和距离的自适应数据处理方法
CN114460596B (zh) * 2022-04-14 2022-06-14 宜科(天津)电子有限公司 一种基于能量和距离的自适应数据处理方法

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