CN113587866A - 基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法 - Google Patents

基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，强脉冲激光束经过光学掩模板或微阵列透镜照射到被测涂层表面形成周期分布的微小栅状激光光斑，在被测区域激发固定波长的超声表面波，由于超声表面波在多层介质中的频散特性，涂层厚度的变化会引起所激发表面波频率的变化，采用激光超声检测单元在激励位置附近接收所产生的超声表面波信号，对被接收的信号进行傅里叶变换获取其中心频率，最后根据超声表面波中心频率与涂层厚度的单调关系实现涂层厚度的无损测量。

Description

基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法
技术领域
本发明涉及到涂层厚度的无损测量方法，具体涉及到一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法。
背景技术
涂层是一种为达到防护、隔热、耐磨等目的喷涂在基底材料表面的固态连续薄膜结构，其被广泛应用在航空发动机、重型燃气轮机等高温结构部件中，它沉积在耐高温合金基底材料的表面，降低部件工作温度，延长其服役寿命。在生产制造和长期服役过程中，对于涂层厚度的监测必不可缺。涂层厚度的减薄是导致涂层失效的重要原因。对于航空发动机来说，涂层厚度一般为100～400μm，涂层厚度越厚隔热效果越好，但与基底材料的结合强度会随着厚度的增加而下降，从而更容易剥落；涂层过薄则会影响隔热效果，降低服役寿命。因此，涂层厚度是影响涂层使用寿命的关键因素之一，对其的精确测量是亟待解决的重要问题。
超声检测作为目前主要的无损检测方法之一，具有易操作、检测能力强、适用范围广等优点。传统超声检测方法在测量涂层厚度时，一般利用体波及其反射波，通过计算时差的方法来达到测厚的目的。该方法在涂层较薄时会出现始波和反射波发生信号混淆的现象，在时域信号上难以区分，造成涂层厚度测量出现表面盲区，对薄膜涂层厚度不能实现有效测量，且存在无法做到完全非接触式测量、无法实现在高温等恶劣环境下检测等缺点，在目前的涂层生产制造和服役过程中不能被广泛应用。
发明内容
本发明目的在于提出一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，可以通过调控激光光束来形成光栅式激光热源，从而激发窄频带的超声表面波。利用表面波的高灵敏度和高空间分辨率，通过超声声谱实现对波速的精确测量，结合表面波在多层介质中的频散特性确定涂层厚度，从而达到精确检测涂层厚度的目的。该方法避免传统超声方法针对薄膜涂层可能会出现的信号混淆现象，有效克服传统超声方法的表面盲区问题，该方法相对于传统超声检测手段还具有完全非接触式和可实现在高温等恶劣环境下工作等优点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，首先利用等间距光学掩模板或微阵列透镜2使照射到被测薄膜涂层结构3表面的高能脉冲激光束1形成周期为d的栅状激光光斑4，被测薄膜涂层结构表面在周期热膨胀激励下激发出对应波长为λ(λ＝d)的超声表面波5，再由激光超声检测单元6在被测区域附近接收超声表面波信号7，并进行快速傅里叶变换获取其频域信号8，测定频域信号相应的中心频率。由于超声表面波在多层介质中的频散特性，被测薄膜涂层结构3的涂层厚度的变化会引起所激发的超声表面波中心频率的改变，最后根据接收超声表面波信号中心频率与涂层厚度的对应关系，实现对涂层厚度的无损测量。
所述高能脉冲激光束1为脉冲长度纳秒级的准直激光束，用于超声表面波的激发；所述栅状激光光斑4的周期d应大于被测涂层的厚度。
所述的基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，包含如下步骤：
步骤1：首先准备与被测薄膜涂层结构和材料相同的、具有不同涂层厚度的n个试件(编号分别为i＝1,2,…,n)，采用基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法对不同试件进行测量，获取不同厚度下薄膜涂层试件的表面波中心频率fi(i＝1,2,…,n)；
步骤2：对上述n个试件进行解剖和显微测量，获得其精确涂层厚度hi(i＝1,2,…,n)的数据；
步骤3：根据不同涂层厚度hi与所测表面波中心频率fi(i＝1,2,…,n)的对应关系，建立表面波中心频率f与涂层厚度h之间的拟合关系曲线，作为测量标准曲线；
步骤4：采用基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法对未知厚度的薄膜涂层试件进行测量，获取其表面波中心频率fx，根据已建立的f-h标准曲线，对涂层厚度hx进行定量评估。
本发明通过激光诱导瞬态光栅激发已知波长的窄频带超声表面波，并通过频谱分析确定其波速，利用表面波在多层介质中的频散特性来确定涂层厚度，与传统的时程差波速测量方法相比，该方法有效解决传统超声方法的表面盲区问题，具有更高的精度和空间分辨率。同时，该方法相对于传统超声检测手段还具有完全非接触式和可实现在高温等恶劣环境下工作等优点。
附图说明
图1为本发明基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法总体示意图。
图2为本发明用于不同厚度下薄膜涂层测量的超声声谱信号。
图3为本发明用于不同厚度下薄膜涂层测量的标准曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
本发明提出一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，如图1所示。首先利用等间距光学掩模板或微阵列透镜2使照射到被测薄膜涂层结构3表面的高能脉冲激光束1形成周期为d的栅状激光光斑4，被测薄膜涂层结构表面在周期热膨胀激励下激发出对应波长为λ(λ＝d)的超声表面波5，再由激光超声检测单元6在被测区域附近接收超声表面波信号7，并进行快速傅里叶变换获取其频域信号8，测定频域信号的相应的中心频率。由于超声表面波在多层介质中的频散特性，被测薄膜涂层3的涂层厚度的变化会引起所激发的超声表面波中心频率8的改变，最后根据接收超声表面波信号中心频率与涂层厚度的对应关系，实现对涂层厚度的无损测量。
作为本发明的优选实施方式，所述高能脉冲激光束1为脉冲长度为纳米级的准直激光束，用于超声表面波的激发；所述栅状激光光斑4的周期d应大于被测涂层的厚度。
本发明方法的基本检测原理为：高能脉冲激光束1经过等间距光学掩模板或微阵列透镜2后照射在被测薄膜涂层结构3表面，形成周期为d的栅状激光光斑4，被测薄膜涂层结构3表面在周期热弹力激励下激发出固定波长为λ(λ＝d)的超声表面波5，由于超声表面波5在多层介质中的频散特性，被测薄膜涂层结构3的涂层厚度的变化会引起所激发的表面波5波速v的变化，由于超声波波速v、波长λ和频率f三者之间存在v＝λf，因此被测薄膜涂层结构3的涂层厚度的变化，必然会引起所激发的表面波中心频率8的变化；获取不同被测薄膜涂层结构3所激发超声表面波频域信号中心频率8的数据，建立起超声表面波信号中心频率与涂层厚度的拟合关系曲线，作为测量标定曲线；基于该标定曲线，最终可以通过上述方法测量在未知涂层厚度的薄膜涂层结构表面传播的超声表面波信号中心频率来确定该试件的涂层厚度。
下面结合图2、图3和具体实施方式，对所提出测量方法作进一步的详细描述。
本发明具体实施方式包括以下步骤：
步骤1：首先准备与被测薄膜涂层结构和材料相同、具有不同涂层厚度的n个试件(编号分别为i＝1,2,…,n)，采用上述光栅激光超声声谱无损测量方法对不同试件进行测量，获取不同厚度下薄膜涂层试件的表面波中心频率fi(i＝1,2,…,n)，如图2所示；
步骤2：对上述n个试件进行解剖和显微测量，获得其精确涂层厚度hi(i＝1,2,…,n)的数据；
步骤3：根据不同涂层厚度hi与所测表面波中心频率fi(i＝1,2,…,n)的对应关系，建立表面波中心频率f与涂层厚度h之间的拟合关系曲线，作为测量标准曲线，如图3所示；
步骤4：采用基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法对未知厚度的薄膜涂层试件进行测量，获取其表面波中心频率fx，根据已建立的f-h标准曲线，对涂层厚度hx进行定量评估。

Claims (4)

1.一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，其特征在于：首先利用等间距光学掩模板或微阵列透镜(2)使照射到被测薄膜涂层结构(3)表面的高能脉冲激光束(1)形成周期为d的栅状激光光斑(4)，被测薄膜涂层结构表面在周期热膨胀激励下激发出对应波长为λ的超声表面波(5)，其中λ＝d；再由激光超声检测单元(6)在被测区域附近接收超声表面波信号(7)，并进行快速傅里叶变换获取其频域信号(8)，测定频域信号的中心频率；由于超声表面波在多层介质中的频散特性，被测薄膜涂层结构(3)的涂层厚度的变化会引起所激发超声表面波信号中心频率的改变，最后根据所接收超声表面波信号中心频率与涂层厚度的对应关系，实现对涂层厚度的无损测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，其特征在于：所述高能脉冲激光束(1)为脉冲长度为纳秒级的准直激光束，用于超声表面波的激发；所述栅状激光光斑(4)的周期d应大于被测涂层的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，其特征在于：周期为d的栅状激光光斑(4)在被测薄膜涂层结构(3)表面激发出固定波长为λ的超声表面波(5)，由于超声表面波(5)在多层介质中的频散特性，被测薄膜涂层结构(3)的涂层厚度的变化会引起所激发超声表面波(5)波速v的变化，由于超声波波速v、波长λ和频率f三者之间存在v＝λf，因此被测薄膜涂层结构(3)的涂层厚度的变化必然会引起所激发表面波中心频率(8)的变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法，包含如下步骤：
步骤1：首先准备与被测薄膜涂层结构和材料相同的、具有不同涂层厚度的n个试件，编号分别为i＝1,2,…,n，采用基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法对不同试件进行测量，获取不同厚度薄膜涂层试件的表面波中心频率fi，其中i＝1,2,…,n；
步骤2：对上述n个试件进行解剖和显微测量，获得其精确涂层厚度hi数据；
步骤3：根据不同涂层厚度hi与所测表面波中心频率fi的对应关系，建立表面波中心频率f与涂层厚度h间的拟合关系曲线，作为测量标准曲线；
步骤4：采用基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层厚度无损测量方法对未知厚度的薄膜涂层试件进行测量，获取其表面波中心频率fx,根据已建立的f-h标准曲线，对涂层厚度hx进行定量评估。
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