CN113588784B - 基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层脱粘缺陷的无损检测方法 - Google Patents

基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层脱粘缺陷的无损检测方法 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脱粘缺陷的无损检测方法，强脉冲激光束经过光学掩模板或微阵列透镜照射到被测薄膜涂层结构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波，当被测区域无脱粘缺陷时，激发的超声波为瑞利波，而当被测区域存在脱粘缺陷时，则会产生兰姆波；在波长一定的情况下，由于两种波的波速不同，其对应的频率也会不同，采用激光超声检测单元在被测区域附近接收所产生的超声波信号，获取其中心频率，根据被测信号中心频率值即可判断是否存在脱粘缺陷，还可以通过扫描检测判断脱粘缺陷的大小并对其进行成像。

Description

基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层脱粘缺陷的无损检测方法
技术领域
本发明涉及到涂层脱粘缺陷的无损检测方法，具体涉及到一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层脱粘缺陷的无损检测方法。
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。然而在长期服役过程中，涂层系统(涂层+基底)内部脱粘缺陷是导致涂层失效的重要原因。随着涂层工作时间的增长，涂层系统内部会萌生脱粘缺陷并扩展，当缺陷扩展到超过一定值时将会引发涂层系统内部开裂，导致表面涂层剥落，致使涂层失效。因此，涂层脱粘缺陷是影响涂层使用寿命的关键因素。
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对于涂层脱粘缺陷检测时，一般利用体波来检测脱粘缺陷，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，造成涂层脱粘缺陷检测出现表面盲区，对薄膜涂层的脱粘缺陷不能实现有效检测，同时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若干不足，致使其在目前的涂层脱粘缺陷检测过程中受到诸多限制。
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脱粘缺陷的无损检测方法，通过一定的光束整形技术对激励激光源进行空间周期排布，可以激发出窄频带超声表面波。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，从而精确地判断涂层是否存在脱粘缺陷，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，此外还可以通过扫描检测判断脱粘缺陷的大小并对其进行成像。
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脱粘缺陷的无损检测方法，首先利用等间距光学掩模板或微透镜阵列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)的超声波，当被测区域无脱粘缺陷时，所激发的超声波为瑞利波5；当被测区域存在脱粘缺陷7时，所激发超声波能量被限制在一个仅涂层深度非常小的区域内，从而产生兰姆波6；在波长一定的情况下，由于瑞利波5和兰姆波6的波速不同，其对应的频率也会不同；由激光超声检测单元8在被测区域附近接收所激发的超声波信号9，通过快速傅里叶变换获取其频域信号10并测定其中心频率，根据被测信号中心频率的大小即可判断是否存在脱粘缺陷7；或通过既定扫描路径11对被测区域进行扫查，判断脱粘缺陷的大小并对其进行扫描成像12。
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，基于热弹模式下实现超声波的激发；所述栅状激光光斑4的周期d应大于被测涂层的厚度。
当被测涂层区域内无脱粘缺陷时，所激发超声波的能量分布在涂层和基底中，由于涂层和基底的整体厚度大于所激发超声波的波长λ一个数量级以上，激发的超声波主要为瑞利波5，而当被测涂层区域内存在脱粘缺陷时，所激发的超声波能量被限制在涂层中，由于超声波波长λ大于涂层厚度，因此主要产生兰姆波6。
周期为d的栅状激光光斑4在无脱粘缺陷和有脱粘缺陷7的被测薄膜涂层结构3表面分别激发出相同波长λ、不同传播速度v的瑞利波5和兰姆波6，由于超声波波速v、波长λ和频率f三者之间存在关系v＝λf，因此两种波的频率会不同，根据被测信号中心频率10相对于瑞利波信号中心频率是否出现偏移即可判断涂层内部是否存在脱粘缺陷。
上述方法可以通过配合二维步进式扫描台按照既定扫描路径11对一定范围的被测区域进行扫查，利用激光超声检测单元8在被测区域附近接收所激发的超声波信号9，最后由信号处理单元对所接收的超声波信号9进行分析和处理，判断脱粘缺陷的大小并获取被测区域的扫描图像12。
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波，并通过频谱分析确定其波速来判断涂层是否存在脱粘缺陷，与传统超声检测通过时域信号确定缺陷位置的方法相比，该方法有效解决表面盲区问题，具有更高的灵敏度和空间分辨率。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脱粘缺陷无损检测方法总体示意图。
图2为本发明用于在有脱粘缺陷下薄膜涂层检测的超声声谱信号。
图3为本发明用于薄膜涂层脱粘缺陷的扫描图像。
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脱粘缺陷的无损检测方法，如图1所示。首先利用等间距光学掩模板或微透镜阵列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)的超声波，当被测区域无脱粘缺陷时，所激发的超声波为瑞利波5；当被测区域存在脱粘缺陷7时，所激发超声波能量被限制在一个仅涂层深度非常小的区域内，从而产生兰姆波6。在波长一定的情况下，由于两种波的波速不同，其对应的频率也会不同。由激光超声检测单元8在被测区域附近接收所激发的超声波信号9，通过快速傅里叶变换获取其频域信号10并测定其中心频率，根据被测信号中心频率的大小即可判断是否存在脱粘缺陷7，如图2所示。
作为本发明的优选实施方式，所述高能脉冲激光束1为脉冲长度纳秒级的准直激光束，基于热弹模式下实现超声波的激发；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，周期为d的栅状激光光斑4在无脱粘缺陷和有脱粘缺陷7的薄膜涂层结构3表面由于周期热弹力作用下分别激发出相同波长λ、不同传播速度v的瑞利波5和兰姆波6。当被测涂层区域内无脱粘缺陷时，所激发超声波的能量分布在涂层和基底中，由于涂层和基底的整体厚度大于所激发超声波的波长λ一个数量级以上，激发的超声波主要为瑞利波5，而当被测涂层区域内存在脱粘缺陷时，所激发的超声波能量被限制在涂层中，由于超声波波长λ大于涂层厚度，因此主要产生兰姆波6。由于超声波波速v、波长λ和频率f三者之间存在关系v＝λf，因此两种波的频率会不同，根据被测信号中心频率即可判断涂层内部是否存在脱粘缺陷。
本发明方法通过配合二维步进式扫描台按照既定扫描路径11对一定范围的被测区域进行扫查，利用激光超声检测单元8在被测区域附近接收所激发的超声波信号9，最后由信号处理单元对所接收的超声波信号9进行分析和处理，判断脱粘缺陷的大小并获取被测区域的扫描图像12，如图3所示。

Claims (4)

1.一种基于光栅激光超声声谱的薄膜涂层脱粘缺陷的无损检测方法，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的超声波，其中λ＝d，所述栅状激光光斑(4)的周期d应大于被测涂层的厚度；当被测区域无脱粘缺陷时，所激发超声波的能量分布在涂层和基底中，由于涂层和基底的整体厚度大于所激发超声波的波长λ一个数量级以上，激发的超声波为瑞利波(5)；当被测区域存在脱粘缺陷(7)时，所激发超声波能量被限制在仅涂层深度区域内，由于超声波波长λ大于涂层厚度，从而产生兰姆波(6)；在波长一定的情况下，由于瑞利波(5)和兰姆波(6)的波速不同，其对应的频率也会不同；由激光超声检测单元(8)在被测区域附近接收所激发的超声波信号(9)，通过快速傅里叶变换获取其频域信号(10)并测定其中心频率，根据被测信号中心频率的大小即判断是否存在脱粘缺陷(7)；或通过既定扫描路径(11)对被测区域进行扫查，判断脱粘缺陷的大小并对其进行扫描成像(12)。
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脱粘缺陷的无损检测方法，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，基于热弹模式下实现超声波的激发。
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脱粘缺陷的无损检测方法，其特征在于：周期为d的栅状激光光斑(4)在无脱粘缺陷和有脱粘缺陷(7)的被测薄膜涂层结构(3)表面分别激发出相同波长λ、不同传播速度v的瑞利波(5)和兰姆波(6)，由于超声波波速v、波长λ和频率f三者之间存在关系v＝λf，因此两种波的频率会不同，根据被测信号中心频率即能够判断涂层内部是否存在脱粘缺陷。
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脱粘缺陷的无损检测方法，其特征在于：通过配合二维步进式扫描台按照既定扫描路径(11)对一定范围的被测区域进行扫查，利用激光超声检测单元(8)在被测区域附近接收所激发的超声波信号(9)，最后由信号处理单元对所接收的超声波信号(9)进行分析和处理，判断脱粘缺陷的大小并获取被测区域的扫描图像(12)。
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