CN117029741B - 用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法 - Google Patents
用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法 Download PDFInfo
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Abstract
用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，属于超声无损检测技术领域。该方法采用一套包括涂层试样、超声波平探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置和计算机的超声检测系统。该方法提出超声波作用粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，推导出声波垂直入射耦合介质/涂层/基底三介质二界面结构的超声相位导数谱，用灵敏度分析辨识超声相位导数谱对涂层厚度、粗糙度与界面刚度的高灵敏度区间，互相关分析消除参考信号、检测信号初相位引入的偏差，进而实现涂层厚度、粗糙度与界面刚度的同时定量表征。该方法克服了传统超声幅度谱或相位谱对高质量参考信号的依赖，而且解决了现有无损检测方法难以实现粗糙度与界面刚度同时测量的问题。
Description
技术领域
用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，其属于超声无损检测技术领域。
背景技术
涂覆层技术可显著改善关键功能零部件的隔热、耐磨、抗氧化、吸波等性能，已在航空航天、核工程、能源、石油化工等领域得到广泛应用。涂覆层厚度、界面粗糙度、结合强度等参数是表征功能零部件表界面完整性的关键指标。涂覆层的厚度、粗糙度均会显著影响界面结合强度，最终共同决定涂覆层零部件的质量与性能。例如，随着冷喷涂涂层厚度的增加，涂层/金属基体界面由压应力转变为拉应力、界面结合强度表现为先微弱增加后显著降低。不同材料组合的软/软、软/硬或硬/硬界面的存在一定粗糙度会提高界面结合强度，然而，喷涂工艺、氧化环境等均会改变界面粗糙度，粗糙度增大到一定程度会引起应力集中，弱化界面结合强度，甚至导致涂层剥落失效。因此，发展功能零部件的涂覆层厚度、粗糙度、界面强度等表界面完整性多参数的无损表征技术，进而有效控制其质量，对涂覆层发挥其优良综合性能具有重要意义。
考虑到涂覆层常具有薄厚度、叠层结构等几何以及多相、非均匀等材料特征耦合特点，基于超声波传播模型的涂覆层零部件多参数反演问题研究已引起广泛关注，且参数反演技术在求解复杂函数、多特征参量未知问题方面具有明显优势和灵活性。例如，Dou等采用最小二乘法反演求解声压反射系复数谱函数，同时表征了孔隙率＜9％氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria-stabilized zirconia，YSZ)涂层的厚度与声速，表征相对误差分别为9.1％和13.3％。Bustillo等基于涂层结构的透射系数模型，采用遗传算法同时反演了多孔硅薄层的声速和密度，反演误差分别为0.04％与0.8％。Messineo等基于多层结构透射系数幅值函数模型，采用最小二乘方法在频域同时反演了多层结构的声阻抗、渡越时间、声速、密度与衰减系数。Ma等构建出非均匀多层涂层结构的反射系数幅度谱(URCAS)，采用最小二乘耦合互相关算法实现了双层吸波涂层的厚度、声速、密度、衰减系数幅值与幂律等9个参数的同时表征，最大测量误差为6.1％。
上述涂覆层超声检测反问题均是基于涂层结构界面光滑且完美结合的假设，进而构建反射或透射系数模型用于超声检测反演。然而，为了提高涂覆层膜基结合强度，不仅要精准控制涂层厚度，而且界面通常预制适当的粗糙度，服役过程的腐蚀、氧化行为等又会引起界面产生孔隙与微裂纹，改变界面轮廓并弱化结合质量，形成粗糙弱结合的不完美界面。因此，发展涂覆层厚度、粗糙度、界面结合强度一体化超声表征方法或技术十分必要。如Baltazar等基于声波作用弱结合界面的弹簧模型，提出一种提取超声声压反射系数幅度谱谐振频率表征界面刚度的方法。其工作选择了10MHz宽带探头对铝板/铝薄层/铝板结构进行了检测。结果表明，随着界面刚度的增加，谐振频率向高频区转移，实验结果与理论结果吻合较好。本发明人前期工作中，基于粗糙界面声波散射的相屏近似原理，建立了超声波垂直入射至内界面粗糙涂层结构的超声波信号声压反射系数相位谱函数(Ultrasonicpressure reflected coefficient phase spectrum，URCPS)，首次实现了涂层内界面粗糙度、声速与厚度同时表征。后续工作又基于弹簧模型，建立了超声声压反射系数幅度谱(Ultrasonic pressure reflected coefficient amplitude spectrum，URCAS)，用于反演涂层/基体结构的界面刚度，反演界面刚度值与预设值在高灵敏度范围内最大相对误差小于6％。上述采用URCPS或URCAS表征界面粗糙度或界面刚度的方法，均需事先采集参考信号进而对检测信号进行归一化处理，参考信号幅值波动、相位变形均会给检测结果带来不容忽略的偏差。而且，上述方法仅是对涂层厚度、粗糙度或界面刚度的单独测量。
发明内容
本发明的目的是提出用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法。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，克服了传统URCPS或URCAS等方法需要参考信号的限制，也消除了检测信号初相位、耦合介质厚度带来的干扰，还克服了超声显微镜等设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术无法实现涂层厚度、粗糙度或界面刚度耦合参数同时表征的问题。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：用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，采用的超声检测系统包括涂层试样、超声波平探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置以及计算机，检测步骤如下：
(1)基于界面应力σ连续(σ1＝σ2)、位移u不连续(u1-u2＝Knσ)的边界条件，提出粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，构建超声波垂直入射的反射系数r12与透射系数t12，其中，Z1与Z2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声阻抗，V1与V2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声速，i表示复数的虚部，Kn为垂向界面刚度系数，Rq为界面轮廓均方根偏差，f表示超声波频率；
(2)基于粗糙弱结合界面的反射系数r12与透射系数t12，推导获得超声波垂直入射至耦合介质/涂层/基体构成的三介质二界面结构的反射回波PR，其中，为初始相位，z0为探头距离耦合介质/涂层界面的距离，kw为耦合介质中沿着声波入射方向的波数，dc表示涂层厚度，kc表示涂层波数，其中rwc与rcs分别表示耦合介质/涂层界面与涂层/基体界面的反射系数，i表示复数的虚部；
(3)对反射回波PR进行傅里叶变换，获得PR在频率域f的实部Re(PR)与虚部Im(PR)，进而推导出三介质二界面结构的反射回波相位谱(RPS)；
其中：其中Vw表示耦合介质的纵波声速，Vc表示涂层的纵波声速；
(4)将步骤(3)获得的RPS对频率变量f求一阶导数，进而获得超声相位导数谱(UPDS)；
(5)通过灵敏度公式(7)分析UPDS对待测参数p的灵敏度S，其中p代表涂层dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn三个参数，依据灵敏度极值Sextr的10％分别确定涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn的高灵敏度区间[dc-down～dc-up]、[Rqdown～Rqup]和[Kn-down～Kn-up]；
(6)采用超声检测系统结合超声渡越时间法和阿基米德排水法分别获得耦合介质、涂层、基体的声速Vw、Vc、Vs与密度ρw、ρc、ρs；
(7)将超声波平探头置于被测涂层试样上方，保证探头主声束轴线与试样表面垂直，超声波经过耦合介质入射到耦合介质/涂层与涂层/基体界面，采集包含耦合介质/涂层以及涂层/基体界面的反射回波PR(t)；
(8)对步骤(8)所采集的反射回波PR(t)进行傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的试验超声相位导数谱UPDSexp(f)；
(9)用互相关运算公式(8)反演涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn，其中N表示反射回波PR(t)进行傅里叶变换后-6dB有效频带范围内的数据点数，下角标i表示第i个数据点，在高灵敏度区间[dc-down～dc-up]、[Rqdown～Rqup]与[Kn-down～Kn-up]内，分别以一定间隔赋予涂层厚度dc、粗糙度Rq与界面刚度Kn的连续变化值，得到理论超声相位导数谱UPDScal(f)，下角标cal表示理论计算数据，令其作为母体，将实验的超声相位导数谱UPDSexp(f)与其逐一进行互相关运算，相关系数最大位置ηmax(dc，Rq，Kn)对应的dc，Rq和Kn，即为涂层试样最佳的厚度、粗糙度与界面刚度结果。
其中，N表示反射回波PR(t)进行傅里叶变换后-6dB有效频带范围内的数据点数，公式(8)中的j表示第j个数据点。
具体的，在高灵敏度区间[dc-down～dc-up]、[Rqdown～Rqup]与[Kn-down～Kn-up]内，赋予涂层厚度dc、粗糙度Rq与界面刚度Kn的连续变化值的间隔越细越好，例如以千分之一的间隔赋予涂层厚度dc、粗糙度Rq与界面刚度Kn的连续变化值。
具体的，本发明中的耦合介质没有特殊限制，常用耦合介质均可，例如水、甘油、油、有机玻璃等。
本发明的效果和益处是：本发明提出的用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，首创了声波作用粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，进而构建出超声波垂直入射至粗糙弱结合耦合介质/涂层/基底三层二界面结构的超声相位导数谱(Ultrasonic phase derivative spectrum，UPDS)函数，用灵敏度分析辨识UPDS对涂层厚度、粗糙度与界面刚度的高灵敏度区间，互相关分析消除参考信号、检测信号初相位引入的偏差，实现涂层厚度、粗糙度与界面刚度的同时定量表征。本发明仅需超声体波单次测量即可获得混叠信号的UPDS，克服了URCPS或URCAS等方法需要参考信号的限制，也消除了检测信号初相位、耦合介质厚度带来的干扰，可以对微米量级涂层厚度、粗糙度或界面刚度的同时测量。还克服了超声显微镜等设备相对昂贵、操作复杂、不易于工程应用以及目前存在的超声体波技术无法实现涂层厚度、粗糙度或界面刚度耦合参数同时表征的问题。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是超声检测系统的连接示意图。
图2是Ni涂层/环氧树脂基体试样的反射回波PR(t)。
图3是Ni涂层/环氧树脂基体试样的超声相位导数谱UPDSexp(f)。
图4是超声相位导数谱UPDS(f)对粗糙度Rq的灵敏度SUPDS，Rq。
图5是超声相位导数谱UPDS(f)对界面刚度Kn的灵敏度SUPDS，Kn。
图6是实验与反演计算的超声相位导数谱UPDS(f)对比图。
图7是Ni涂层/环氧树脂基体试样的厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn反演结果图。
图1中：1、试样，2、超声波平探头，3、XYZ三维步进装置，4、超声波探伤仪，5、电脑。
具体实施方式
本实施例采用的超声检测系统包括试样1、超声波平探头2、XYZ三维步进装置3、超声波探伤仪4和电脑5，将试样1放置于水介质中，超声波平探头2设在试样1的上方通过XYZ三维步进装置3移动位置，电脑5通过超声波探伤仪4连接超声波平探头2，具体连接方式如图1所示。试样1采用Ni涂层/环氧树脂基体、超声波平探头2采用标称频率15.0MHz的超声波平探头。用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法采用的测量步骤如下：
(1)采用超声检测系统结合超声渡越时间法和阿基米德排水法分别获得耦合介质、涂层、基体的声速Vw＝1480m/s、Vc＝5550m/s、Vs＝2679m/s与密度ρw＝1000kg/m3、ρc＝8908kg/m3、ρs＝1210kg/m3；
(2)将超声波平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，超声波经过耦合介质水入射到水/涂层与涂层/基体界面，采集包含水/涂层以及涂层/基体界面的反射回波PR(t)，见图2；
(3)对所采集的反射回波PR(t)进行傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的实验超声相位导数谱UPDSexp(f)，见图3；
(4)通过灵敏度公式分析UPDS对待测参数p(p代表涂层dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn三个参数)的灵敏度S，见图4与图5，依据灵敏度极值Sextr的10％分别确定涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn的高灵敏度区间为[0μm～1000μm]、[8μm～99μm]和[e29.7N/m3～e37.8N/m3]；
(5)用互相关运算公式反演涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn，在高灵敏度区间[0μm～1000μm]、[8μm～99μm]和[e29.7N/m3～e37.8N/m3]内，分别以千分之一的间隔赋予涂层厚度dc、粗糙度Rq与界面刚度Kn一系列连续变化值，得到理论超声相位导数谱UPDScal(f)(参见图6中球划线)，令其作为母体，将实验超声相位导数谱UPDSexp(f)与其逐一进行互相关运算，最大相关系数ηmax＝0.958，对应的最优反演参数为dc＝308μm，Rq＝21.5μm与Kn＝e33.3N/m3，见图7。试样厚度的反演结果与光学显微镜观测厚度300μm的相对误差为2.6％；界面粗糙度反演结果与CLSM法测量结果Rq＝19.7μm的相对误差为-9.1％，不同位置的界面刚度反演结果与对应位置拉伸试验获得的界面结合强度正相关。
Claims (2)
1.用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，其特征是：检测步骤如下：
(1)基于界面应力σ连续、位移u不连续的边界条件，提出粗糙弱结合界面的相屏近似弹簧模型，构建超声波垂直入射的反射系数r12与透射系数t12：
其中，Z1与Z2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声阻抗，V1与V2分别表示界面毗邻介质1与介质2的声速，i表示复数的虚部，Kn为垂向界面刚度系数，Rq为界面轮廓均方根偏差，f表示超声波频率；
(2)基于粗糙弱结合界面的反射系数r12与透射系数t12，获得超声波垂直入射至耦合介质/涂层/基体组成的三介质二界面结构的反射回波PR；
其中，为初始相位，z0为探头距离耦合介质/涂层界面的距离，kw为耦合介质中沿着声波入射方向的波数，dc表示涂层厚度，kc表示涂层波数，rwc与rcs分别表示耦合介质/涂层界面与涂层/基体界面的反射系数，i表示复数的虚部；
(3)对反射回波PR进行傅里叶变换，获得PR在频率域f的实部Re(PR)与虚部Im(PR)，进而推导出三介质二界面结构的反射回波相位谱RPS，其中Vw表示耦合介质的纵波声速，Vc表示涂层的纵波声速；
其中：
(4)将步骤(3)获得的RPS对频率变量f求一阶导数，进而获得超声相位导数谱UPDS；
(5)通过灵敏度公式(7)分析UPDS对待测参数p的灵敏度S，其中p代表涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn三个参数，依据灵敏度极值Sextr的10％分别确定涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn的高灵敏度区间[dc-down～dc-up]、[Rqdown～Rqup]和[Kn-down～Kn-up]；
(6)采用超声检测系统结合超声渡越时间法和阿基米德排水法分别获得耦合介质、涂层、基体的声速Vw、Vc、Vs与密度ρw、ρc、ρs；
(7)将超声波平探头置于被测涂层试样的上方，超声波经过耦合介质入射到耦合介质涂层与涂层/基体界面，采集包含耦合介质/涂层以及涂层/基体界面的反射回波PR(t)；
(8)对步骤(7)所采集的反射回波PR(t)进行傅里叶变换，获得涂层试样对应位置的实验超声相位导数谱UPDSexp(f)；
(9)用互相关运算公式(8)反演涂层厚度dc、粗糙度Rq和界面刚度Kn，在高灵敏度区间[dc-down～dc-up]、[Rqdown～Rqup]与[Kn-down～Kn-up]内，分别赋予涂层厚度dc、粗糙度Rq与界面刚度Kn的连续变化值，得到理论超声相位导数谱UPDScal(f)，将实验超声相位导数谱UPDSexp(f)与理论超声相位导数谱UPDScal(f)逐一进行互相关运算，相关系数最大位置ηmax(dc，Rq，Kn)对应的dc、Rq和Kn即为涂层试样最佳的厚度、粗糙度与界面刚度结果；
其中，N表示反射回波PR(t)进行傅里叶变换后-6dB有效频带范围内的数据点数，公式(8)中的j表示第j个数据点。
2.根据权利要求1所述的用超声相位导数谱测量涂层厚度、粗糙度与界面刚度方法，其特征是：采用的超声检测系统包括超声波平探头、超声波探伤仪、XYZ三维步进装置和计算机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |