一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法
【專利摘要】一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法，屬于材料超聲無損檢測與評價【技術領域】。該發明采用一個包括試樣臺、內界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數字示波器以及計算機的超聲脈沖回波檢測系統，針對無損表征內界面粗糙涂覆層的厚度與粗糙度難題，推導出了內界面粗糙涂覆層結構的聲壓反射系數幅度譜|r(f；Rq,d)|，對不同頻帶寬度內理論與實驗的聲壓反射系數幅度譜進行相關性運算，得到每個帶寬下相關系數最大值ηmax(Rq,d)對應的涂覆層厚度di與粗糙度Rqi，分別對不同頻率窗內測量的厚度、粗糙度求平均得到與二者即為所求的涂覆層厚度與內界面粗糙度。該方法填補了該類涂覆層厚度與粗糙度無損表征方法的空白。
【專利說明】一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法，其屬于超聲無損檢測的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]實踐表明界面粗糙化是提高界面結合強度的有效措施，也是提高涂覆層在服役過程中承受應力沖擊、抗熱腐蝕以及使用壽命的有效措施。粗糙度程度直接影響界面結合強度、界面殘余應力以及界面氧化程度等，而粗糙度引起的殘余拉應力可能會導致涂覆層破裂和剝離，這意味著界面粗糙化在增強界面結合的同時也引入了對界面壽命不利的因素。因此，合理控制界面粗糙度是保證涂覆層使用壽命的重要手段，準確可靠的內界面粗糙度無損表征和評定方法已經成為該領域的迫切工程需求。
[0003]現有多種無損檢測方法可用于表面粗糙度的測量，基本上可分為接觸式測量和非接觸式測量兩類:在接觸式測量中主要有比較法、印模法、觸針法等；非接觸測量方式中常用的有光譜法、原子力顯微鏡法、超聲反射譜法等。然而以上這些方法均不適用于涂覆層和基體界面的粗糙度測量。涂覆層制備過程又會導致基體表面粗糙度的改變，當涂覆層內界面存在粗糙度時，其厚度以及粗糙度的表征較為困難，目前尚未見到能對涂覆層內界面粗糙試樣進行有效表征的報道。
【發明內容】
[0004]該發明針對超聲表征內界面粗糙涂覆層結構的厚度與粗糙度難題，分析超聲波在層狀介質中的傳播規律，首次推導出了內界面粗糙涂覆層結構的聲壓反射系數幅度譜|r(f ；Rq, d) U借助相關性系數公式Π (Rq，d)，對不同帶寬內的聲壓反射系數幅度譜與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜進行相關性分析，反演計算每個帶寬下最大相關系數Jlmax (Rq，d)對應的涂覆層厚度Cli與Rqit5分別對反演的涂覆層厚度與粗糙度求平均得到I
與$，二者即為所求的涂覆層厚度與內界面粗糙度。該方法克服了由于涂覆層結構內界面粗糙弓I起的超聲表征厚度與粗糙度難題。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法，它采用一個包括試樣臺、內界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數字示波器以及計算機的超聲脈沖回波檢測系統；其特征是:
[0006](I)在x-z平面中，超聲探頭發射聲壓為P入=I的超聲波垂直入射到介質I/介質2/基體3組成的二界面結構中，如圖1所示；介質I為延遲塊介質，介質2為被測涂覆層材料，介質3為基體材料，超聲探頭接收到的反射回波聲壓Pfi為下列各反射回波的合成:界面I的反射回波P1 = T12,界面2的反射回波P? = dd, exp(nik2:d)，工程應用中n取2、3、
4、5、6、7、8、9、10有限次，其中r12為界面I的聲壓反射率，t12和t21為界面I處的聲壓透射率，下標表示超聲波在介質之間的聲壓反射或透射；d為涂覆層厚度；k2z為超聲波在介質2中沿Z軸方向的波數，波數表示為k2z = 2 π f/c2, f為超聲波頻率，C2為涂覆層縱波聲速；界面2為粗糙界面,界面2的聲壓反射率表示為:
r πο f)⑴
[0007]r23=r23exp --?--(I)
V c2 y
[0008]其中r2°3為界面2光滑狀態下的聲壓反射率，Rq為界面2的輪廓均方根粗糙度；涂覆層的聲壓反射系數r表示為:
[0009]
Pso
r - — -1\2 +/W31 cxp(2ik?.d)^[r2,r?A cxp(2ik2:d)J(2)
M=U
[0010]r本身為一復數，求解出η = 2時r的幅度譜表達式|r(f)|，如式子⑶；同理可以推導出η = 3、4、5、6、7、8、9、10時的幅度譜表達式r(f)，此處不再列出:
[0011]
+ ((I — ￥ )4 exp( 8；Γ f )f + 2(rn — )/ξ exp( 8 ^ ^ ) cos(^=^)
\HJ)\= -^^^^⑶
Γ12
[0012]其中聲壓反射率與透射率分別為對應介質密度P與聲速c的函數，已知介質1、2、3的密度P與聲速C，I r (f) I僅為頻率f、粗糙度Rq與涂覆層厚度d的函數，表示為I r (f ；Rq, d) I ；
[0013](2)首先對內界面粗糙的涂覆層試樣進行超聲檢測，采用相關性分析的雙參數反演方法同時計算涂覆層厚度d與粗糙度Rq，相關系數的計算公式為:
[0014]
ΣΓIr^^rf)|-\r,heiR^^)|1 YexpLfi\Rq°,d0)\- \rexp(Rq0,?/°)|
V/=1L-
[0015]Rq0與d°分別為被檢測試樣實際粗糙度值與厚度值；|rthe(f ；Rq, d) |與rexp(f ；Rq°, d°) I分別為有效帶寬內理論聲壓反射系數幅度譜與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜，與μν.1分別為有效帶寬內理論聲壓反射系數幅度譜與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜的平均值；在被檢測試樣預估粗糙度Rq和厚度d的2倍范圍內，取一系列連續變化的涂覆層粗糙度Rq與厚度d值,得到對應的理論聲壓反射系數幅度譜|rthe(f ；Rq，d) I并與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜IrraJf5Rqtl, d°) |進行相關性分析，相關系數最大值Hmax (Rq，d)對應的涂覆層粗糙度Rq與厚度d即為被測試樣的實際粗糙度與厚度值；
[0016](3)分別計算始發信號P人幅度譜的_8dB、_7dB、_6dB、_5dB、_4dB對應的5組帶寬，對每個帶寬內的IrraJf5Rqc^dtl) I數據執行步驟(2)的相關性計算過程，得到5組涂覆層厚度屯、d2、d3、d4、d5與粗糙度值Rq1、Rq2、Rq3、Rq4> Rq5,分別對5組不同頻率窗內涂覆層厚度、粗糙度求平均得到J 1J Rc1 二者即為所求的涂覆層厚度與內界面粗糙度。
[0017]本發明的效果和益處是:該發明克服了傳統粗糙度無損測量方法無法檢測涂覆層內界面粗糙度的難題，并首次將內界面粗糙涂覆層結構的聲壓反射系數幅度譜|R(f ;
Rq，d)|與相關性分析結合，實現了內界面粗糙涂覆層結構的厚度與粗糙度超聲測量。而且對涂覆層與基體的光學、電學及磁學性能沒有要求，可以測量基體材料為金屬或非金屬的試樣。該發明可測量的粗糙界面類型包括:噴丸、腐蝕、噴涂以及研磨等加工工藝造成的隨機性粗糙度。多組超聲延遲線探頭能夠對不同涂覆層厚度和粗糙度的試樣進行準確的測量。本發明可方便靈活地測量涂覆層厚度與內界面粗糙度，所用設備輕巧、便攜、可操作性強、成本低，測量精度高、范圍廣，現場檢測結果穩定可靠，具有較大的經濟效益和社會效.、/■
Mo
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明專利作進一步說明。
[0019]圖1是超聲波在介質1、介質2、基體3三介質結構中傳播示意圖。
[0020]圖2是超聲脈沖回波檢測系統。
[0021]圖3是始發信號P入的時域波形與幅度譜。
[0022]圖4是標稱粗糙度28 μ m試樣的反射回波聲壓？&的時域波形與聲壓反射系數幅度譜 I rexp (f ;Rq°，d°) I。
[0023]圖5是標稱粗糙度28 μ m試樣的不同粗糙度Rq與厚度d值組合對應的相關系數n (Rq, d) O
[0024]圖6是標稱粗糙度28 μ m試樣的粗糙表面金相照片與起伏形貌。
[0025]圖7是延遲塊/AlN涂覆層/鋼基體組成的內界面粗糙結構物理模型。
[0026]圖8是數值模擬的激勵聲源與不同粗糙度模型測量的回波信號。
[0027]圖9是粗糙Rq = 30.0 μ m物理模型的理論與測量幅度譜。
[0028]圖中:1、試樣臺，2、內界面粗糙涂覆層試樣，3、延遲塊探頭，4、探傷儀，5、數字示波器，6、計算機。
【具體實施方式】
[0029]一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法，采用圖2所示的一個包括試樣臺(I)、內界面粗糙涂覆層試樣(由Ni基高溫合金表面噴丸制備，薄層厚度約
0.5-0.7mm,標稱粗糙度值分別為8 μ m、14 μ m與28 μ m的3塊被檢測試樣，試樣背面均用2000#砂紙磨削平整，并進行拋光處理，消除背面起伏影響)(2)、標稱頻率20MHz延遲塊探頭，晶片直徑6mm(3)、USIP40探傷儀(4)、DP04032數字示波器(5)以及計算機(6)的超聲脈沖回波檢測系統；
[0030]它采用的測量步驟如下:
[0031](I)將延遲塊探頭與系統連接并校正儀器。通過數字示波器采集延遲塊探頭的反射聲壓記作ΡΛ，見圖3(a)。通過傅立葉變換得到其聲壓反射系數幅度譜，見圖3(b)，該幅度譜的_8dB、-7dB、-6dB、_5dB、_4dB幅值對應的帶寬分別為[12.0MHz, 25.0MHz]、[12.8MHz, 24.4MHz]、[13.4MHz, 23.8MHz]、[14MHz, 23.4MHz]、[14.8MHz, 22.8MHz]。
[0032](2)將延遲塊探頭耦合到標稱粗糙度為28 μ m試樣的拋光面，粗糙面浸在水中，構成一個延遲塊/金屬薄層/水基體三介質結構。通過數字示波器采集一個涂覆層反射回波聲壓Pfi，見圖4(a)。將入射聲壓Ρλ對反射聲壓1^做商處理，得到歸一化后的聲壓反射系數幅度譜 I re!￡p (f ；Rq°, d°) I，見圖 4 (b)。選擇 _8dB 帶寬[2.96MHz，7.07MHz]對應的 | rexp (f ；Rq0, d°) I數據進行相關性分析。已知延遲塊為環氧樹脂，超聲法測量縱波聲速為2316m/s，阿基米德排水法測量密度為1045kg/m3。Ni基薄層的縱波聲速為5535m/s，測量密度為8908kg/m3。水的縱波聲速為1479m/s，密度為1004kg/m3。薄層厚度范圍選擇0_1.2mm，粗糙度范圍選擇0-60 μ m,取一系列連續變化的薄層厚度d與粗糙度Rq值帶入公式(3)，得到對應的理論聲壓反射系數幅度譜rthe (f ；Rq, d) I。將rthe (f ；Rq, d) |與rexp (f ；Rq°, d°) |帶入公式(4)，得到不同薄層厚度d與粗糙度Rq值組合對應的相關系數n(Rq，d)。讀取最大相關系數nmax(Rq，d) = 0.999對應的厚度d = 0.779mm與粗糙度Rq = 25.6 μ m，見圖5 (a)與 5 (b)。
[0033](3)對 _7dB、_6dB、_5dB、_4dB 對應的另 4 組帶寬內的 | rexp (f ；Rq°, d°) | 數據執行步驟(2)的相關性運算過程，計算對應的涂層厚度與粗糙度，分別對5組計算的涂層厚度、粗糙度求平均得到2=0.655mm與^=27.0 μ m。其它標稱粗糙度為8 μ m與14 μ m試樣的檢測結果見表1。然后采用激光共聚焦顯微鏡測量3塊粗糙試樣的粗糙度值，見表2。標稱粗糙度28 μ m試樣的粗糙表面金相照片與起伏形貌分別見圖6 (a)與6 (b)。采用螺旋測微儀測量粗糙試樣厚度值，見表1中機械法厚度。將超聲測量結果與機械法厚度d、顯微鏡法測粗糙度Rq結果進行對比并分析誤差，超聲測厚相對誤差均小于5.5%，且均為負偏差，主要是由于螺旋測微儀測量薄層厚度值為粗糙表面最大起伏對應的厚度值；超聲測量粗糙度相對誤差均不大于8.5%。
[0034]表1不同粗糙度試樣的厚度d與粗糙度Rq結果
[0035]
【權利要求】
1.一種超聲波同時測量涂覆層厚度與內界面粗糙度的方法，它采用一個包括試樣臺、內界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數字示波器以及計算機的超聲脈沖回波檢測系統；其特征是:所述方法采用下列步驟: 步驟1、在X-Z平面中，超聲探頭發射聲壓為ΡΛ= I的超聲波垂直入射到介質1、介質.2、介質3組成的二界面結構中，介質I為延遲塊介質，介質2為被測涂覆層材料，介質3為基體材料，超聲探頭接收到的反射回波聲壓Pfi為下列各反射回波的合成:所述介質I與介質2的界面I反射回波P1 = r12,介質2與介質3的界面2的反射回波巧exV{mk1:d)，工程應用中η取2、3、4、5、6、7、8、9、10有限次，其中r12為界面I的聲壓反射率，t12和t21為界面I處的聲壓透射率，下標表示超聲波在介質之間的聲壓反射或透射；d為涂覆層厚度；k2z為超聲波在介質2中沿z軸方向的波數，波數表示為k2z = 2 π f/c2, f為超聲波頻率，C2為涂覆層縱波聲速；界面2為粗糙界面，界面2的聲壓反射率表示為:
其中4為界面2光滑狀態下的聲壓反射率，Rq為界面2的輪廓均方根粗糙度；涂覆層的聲壓反射系數r表不為:
r本身為一復數，求解出η = 2時，r的幅度譜表達式|r(f) |為式(3):
其中聲壓反射率與透射率分別為對應介質密度P與聲速C的函數，已知介質1、2、3的密度P與聲速C，I Hf) I僅為頻率f、粗糙度Rq與涂覆層厚度d的函數，表示為I Hf;Rq, d) I ； 步驟2、首先對內界面粗糙的涂覆層試樣進行超聲檢測，采用相關性分析的雙參數反演方法同時計算涂覆層厚度d與粗糙度Rq，相關系數的計算公式為:
1^°與(1°分別為被檢測試樣實際粗糙度值與厚度值；IrtlJf ;Rq，d)|與Irraip(f;Rq0, d°) I分別為有效帶寬內理論聲壓反射系數幅度譜與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜，與分別為有效帶寬內理論聲壓反射系數幅度譜與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜的平均值；在被檢測試樣預估粗糙度Rq和厚度d的2倍范圍內，取一系列連續變化的涂覆層粗糙度Rq與厚度d值,得到對應的理論聲壓反射系數幅度譜|rthe(f ；Rq，d) I并與實驗檢測得到的聲壓反射系數幅度譜IrraJf5Rqtl, d°) |進行相關性分析，相關系數最大值nmax(Rq，d)對應的涂覆層粗糙度Rq與厚度d即為被測試樣的實際粗糙度與厚度值； 步驟3、分別計算始發信號Pjg度譜的-8dB、-7dB、-6dB、-5dB、-4dB對應的5組帶寬，對每個帶寬內的I rexp (f ；Rq°, d°) I數據執行步驟2的相關性計算過程，得到5組涂覆層厚度屯、d2、d3、d4、d5與粗糙度值Rq1、Rq2、Rq3> Rq4、Rq5,分別對5組不同頻率窗內涂覆層厚度、粗糙度求平均得到^與5 二者即為所求的涂覆層厚度與內界面粗糙度。
【文檔編號】G01B17/08GK104197872SQ201410486349
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月21日 優先權日:2014年9月21日
【發明者】林莉, 馬志遠, 趙燦, 羅忠兵, 雷明凱 申請人:大連理工大學