一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法
【專利摘要】一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法，屬于材料超聲無損檢測與評價(jià)【技術(shù)領(lǐng)域】。該發(fā)明采用一個(gè)包括試樣臺、內(nèi)界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)，針對無損表征內(nèi)界面粗糙涂覆層的厚度與粗糙度難題，推導(dǎo)出了內(nèi)界面粗糙涂覆層結(jié)構(gòu)的聲壓反射系數(shù)幅度譜|r(f；Rq,d)|，對不同頻帶寬度內(nèi)理論與實(shí)驗(yàn)的聲壓反射系數(shù)幅度譜進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，得到每個(gè)帶寬下相關(guān)系數(shù)最大值ηmax(Rq,d)對應(yīng)的涂覆層厚度di與粗糙度Rqi，分別對不同頻率窗內(nèi)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(nèi)界面粗糙度。該方法填補(bǔ)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(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法，其屬于超聲無損檢測的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)踐表明界面粗糙化是提高界面結(jié)合強(qiáng)度的有效措施，也是提高涂覆層在服役過程中承受應(yīng)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(jié)合強(qiáng)度、界面殘余應(yīng)力以及界面氧化程度等，而粗糙度引起的殘余拉應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致涂覆層破裂和剝離，這意味著界面粗糙化在增強(qiáng)界面結(jié)合的同時(shí)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(zhǔn)確可靠的內(nèi)界面粗糙度無損表征和評定方法已經(jīng)成為該領(lǐng)域的迫切工程需求。
[0003]現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致基體表面粗糙度的改變，當(dāng)涂覆層內(nèi)界面存在粗糙度時(shí)，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(nèi)界面粗糙試樣進(jìn)行有效表征的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]該發(fā)明針對超聲表征內(nèi)界面粗糙涂覆層結(jié)構(gòu)的厚度與粗糙度難題，分析超聲波在層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律，首次推導(dǎo)出了內(nèi)界面粗糙涂覆層結(jié)構(gòu)的聲壓反射系數(shù)幅度譜|r(f ；Rq, d) U借助相關(guān)性系數(shù)公式Π (Rq，d)，對不同帶寬內(nèi)的聲壓反射系數(shù)幅度譜與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜進(jìn)行相關(guān)性分析，反演計(jì)算每個(gè)帶寬下最大相關(guān)系數(shù)Jlmax (Rq，d)對應(yīng)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(nèi)界面粗糙度。該方法克服了由于涂覆層結(jié)構(gòu)內(nèi)界面粗糙弓I起的超聲表征厚度與粗糙度難題。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法，它采用一個(gè)包括試樣臺、內(nèi)界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)；其特征是:
[0006](I)在x-z平面中，超聲探頭發(fā)射聲壓為P入=I的超聲波垂直入射到介質(zhì)I/介質(zhì)2/基體3組成的二界面結(jié)構(gòu)中，如圖1所示；介質(zhì)I為延遲塊介質(zhì)，介質(zhì)2為被測涂覆層材料，介質(zhì)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(yīng)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(biāo)表示超聲波在介質(zhì)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(zhì)2中沿Z軸方向的波數(shù)，波數(shù)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(tài)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(shù)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(fù)數(shù)，求解出η = 2時(shí)r的幅度譜表達(dá)式|r(f)|，如式子⑶；同理可以推導(dǎo)出η = 3、4、5、6、7、8、9、10時(shí)的幅度譜表達(dá)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(yīng)介質(zhì)密度P與聲速c的函數(shù)，已知介質(zhì)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(shù)，表示為I r (f ；Rq, d) I ；
[0013](2)首先對內(nèi)界面粗糙的涂覆層試樣進(jìn)行超聲檢測，采用相關(guān)性分析的雙參數(shù)反演方法同時(shí)計(jì)算涂覆層厚度d與粗糙度Rq，相關(guān)系數(shù)的計(jì)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(shí)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(nèi)理論聲壓反射系數(shù)幅度譜與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜，與μν.1分別為有效帶寬內(nèi)理論聲壓反射系數(shù)幅度譜與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜的平均值；在被檢測試樣預(yù)估粗糙度Rq和厚度d的2倍范圍內(nèi)，取一系列連續(xù)變化的涂覆層粗糙度Rq與厚度d值,得到對應(yīng)的理論聲壓反射系數(shù)幅度譜|rthe(f ；Rq，d) I并與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜IrraJf5Rqtl, d°) |進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)最大值Hmax (Rq，d)對應(yīng)的涂覆層粗糙度Rq與厚度d即為被測試樣的實(shí)際粗糙度與厚度值；
[0016](3)分別計(jì)算始發(fā)信號P人幅度譜的_8dB、_7dB、_6dB、_5dB、_4dB對應(yīng)的5組帶寬，對每個(gè)帶寬內(nèi)的IrraJf5Rqc^dtl) I數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟(2)的相關(guān)性計(jì)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(nèi)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(nèi)界面粗糙度。
[0017]本發(fā)明的效果和益處是:該發(fā)明克服了傳統(tǒng)粗糙度無損測量方法無法檢測涂覆層內(nèi)界面粗糙度的難題，并首次將內(nèi)界面粗糙涂覆層結(jié)構(gòu)的聲壓反射系數(shù)幅度譜|R(f ;
Rq，d)|與相關(guān)性分析結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)界面粗糙涂覆層結(jié)構(gòu)的厚度與粗糙度超聲測量。而且對涂覆層與基體的光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)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(fā)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(jī)性粗糙度。多組超聲延遲線探頭能夠?qū)Σ煌扛矊雍穸群痛植诙鹊脑嚇舆M(jìn)行準(zhǔn)確的測量。本發(fā)明可方便靈活地測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度，所用設(shè)備輕巧、便攜、可操作性強(qiáng)、成本低，測量精度高、范圍廣，現(xiàn)場檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效.、/■
Mo

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明。
[0019]圖1是超聲波在介質(zhì)1、介質(zhì)2、基體3三介質(zhì)結(jié)構(gòu)中傳播示意圖。
[0020]圖2是超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)。
[0021]圖3是始發(fā)信號P入的時(shí)域波形與幅度譜。
[0022]圖4是標(biāo)稱粗糙度28 μ m試樣的反射回波聲壓？&的時(shí)域波形與聲壓反射系數(shù)幅度譜 I rexp (f ;Rq°，d°) I。
[0023]圖5是標(biāo)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(yīng)的相關(guān)系數(shù)n (Rq, d) O
[0024]圖6是標(biāo)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(nèi)界面粗糙結(jié)構(gòu)物理模型。
[0026]圖8是數(shù)值模擬的激勵(lì)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(nèi)界面粗糙涂覆層試樣，3、延遲塊探頭，4、探傷儀，5、數(shù)字示波器，6、計(jì)算機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0029]一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法，采用圖2所示的一個(gè)包括試樣臺(I)、內(nèi)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(biāo)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(jìn)行拋光處理，消除背面起伏影響)(2)、標(biāo)稱頻率20MHz延遲塊探頭，晶片直徑6mm(3)、USIP40探傷儀(4)、DP04032數(shù)字示波器(5)以及計(jì)算機(jī)(6)的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)；
[0030]它采用的測量步驟如下:
[0031](I)將延遲塊探頭與系統(tǒng)連接并校正儀器。通過數(shù)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(shù)幅度譜，見圖3(b)，該幅度譜的_8dB、-7dB、-6dB、_5dB、_4dB幅值對應(yīng)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(biāo)稱粗糙度為28 μ m試樣的拋光面，粗糙面浸在水中，構(gòu)成一個(gè)延遲塊/金屬薄層/水基體三介質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過數(shù)字示波器采集一個(gè)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(shù)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(yīng)的 | rexp (f ；Rq0, d°) I數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。已知延遲塊為環(huán)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(xù)變化的薄層厚度d與粗糙度Rq值帶入公式(3)，得到對應(yīng)的理論聲壓反射系數(shù)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(yīng)的相關(guān)系數(shù)n(Rq，d)。讀取最大相關(guān)系數(shù)nmax(Rq，d) = 0.999對應(yīng)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(yīng)的另 4 組帶寬內(nèi)的 | rexp (f ；Rq°, d°) | 數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟(2)的相關(guān)性運(yùn)算過程，計(jì)算對應(yīng)的涂層厚度與粗糙度，分別對5組計(jì)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(biāo)稱粗糙度為8 μ m與14 μ m試樣的檢測結(jié)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(biāo)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(jī)械法厚度。將超聲測量結(jié)果與機(jī)械法厚度d、顯微鏡法測粗糙度Rq結(jié)果進(jìn)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(fù)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(yīng)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(jié)果
[0035]

【權(quán)利要求】
1.一種超聲波同時(shí)測量涂覆層厚度與內(nèi)界面粗糙度的方法，它采用一個(gè)包括試樣臺、內(nèi)界面粗糙涂覆層試樣、延遲塊探頭、探傷儀、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)的超聲脈沖回波檢測系統(tǒng)；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(fā)射聲壓為ΡΛ= I的超聲波垂直入射到介質(zhì)1、介質(zhì).2、介質(zhì)3組成的二界面結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)I為延遲塊介質(zhì)，介質(zhì)2為被測涂覆層材料，介質(zhì)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(zhì)I與介質(zhì)2的界面I反射回波P1 = r12,介質(zhì)2與介質(zhì)3的界面2的反射回波巧exV{mk1:d)，工程應(yīng)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(biāo)表示超聲波在介質(zhì)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(zhì)2中沿z軸方向的波數(shù)，波數(shù)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(tài)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(shù)r表不為:
r本身為一復(fù)數(shù)，求解出η = 2時(shí)，r的幅度譜表達(dá)式|r(f) |為式(3):
其中聲壓反射率與透射率分別為對應(yīng)介質(zhì)密度P與聲速C的函數(shù)，已知介質(zhì)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(shù)，表示為I Hf;Rq, d) I ； 步驟2、首先對內(nèi)界面粗糙的涂覆層試樣進(jìn)行超聲檢測，采用相關(guān)性分析的雙參數(shù)反演方法同時(shí)計(jì)算涂覆層厚度d與粗糙度Rq，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為:
1^°與(1°分別為被檢測試樣實(shí)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(nèi)理論聲壓反射系數(shù)幅度譜與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜，與分別為有效帶寬內(nèi)理論聲壓反射系數(shù)幅度譜與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜的平均值；在被檢測試樣預(yù)估粗糙度Rq和厚度d的2倍范圍內(nèi)，取一系列連續(xù)變化的涂覆層粗糙度Rq與厚度d值,得到對應(yīng)的理論聲壓反射系數(shù)幅度譜|rthe(f ；Rq，d) I并與實(shí)驗(yàn)檢測得到的聲壓反射系數(shù)幅度譜IrraJf5Rqtl, d°) |進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)最大值nmax(Rq，d)對應(yīng)的涂覆層粗糙度Rq與厚度d即為被測試樣的實(shí)際粗糙度與厚度值； 步驟3、分別計(jì)算始發(fā)信號Pjg度譜的-8dB、-7dB、-6dB、-5dB、-4dB對應(yīng)的5組帶寬，對每個(gè)帶寬內(nèi)的I rexp (f ；Rq°, d°) I數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟2的相關(guān)性計(jì)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(nèi)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(nèi)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(yōu)先權(quán)日:2014年9月21日
【發(fā)明者】林莉, 馬志遠(yuǎn), 趙燦, 羅忠兵, 雷明凱 申請人:大連理工大學(xué)