采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法

摘要

一种采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法，属于超声无损检测技术领域。它采用一套包括水槽、超声波水浸点聚焦探头、XYZ三维步进装置、超声波探伤仪、数字示波器以及计算机构成的超声测试系统。该系统产生的超声波以小角度入射至热障涂层/金属基体结构，在基体/水的界面产生折射横波并经过基体/涂层以及涂层/水等界面，由探头接收到一个混叠信号。计算混叠信号的声压反射系数功率谱，通过测量热障涂层的横波声速值并读取一个准确的f

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法，其属于 材料超声无损检测与评价技术领域。

背景技术

采用热障涂层提高发动机叶片等热端部件的工作温度是一种十分经济有效 的技术途径，而热障涂层厚度及其均匀性直接影响到最终隔热效果。在现场涂 装施工和质量检验过程中，要求喷涂的热障涂层厚度达到合格标准。准确可靠 的热障涂层厚度无损测试方法是该领域的迫切工程需求。

现有多种无损检测方法可用于热障涂层厚度的检测，主要有涡流法、红外法、 微波法和超声波法等方法。其中涡流法是通过检测探头与基体之间由热障涂层厚 度变化引起的提离效应进行测厚的，测厚结果受粘结层的影响较大。红外法是根 据被检测热障涂层在红外线的照射下吸收对应波长的红外线，分析处理被吸收的 强度就可以对涂层进行测定，测厚精度受照射时间、涂层成分均匀性等因素影响 较大。微波法是在检测前优选适于热障涂层的最灵敏的检测波段，并通过测量反 射波反射系数相位的信息进而计算热障涂层厚度值的，该方法实验室研究较多， 尚未建立成熟的热障涂层测厚装备。超声法测量热障涂层厚度主要包括超声显微 镜、超声表面波，超声脉冲回波三种技术。超声显微镜技术是利用高频超声波对 样品材料表层及内部结构进行无损显微成像的技术，其检测成本高、检测系统复 杂、同时该方法对涂层表面平整度的要求较高。超声表面波技术依据声波在涂层 中的频散方程，通过测量涂层相速度频散曲线，然后结合反演技术计算涂层厚度， 由于热障涂层厚度多在数十微米至百微米量级，因此所需激发的表面波频率多在 40MHz-200MHz范围，目前多借助激光来激发，然而由于光声转换效率低、回波 信号弱及检测灵敏度低等因素限制其应用。传统的超声脉冲回波技术利用涂层上 下界面反射纵波的声程差或者对应频谱的两个相邻谐振频率与热障涂层的纵波 声速来实现涂层厚度的测量。由于纵波声速大，涂层内传播声时极短，该方法测 量厚度在百微米以下的热障涂层通常需要大于40MHz带宽，由此导致超声高频 成分强衰减、波形畸变等，难以实施测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方 法。与现有的超声显微镜、超声表面波等涂层测厚方法相比，应具有测量设备成 本低、设备体积小等优点；同时克服传统的超声纵波法对探伤仪及探头频带要求 高，且难以对厚度小于百微米涂层进行准确测量等局限性。只需要一个常规超声 水浸点聚焦探头及测量系统即可测量涂层的横波声速值，实现对微米量级 （50-250μm）热障涂层厚度的测量，结果准确可靠，适用范围更广。该方法采用 的设备对频率要求低，操作方便，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：一种采用超声波水浸聚焦技术 测量热障涂层厚度的方法，它采用一套包括水槽、超声波水浸点聚焦探头、XYZ 三维步进装置、超声波探伤仪、数字示波器以及计算机的超声测试系统。它采用 的测量步骤如下：

（1）利用所述校准好的超声测试系统，将水浸点聚焦探头置于金属基体上方， 用水槽水浸耦合，并保证探头主声束轴线与金属基体表面垂直，调节探头位置， 将声束焦点聚焦于金属基体的上表面，此时金属基体一次表面回波P₁最高；然 后，调节探头与金属基体间的距离，将声束焦点聚焦于金属基体底面，此时偏离 主声束轴线的超声波会以小角度α斜入射到金属基体之中，小角度α在0～9°之 间，小于水/金属基体界面的第一临界角，记下此时金属基体的一次表面回波P₁的声时t₁；以小角度α斜入射到金属基体中的波束在水/金属基体界面产生折射纵 波，折射角记为β_l，由于入射角α小于水/金属基体界面的第一临界角，产生的折 射横波能量相对较弱不予考虑；由波型转换定理可知，折射纵波在金属基体下表 面反射时，会同时产生反射纵波P₂与反射横波P₃，它们反射到金属基体/水界面 出射时，会转换为折射角为α的纵波并被水浸点聚焦探头接收，借助数字示波器 观察波形，记录一次底面反射纵波P₂与一次底面反射横波P₃，得到对应的声时 t₂与t₃，P₂做为基准信号1，P₃做为基准信号2；已知金属基体的纵波声速υ_基， 水中纵波声速υ_水，金属基体内传播声时t₁₂=t₂-t₁，结合其厚度h计算出入射角α。

（2）将水浸点聚焦探头置于被测热障涂层/金属基体试样的上方，保证探头主 声束轴线与试样表面垂直；然后，调节探头与热障涂层表面之间的距离，使热障 涂层的一次表面回波P_1s的声时同样为t₁，即将声束焦点聚焦于热障涂层的表面； 同步骤（1）所述，倾斜入射的纵波在金属基体下表面反射时，会产生反射纵波 P_2s与反射横波P_3s；反射纵波P_2s经过热障涂层后，在涂层上下界面发生多次混 叠并且以折射纵波P₄的形式被水浸点聚焦探头接收；反射横波P_3s经过涂层后， 在涂层上下界面发生多次混叠，并且在涂层/水界面再次发生波型转换，以纵波 P₅的形式被水浸点聚焦探头接收；借助数字示波器观察波形并采集反射回波P₄与反射回波P₅，P₄做为试样信号1，P₅做为试样信号2。

（3）热障涂层纵波声速、横波声速计算过程：对步骤（1）和（2）所述采集 到的基准信号1和试样信号1分别进行傅里叶变换，得到基准信号和试样信号声 压反射系数功率谱R₁和S₁，令功率谱R₁和功率谱S₁的商为涂层纵波信号的归一 化功率谱G₁；对基准信号2和试样信号2分别进行傅里叶变换，得到基准信号和 试样信号声压反射系数功率谱R₂和S₂，令功率谱R₂和功率谱S₂的商为涂层横波 信号的归一化功率谱G₂；在G₁与G₂中分别搜索探头中心频率附近的极大值谐振 频率f_n与f_m，由斜入射条件下谐振频率表达式与斯涅耳定理可得公式（1）～（4）：

$\frac{d}{\cos {\gamma }_l}=\frac{n*{\upsilon }_l}{4*f_n}---\left(1\right)$

$\frac{d}{\cos {\gamma }_s}=\frac{m*{\upsilon }_s}{4*f_m}---\left(3\right)$

其中d为热障涂层厚度，υ_l、υ_s、γ_l与γ_s分别为热障涂层的纵波声速、横波声速、 纵波折射角与横波折射角；已知热障涂层厚度d与入射角α，联立式（1）与（2） 可同时求得υ_l与γ_l两个未知量；联立式（3）与（4）可同时求得υ_s与γ_s两个未知 量。

（4）热障涂层厚度d测量过程：对步骤（1）、（2）与（3）所述过程，若已 知涂层纵波υ_l与入射角度α，结合功率谱G₁读取的谐振频率f_n，联立式（1）～ （2）可求出热障涂层厚度d；对于采用纵波法无法测量的较薄涂层，可采用热障 涂层横波υ_s与入射角α，结合功率谱G₂读取的谐振频率f_m，联立式（3）～（4）， 求出涂层厚度d，因为热障涂层横波声速υ_s相对υ_l较小，在相同的检测系统下， 可测量较薄涂层厚度值。

本发明的效果和益处是：该方法应克服传统超声法由于纵波声速大，涂层内 传播声时极短，频谱分析需要的两个相邻谐振频率跨度宽，要求设备与探头具有 宽频带，以及由此导致超声高频成分强衰减、波形畸变、测量难以实施的问题， 只需要一个常规超声波水浸点聚焦探头即可同时测量涂层的纵波声速与横波声 速值，可实现对微米量级（50-250μm）热障涂层厚度的测量，结果准确可靠，适 用范围更广。而且该方法采用的设备对频率要求低，操作方便，成本较低，具有 较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是热障涂层厚度的超声测量系统连接示意图。

图2是水浸点聚焦探头的超声波入射到水/金属基体/水三层结构的传播与波 型转换示意图。

图3是金属基体表面与底面反射回波。

图4是水浸点聚焦探头的超声波入射到水/热障涂层试样/水四层结构的传播 与波型转换示意图。

图5是热障涂层试样的底面反射纵波与横波。

图6是底面反射纵波归一化功率谱G₁。

图7是底面反射横波归一化功率谱G₂。

图8是EB-PVD法制备的YSZ热障涂层截面SEM图。

图中：1、水槽；2、热障涂层试样；3、水浸点聚焦探头；4、XYZ三维步进 装置；5、超声波探伤仪；6、DPO4032数字示波器；7、电脑。

图2中：P₀为入射声波；P₁为金属基体一次表面回波；P₂为金属基体一次底 面纵波回波；P₃为金属基体一次底面横波回波。

图4中：P₀为入射声波；P_1s为热障涂层试样一次表面回波；P₄为热障涂层 试样一次底面纵波回波；P₅为热障涂层试样一次底面横波回波。

具体实施方式

本超声波水浸聚焦技术测量热障涂层厚度的方法的超声测试系统由图1所示 的水槽、标称频率20MHz的超声波水浸点聚焦探头（已知焦距F=19.0mm）、XYZ 三维步进装置、超声波探伤仪、DPO4032数字示波器以及计算机构成。它采用的 测量步骤如下：

（1）利用所述校准好的超声测试系统，将水浸点聚焦探头置于厚度h=2.3mm 的不锈钢基体表面并用水槽水浸，保证水浸点聚焦探头主声束轴线与不锈钢基体 表面垂直，调整探头距不锈钢基体的距离为F=19mm左右，声束焦点聚焦于不锈 钢基体的表面，此时不锈钢基体一次表面回波P₁最高；然后，调节聚焦探头的 与金属基体间的距离L=F-2*υ_钢/υ_水=11.29mm，将声束焦点深入不锈钢基体底面， 此时偏离主声束轴线的超声波会以小角度α斜入射到金属基体之中，记下此时金 属基体的一次表面回波P₁的声时t₁=15.74μs；以小角度α斜入射到金属基体之中 的波束在金属基体内将产生折射纵波，折射角为β_l，由于入射角α小于水/金属基 体界面的第一临界角，产生的折射横波能量相对较弱可不考虑；由波型转换定理 可知，倾斜入射的纵波在金属基体下表面反射时，则会同时产生反射纵波P₂与 反射横波P₃，见图2；它们在金属基体/水界面传播时，会转换为折射角为α的纵 波并分别被水浸点聚焦探头接收，借助数字示波器观察波形记录一次底面反射纵 波P₂与一次底面反射横波P₃，得到对应的声时t₂=16.61μs与t₃=16.91μs；P₂做为 基准信号1，P₃做为基准信号2，见图3；已知不锈钢的纵波声速υ_钢=5572.2m/s， 水中纵波声速υ_水l=1480.0m/s，不锈钢内传播声时t₁₂=t₂-t₁=0.87μs，结合不锈钢 厚度h=2.3mm可计算出入射角α=4.5°。

（2）将水浸点聚焦探头置于EB-PVD法制备的YSZ热障涂层/不锈钢基体试 样的上方，保证水浸点聚焦探头主声束轴线与表面垂直；然后，调节探头与热障 涂层表面之间的距离，使热障涂层的一次表面回波P_1s的声时也为t₁=15.74μs；同 步骤（1）所述，倾斜入射的纵波在不锈钢基体下表面反射时，也会产生反射纵 波P_2s与反射横波P_3s；反射纵波P_2s经过热障涂层后，在涂层上下界面发生多次 混叠并且以折射纵波P₄的形式被水浸点聚焦探头接收；反射横波P_3s经过涂层后， 在涂层上下界面发生多次混叠，并且在涂层/水界面再次发生波型转换，以纵波 P₅的形式被水浸点聚焦探头接收，见图4；借助数字示波器观察波形采集反射回 波P₄与反射回波P₅，P₄做为试样信号1，P₅做为试样信号2，见图5。

（3）热障涂层纵波声速、横波声速计算过程：对步骤（1）和（2）所述采集 到的采集到的基准信号1和试样信号1分别进行傅里叶变换，得到基准信号和试 样信号声压反射系数功率谱R₁和S₁，令功率谱R₁和功率谱S₁的商为涂层纵波信 号的归一化功率谱G₁，见图6；对基准信号2和试样信号2分别进行傅里叶变换， 得到基准信号和试样信号声压反射系数功率谱R₂和S₂，令功率谱R₂和功率谱S₂的商为涂层横波信号的归一化功率谱G₂，见图7；在G₁与G₂中分别搜索探头中 心频率附近的极大值谐振频率分别为f_n=f₁=10.59MHz与f_m=f₅=22.45MHz。通过 扫描电电子显微镜观察超声测试位置的热障涂层的截面厚度值d=96.2m，见图8。 将α、f_n、f_m与d代入公式（1）～（4），可同时求得热障涂层的纵波声速υ_l=4171.0m/s、 横波声速υ_s=1734.7m/s、纵波折射角γ_l=12.2°与横波折射角γ_s=5.2°。

（4）热障涂层厚度d测量过程：所有热障涂层横波声速υ_s相对纵波υ_l较小， 在相同的检测系统下，可测量更薄涂层厚度值。对步骤（1）、（2）与（3）所述 过程，已知热障涂层横波υ_s=1734.7m/s，采集热障涂层14个不同位置的超声信 号，并计算出超声信号功率谱的谐振频率f_m，联立式（3）～（4），可求出涂层 不同位置的厚度d，结果如表1所示。然后解剖试样，利用金相方法确定热障涂 层厚度，热障涂层试样横截面的扫描电子显微镜照片如图8所示。将金相法测得 的涂层厚度与本测试系统测量结果进行对比并分析误差，结果如表1所示。分析 表明，所有的热障涂层厚度测量绝对误差小于5.2μm，相对误差小于6.4%。

表1热障涂层试样测厚结果及误差分析