一种超声无损测量耐磨涂层厚度与弹性模量的方法

摘要

一种超声无损测量耐磨涂层厚度与弹性模量的方法，属于超声无损检测技术领域。该方法基于脉冲回波技术并采用单个水浸聚焦探头单次采集耐磨涂层/金属基体试样的回波信号，即可有效提取涂层前后界面纵波与横波信号。对纵波与横波信号分别进行频谱分析获得相应声压反射系数幅度谱(URCAS)，结合互相关分析双参数反演技术同时测量涂层纵波声速V_2l与厚度d，通过反演厚度d与横波URCAS的谐振频率f_nt计算出涂层横波声速V_2t，结合金相法统计的涂层孔隙率对密度ρ₂进行修正，依据弹性模量表达式实现弹性模量的测量。该方法克服了常规超声法多探头组合或多个角度入射的复杂操作，也克服了表面波法将泊松比假设为定值的不足，解决了涂层弹性模量超声定量测量的难题。

主权项

一种超声无损测量耐磨涂层厚度与弹性模量的方法，它采用一个包括水槽(1)、试样台(2)、耐磨涂层试样(3)、水浸聚焦探头(4)、X‑Y‑Z三维步进控制装置(5)、超声波探伤仪(6)、数字示波器(7)以及计算机(8)的超声脉冲回波法测量耐磨涂层厚度与弹性模量的系统，其特征是：所述方法采用下列步骤：(a)确定水浸聚焦探头的入射角α<5°将已知厚度的不锈钢试样放入水槽(1)中的试样台(2)上，采用X‑Y‑Z三维步进装置(5)控制水浸聚焦探头(4)与试样之间的相对位置，将水浸聚焦探头(4)的焦点聚焦于不锈钢试样的表面，利用超声波探伤仪(6)激发水浸聚焦探头(4)，采用数字示波器(7)采集信号波形，记下此时不锈钢试样表面回波P₀的声时t₁和底面反射纵波P₁对应的声时t₂，已知不锈钢试样纵波声速V_1l与水的纵波声速V_3l，结合超声纵波在不锈钢试样中的传播时间t₁₂＝t₂‑t₁，利用斯涅尔定理计算出水浸聚焦探头(4)的入射角α；(b)超声波以角度α斜入射到耦合介质水与涂层试样构成的水/金属基体/耐磨涂层/水多界面结构时，得到各界面反射系数方程：$\left[\begin{array}{cccc}-{\mathrm{cos\alpha }}_l& {\mathrm{sin\alpha }}_t& -{\mathrm{cos\beta }}_l& {\mathrm{sin\beta }}_t\\ -{\mathrm{sin\alpha }}_l& -{\mathrm{cos\alpha }}_t& {\mathrm{sin\beta }}_l& {\mathrm{cos\beta }}_t\\ -k_{l1}({\lambda }_1+2{\mu }_1)\cos 2{\alpha }_t& k_{t1}{\mu }_1\sin 2{\alpha }_t& k_{l2}({\lambda }_2+2{\mu }_2)\cos 2{\beta }_t& -k_{t2}{\mu }_2\sin 2{\beta }_t\\ -k_{l1}{\mu }_1\sin 2{\alpha }_l& -k_{t1}{\mu }_1\cos 2{\alpha }_t& -k_{l2}{\mu }_2\sin 2{\beta }_l& -k_{t2}{\mu }_2\cos 2{\beta }_t\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_l\\ R_t\\ T_l\\ T_t\end{array}\right]=a---\left(1\right)$其中α_l和α_s分别为界面处纵波和横波的反射角，β_l和β_s分别为界面处纵波和横波的透射角，k为对应超声波的波数，k＝2πf/V,V为介质的声速，f为超声波频率，R_l、R_t与T_l、T_t分别为纵波与横波的反射与透射系数；当入射到各界面的超声波为纵波模式时，矩阵a为：a＝[‑cosα_l sinα_l k_l1(λ₁+2μ₁)cos2α_l ‑k_l1μ₁sin2α_l]'   (2)结合公式(1)‑(2),确定各界面处的弹性参数声速、密度值，计算界面反射纵波系数R_l、反射横波系数R_t、透射纵波系数T_l与透射横波系数T_t；(c)将水浸聚焦探头(4)的焦点聚焦于耐磨涂层/水界面，依据步骤(b)给出的波型转换规律，通过数字示波器有效识别并提取出涂层前、后界面的反射纵波P_l1、P_l2以及涂层前、后界面的反射横波P_t1、P_t2；使用计算机(8)对采集的信号进行傅里叶变换，分别获得涂层纵波声压反射系数幅度谱与涂层横波声压反射系数幅度谱：$\left|R(f;d,V)\right|={\left[\frac{{(r_{12}+r_{23})}^2-4r_{12}{r}_{23}{\sin }^2(2\pi fd/V)}{{(1+r_{12}{r}_{23})}^2-4r_{12}{r}_{23}{\sin }^2(2\pi fd/V)}\right]}^{1/2}---\left(3\right)$其中下角标1、2、3分别代表金属基体、耐磨涂层和耦合介质水，d为耐磨涂层厚度，r₁₂、r₂₃为对应界面的声压反射系数，分别表示为ρ为对应介质的密度；(d)耦合介质水的纵波声速V_3l和密度ρ₃以及金属基体的纵波声速V_1l和密度ρ₁通过声学手册或通过实验方法测量获得，耐磨涂层密度ρ₂采用该材料块体密度值，步骤(c)获得的纵波声压反射系数幅度谱|R(f；d,V_2l)|仅是未知量涂层厚度d与涂层声速V_2l的二元隐函数，利用公式(4)所示的互相关运算对实测得到的纵波声压反射系数幅度谱|R(f；d,V_2l)|和理论计算得到的纵波声压反射系数幅度谱|R(f；d,V_2l)|^*在‑6dB有效频带内进行双参数反演；其中，N表示时域信号经FFT变换后有效频带范围内的数据点数，下角标i表示第i个频率值；与分别为有效频带内实测与理论的声压反射系数幅度谱的算术平均值；通过赋予耐磨涂层厚度d和纵波声速V_2l一系列连续变化值，得到理论声压反射系数幅度谱矩阵，令其作为母体，将实测的声压反射系数幅度谱与其逐一进行互相关分析，相关系数矩阵中最大位置对应的d和V_2l即为被测耐磨涂层厚度与纵波声速的最佳反演结果；(e)结合步骤(d)反演的涂层厚度d，并读取步骤(c)中横波声压反射系数幅度谱URCAS_t对应的谐振频率f_nt的值：$f_{nt}=\frac{{\mathrm{nV}}_{2t}}{4\times d}---\left(5\right)$其中V_2t为涂层的横波声速，n为谐振频率阶数，将反演得到的厚度d带入公式(5)即获得耐磨涂层横波声速值V_2t，将计算获得的纵波声速V_2l、横波声速V_2t以及耐磨涂层密度ρ₂带入弹性模量E计算公式(6)，即计算出涂层弹性模量；$E={\rho }_2{V}_{2t}^2\left[\frac{3V_{2l}^2-4V_{2t}^2}{V_{2l}^2-V_{2t}^2}\right]---\left(6\right)$(f)采用金相分析技术获取耐磨涂层截面金相照片，通过中值滤波和二值化图像处理方法统计耐磨涂层试样对应的孔隙率p，依据孔隙率对材料密度影响的公式ρ＝ρ₂(1‑p)对耐磨涂层弹性模量进行修正，修正结果为：$E={\rho }_2(1-p)V_{2t}^2\left[\frac{3V_{2l}^2-4V_{2t}^2}{V_{2l}^2-V_{2t}^2}\right].---\left(7\right)$