一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法

摘要

一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，属于超声无损检测技术领域。它采用一套包括超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，分别对被检测试样与参考试样进行测量。针对弹性各向异性金属基体热障涂层试样超声回波信号，借助定义的修正系数Δγ，提取出其中所有Δγ>0的超声数据，并计算其归一化功率谱Gm(f)，读取Gm(f)有效频带内的谐振频率fn，结合已知的热障涂层纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式即可实现弹性各向异性金属基体热障涂层厚度测量。该方法有效克服了由于基体弹性各向异性引起的超声波形畸变以及主频偏移等现象导致热障涂层超声测厚结果偏差较大的问题。

主权项

一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，其特征是：它采用一台超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，分别对弹性各向异性金属基体热障涂层试样、弹性各向同性金属基体热障涂层试样、弹性各向异性金属基体试样进行超声检测，具体检测步骤如下：(1)首先定义一个弹性各向异性金属基体热障涂层测厚的修正系数Δγ，表达式为：Δγ＝γ_ani‑c‑γ_iso‑c (1)其中γ_ani‑c表示弹性各向异性金属基体热障涂层试样的超声回波信号功率谱主频偏移系数，以下简称“功率谱主频偏移系数”，γ_iso‑c表示涂层前后界面回波干涉引起的功率谱主频偏移系数；用γ_ani表示弹性各向异性金属基体引起的功率谱主频偏移系数，γ的表达式为：$\gamma =\frac{f_i-f_0}{f_0}---\left(2\right)$其中f_i为被测试样功率谱主频，f₀为水浸点聚焦探头的始发信号功率谱主频；(2)校准好超声脉冲回波法C扫描测厚系统，将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体试样上方，调整水浸聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体表面，采集一个始发脉冲作为基准信号J，对信号J进行傅里叶变换得到其功率谱并读取对应的主频f₀以及‑6dB对应的有效频带；然后将声束焦点聚焦于基体底面，将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个基体试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M，统计主频f_ani，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani；(3)将水浸点聚焦探头置于弹性各向同性金属基体热障涂层试样上方，调整水浸点聚焦探头使主声束轴线与试样表面垂直，将声束焦点聚焦于基体底面；将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；然后在C扫描结果不同灰度位置采集对应的回波信号，截取所有信号中的基体底面回波进行傅里叶变换，得到其功率谱M并统计其对应的主频f_iso‑c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_iso‑c；(4)将水浸点聚焦探头置于弹性各向异性金属基体热障涂层试样上方，同样将C扫描的输出闸门设置在基体底面回波位置，对整个试样进行C扫描检测；采集C扫描结果不同灰度位置对应的回波信号，并截取基体底面回波进行傅里叶变换，得到其对应的功率谱M并统计其对应的主频f_ani‑c，依据公式(2)计算各采样点位置对应的主频偏移系数γ_ani‑c；比较弹性各向异性金属基体热障涂层试样不同位置γ_ani‑c与对应厚度弹性各向同性金属基体热障涂层试样的γ_iso‑c值；当Δγ≤0时，γ_ani‑c不仅包括涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移，还包括基体弹性各向异性引起的主频偏移γ_ani；当Δγ>0时，γ_ani‑c主要包括涂层前后界面回波干涉引起的主频偏移，提取所有Δγ>0的数据并进行涂层测厚；(5)将步骤(4)提取的数据进行傅里叶变换并以信号J为基准进行归一化处理，得到其归一化功率谱Gm(f),读取Gm(f)有效频带内的谐振频率值f_n,已知该热障涂层的纵波声速c，带入声压反射系数功率谱谐振频率表达式(3)：$f_n=\frac{n\times 4}{4d}---\left(3\right)$通过表达式(3)计算出对应的涂层厚度。