[發(fā)明專利]一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法

有效

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• 申請日: 2014-05-09
• 公開（公告）號: CN104020218B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李秋鋒;盧超;陳果;楊雪娟
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44
• 代理公司: 南昌洪達專利事務(wù)所36111
• 代理人: 劉凌峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及利用超聲掃描顯微鏡及信號處理方法，實現(xiàn)高頻超聲成像方法對熱障涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效表征，是屬于超聲無損檢測范圍的一種新的涂層結(jié)構(gòu)成像表征方法。?

背景技術(shù)

渦輪葉片因為前后緣較薄，產(chǎn)生的熱慣性比較小，快速的受熱使得反復(fù)作用的渦輪葉片產(chǎn)生很大熱應(yīng)力從而導(dǎo)致出現(xiàn)熱疲勞裂紋。在如此高溫、高壓和腐蝕的工作環(huán)境中保持著高速旋轉(zhuǎn)，這不僅要承受著高頻的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和交變與應(yīng)力，除此之外還存在著一系列問題像高溫氧化、熱腐蝕和磨損等等。為了滿足抗高溫和抗氧化腐蝕的能力，現(xiàn)在僅靠采用先進的冷卻技術(shù)、生產(chǎn)新式耐高溫合金材料和改善渦輪葉片的制造工藝等這幾種常規(guī)方法，是很難保證能即安全而又可靠的完成工作的，必需要滿足抗高溫蠕變強度和抗高溫氧化腐蝕的能力，而現(xiàn)在為了提高渦輪葉片的這些性能目前的方法就是在葉片的表面采用熱障涂層技術(shù)。?

現(xiàn)階段使用的熱障涂層大多還是由陶瓷隔熱層以及金屬粘結(jié)層兩部分組成。然而熱障涂層與金屬基體材料兩者之間的熱膨脹系數(shù)存在很大的差距，導(dǎo)致兩者之間的粘結(jié)效果不好。當熱障涂層長期服役在惡劣的高溫環(huán)境下，熱障涂層與基體材料之間的殘余應(yīng)力不斷的增長，當?shù)竭_一定的程度時，就會發(fā)生涂層脫落的情況。且由于涂層材料與金屬基體材料的熱物理性能參數(shù)也有很大的差距，在熱障涂層的制備過程中，凝固收縮過程中產(chǎn)生了大量的拉應(yīng)力，一旦當拉應(yīng)力達到了材料的抗拉極限的時候，熱障涂層內(nèi)部就會產(chǎn)生裂紋。當熱障涂層長期服役在惡劣的高溫環(huán)境中時，涂層內(nèi)部裂紋會不斷的向表面進行生長、擴展，一段時間過后就會形成表面裂紋。并且在制備涂層的過程中不可避免的會產(chǎn)生一些氣體，或者由于制備工藝的局限性，設(shè)備本身存在的一些氣體。當涂層中的氣體不能及時排出的話，則會殘留在其中，最終形成氣孔。另外，當熱障涂層開始凝固收縮的時候，也有可能產(chǎn)生一些氣孔。而涂層質(zhì)量的好壞直接影響著涂層的性能，所以需要對涂層內(nèi)部質(zhì)量進行檢測。而制造航空渦輪葉片的材料都是一些比較昂貴的復(fù)合材料，所以葉片涂層缺陷診斷的首選方法就該考慮的是沒有破壞性的無損檢測技術(shù)。在各種無損檢測方法中，超聲波檢測更具應(yīng)用前景。?

物體很多雖然不能透光但是都能透聲的，所以在早期就有人提出了利用聲替換光來觀察物體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。1936年前蘇聯(lián)科學(xué)家索科洛夫就大膽的提出超聲顯微鏡的設(shè)想，物質(zhì)是由于折射率的差異而產(chǎn)生光的散射，然而聲的散射卻是由于彈性介質(zhì)的不同而產(chǎn)生的。聲的波長決定了分辨率，幾百兆赫茲的超高頻超聲波也只能得到幾個的分辨率。聲全息技術(shù)研究成功后，尤其是當在水面聲全息像的激光掃描實時顯示，獲得了以下清晰的顯微鏡成圖像的進步，這種技術(shù)便引起了廣泛的關(guān)注，但由于設(shè)備的龐大所以不便普及。直至六七十年代，超聲顯微鏡電子顯微鏡隨著聲成像相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也一樣有了長足的發(fā)展趨勢。利用超聲顯微成像系統(tǒng)，張軍等人觀測到了涂層亞表面的結(jié)構(gòu)形貌狀態(tài)、金屬基體與涂層的結(jié)構(gòu)組織差異、涂層的厚度，測試結(jié)果與實際情況較吻合。美國的Kundu以及Mal等人對厚度為1μm的金剛石涂層采用超聲顯微鏡成像技術(shù)進行測量，并成功測量了涂層密度、聲速等物理參數(shù)。在國內(nèi)，大多數(shù)報道都集中在運用超聲顯微鏡檢測技術(shù)對涂層厚度進行測量，加上超聲顯微鏡在國內(nèi)還是新興儀器了解的人較少，對涂層結(jié)構(gòu)成像檢測研究的并不多。超聲掃描顯微鏡（Scanning?Acoustic?Microscope）簡稱（SAM），它是利用超聲波對物體的完整性和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行檢測的儀器，作為無損檢測設(shè)備分析中的一種，可以完成15-400MHz超聲檢測工作。?

超聲檢測的反射回波中又包含著涂層聲速和頻率等結(jié)構(gòu)特征信息，為了提取出各個界面微弱的狀態(tài)特征信息，就必須對反射信號進行數(shù)據(jù)分析和處理。由于涂層之間存在大小相差不大的聲阻抗，使得陶瓷層與粘結(jié)層界面以及粘結(jié)層與基體界面的反射信號非常微弱，且不可避免的將發(fā)生反射信號混疊；而且在涂層中傳播，聲波有很大衰減以及波形轉(zhuǎn)換等干擾信號，因此需要對檢測信號進行卷積濾波，提高信噪比；然后通過波包匹配分解方法分離涂層界面反射信號，最后將多周期反復(fù)波包重建并成像，通過成像圖對各涂層結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析和識別，實現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的表征。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：針對航空渦輪葉片熱障涂層結(jié)構(gòu)狀況檢測需要，提出一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法，通過高頻超聲激勵信號對帶涂層葉片進行B掃描，然后將接收到的高頻檢測信號進行卷積濾波、涂層界面反射分離和反射波包重建等處理方法實現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)的成像，最后根據(jù)成像圖對各涂層結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析和識別，實現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的表征。?