[發(fā)明專利]一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610289698.2
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN106017372B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林莉;馬志遠(yuǎn);張偉;雷明凱
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02;G01N29/07;G01N29/28
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司21208
• 代理人: 花向陽,楊翠翠

1.一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法，它采用一個(gè)包括水槽(1)、試樣臺(2)、耐磨涂層試樣(3)、水浸聚焦探頭(4)、X-Y-Z三維步進(jìn)控制裝置(5)、超聲波探傷儀(6)、數(shù)字示波器(7)以及計(jì)算機(jī)(8)的超聲脈沖回波法測量耐磨涂層厚度與彈性模量的系統(tǒng)，其特征是：所述方法采用下列步驟：

(a)確定水浸聚焦探頭的入射角α<5°

將已知厚度的不銹鋼試樣放入水槽(1)中的試樣臺(2)上，采用X-Y-Z三維步進(jìn)裝置(5)控制水浸聚焦探頭(4)與試樣之間的相對位置，將水浸聚焦探頭(4)的焦點(diǎn)聚焦于不銹鋼試樣的表面，利用超聲波探傷儀(6)激發(fā)水浸聚焦探頭(4)，采用數(shù)字示波器(7)采集信號波形，記下此時(shí)不銹鋼試樣表面回波P₀的聲時(shí)t₁和底面反射縱波P₁對應(yīng)的聲時(shí)t₂，已知不銹鋼試樣縱波聲速V_1l與水的縱波聲速V_3l，結(jié)合超聲縱波在不銹鋼試樣中的傳播時(shí)間t₁₂＝t₂-t₁，利用斯涅爾定理計(jì)算出水浸聚焦探頭(4)的入射角α；

(b)超聲波以角度α斜入射到耦合介質(zhì)水與涂層試樣構(gòu)成的水/金屬基體/耐磨涂層/水多界面結(jié)構(gòu)時(shí)，得到各界面反射系數(shù)方程：

-cosαlsinαt-cosβlsinβt-sinαl-cosαtsinβlcosβt-kl1(λ1+2μ1)cos2αtkt1μ1sin2αtkl2(λ2+2μ2)cos2βt-kt2μ2sin2βt-kl1μ1sin2αl-kt1μ1cos2αt-kl2μ2sin2βl-kt2μ2cos2βtRlRtTlTt=a---(1)]]>

其中α_l和α_t分別為界面處縱波和橫波的反射角，β_l和β_t分別為界面處縱波和橫波的透射角，λ₁、μ₁和λ₂、μ₂為材料的拉梅常數(shù)，k為對應(yīng)超聲波的波數(shù)，k＝2πf/V,V為介質(zhì)的聲速，f為超聲波頻率，R_l、R_t與T_l、T_t分別為縱波與橫波的反射與透射系數(shù)；當(dāng)入射到各界面的超聲波為縱波模式時(shí)，矩陣a為：

a＝[-cosα_l sinα_l k_l1(λ₁+2μ₁)cos2α_l -k_l1μ₁sin2α_l]' (2)結(jié)合公式(1)-(2),確定各界面處的彈性參數(shù)聲速、密度值，計(jì)算界面反射縱波系數(shù)R_l、反射橫波系數(shù)R_t、透射縱波系數(shù)T_l與透射橫波系數(shù)T_t；

(c)將水浸聚焦探頭(4)的焦點(diǎn)聚焦于耐磨涂層/水界面，依據(jù)步驟(b)給出的波型轉(zhuǎn)換規(guī)律，通過數(shù)字示波器有效識別并提取出涂層前、后界面的反射縱波P_l1、P_l2以及涂層前、后界面的反射橫波P_t1、P_t2；使用計(jì)算機(jī)(8)對采集的信號進(jìn)行傅里葉變換，分別獲得涂層縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜與涂層橫波聲壓反射系數(shù)幅度譜：

|R(f;d,V)|=[(r12+r23)2-4r12r23sin2(2πfd/V)(1+r12r23)2-4r12r23sin2(2πfd/V)]1/2---(3)]]>

其中下角標(biāo)1、2、3分別代表金屬基體、耐磨涂層和耦合介質(zhì)水，d為耐磨涂層厚度，r₁₂、r₂₃為對應(yīng)界面的聲壓反射系數(shù)，分別表示為ρ為對應(yīng)介質(zhì)的密度；

(d)耦合介質(zhì)水的縱波聲速V_3l和密度ρ₃以及金屬基體的縱波聲速V_1l和密度ρ₁通過聲學(xué)手冊或通過實(shí)驗(yàn)方法測量獲得，耐磨涂層密度ρ₂采用該材料塊體密度值，步驟(c)獲得的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|R(f；d,V_2l)|僅是未知量涂層厚度d與涂層聲速V_2l的二元隱函數(shù)，利用公式(4)所示的互相關(guān)運(yùn)算對實(shí)測得到的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|R(f；d,V_2l)|和理論計(jì)算得到的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|R(f；d,V_2l)|^*在-6dB有效頻帶內(nèi)進(jìn)行雙參數(shù)反演；

η(d,V2l)=Σi=1N[|R(f;d,V2l)|-|R(f;d,V2l)|‾][|R(f;d,V2l)|*-|R(f;d,V2l)|*‾]Σi=1N-[|R(f;d,V2l)|-|R(f;d,V2l)|‾]2Σi=1N-[|R(f;d,V2l)|*-|R(f;d,V2l)|*‾]2---(4)]]>

其中，N表示時(shí)域信號經(jīng)FFT變換后有效頻帶范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，下角標(biāo)i表示第i個(gè)頻率值；與分別為有效頻帶內(nèi)實(shí)測與理論的聲壓反射系數(shù)幅度譜的算術(shù)平均值；通過賦予耐磨涂層厚度d和縱波聲速V_2l一系列連續(xù)變化值，得到理論聲壓反射系數(shù)幅度譜矩陣，令其作為母體，將實(shí)測的聲壓反射系數(shù)幅度譜與其逐一進(jìn)行互相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)矩陣中最大位置對應(yīng)的d和V_2l即為被測耐磨涂層厚度與縱波聲速的最佳反演結(jié)果；

(e)結(jié)合步驟(d)反演的涂層厚度d，并讀取步驟(c)中橫波聲壓反射系數(shù)幅度譜URCAS_t對應(yīng)的諧振頻率f_nt的值：

fnt=nV2t4×d---(5)]]>

其中V_2t為涂層的橫波聲速，n為諧振頻率階數(shù)，將反演得到的厚度d帶入公式(5)即獲得耐磨涂層橫波聲速值V_2t，將計(jì)算獲得的縱波聲速V_2l、橫波聲速V_2t以及耐磨涂層密度ρ₂帶入彈性模量E計(jì)算公式(6)，即計(jì)算出涂層彈性模量；

E=ρ2V2t2[3V2l2-4V2t2V2l2-V2t2]---(6)]]>

(f)采用金相分析技術(shù)獲取耐磨涂層截面金相照片，通過中值濾波和二值化圖像處理方法統(tǒng)計(jì)耐磨涂層試樣對應(yīng)的孔隙率p，依據(jù)孔隙率對材料密度影響的公式ρ＝ρ₂(1-p)對耐磨涂層彈性模量進(jìn)行修正，修正結(jié)果為：

E=ρ2(1-p)V2t2[3V2l2-4V2t2V2l2-V2t2].---(7)]]>