[发明专利]一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法

说明书

一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该发明采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统。该发明推导出了涂覆层结构的声压反射系数相位谱φ(f,d,ρ,c)，对探头有效频带内理论与实验的声压反射系数相位谱进行相关系数计算，得到相关系数矩阵η(d,ρ,c)，测量涂覆层的声阻抗并作为相关系数矩阵的约束条件，满足约束的相关系数矩阵中最大值η_max(d,ρ,c)对应的涂覆层厚度d_i、ρ_i与纵波声速c_i即为所求的涂覆层厚度、密度与纵波声速。该方法解决了涂覆层零件无损检测过程中面临的涂覆层参数波动导致较大测量误差的问题，提供了涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时无损表征的新方法。

技术领域

本发明涉及一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法，其属于超声无损检测的技术领域。

背景技术

表面涂覆层是指利用物理、化学等方法在材料表面制备强化、防护基体材料或具有特殊功能且具有一定厚度的覆层，是提高零件性能和赋予零件特殊功能的有效措施，而涂覆层的性能和可靠性取决于其特殊几何特征与物理特性，包括厚度、界面粗糙度、声速、密度、弹性模量等参数。例如航空雷达吸波隐身涂层的厚度和密度对于其吸波、力学等性能具有重要影响，涂层厚度过大会导致界面结合质量变差，零件重量超过设计要求，厚度过小会导致吸收剂含量小，吸波性能急剧降低；涂覆层的密度反映了涂覆层的孔隙率、树脂固化程度。此外，涂覆层的弹性模量对其断裂、剥落和内应力分布状态有重要影响，而弹性模量可以由涂覆层的声速和密度间接计算得到。提出准确可靠的涂覆层几何特征和物理特性无损表征和评定方法对表面涂覆层乃至整个零件性能完整性的控制具有重要意义，已经成为该领域的迫切工程需求。

涂覆层的厚度、密度与纵波声速等参数在涂覆层不同位置有一定随机波动，对于均匀性较好、波动范围很小的涂覆层，可以在涂覆层制备过程中加入随炉试片，随后对随炉试片进行破坏性测量得到其厚度、密度等几何特征与物理特性参数，例如金相法测量厚度，剥离涂覆层后采用阿基米德法测量密度；也可根据随炉试片的参数作为标准对整个零件进行无损检测，例如以试片的涂覆层声速为标准，采用超声脉冲回波法测量零件的涂覆层厚度。但是对于均匀性较差的涂覆层，其几何特征和物理特性在零件不同位置有较大波动，随炉试片无法反映零件涂覆层在每个位置的参数，导致非均匀涂覆层零件无损检测过程中面临涂覆层多参数未知的问题，若采用随炉试片参数进行检测将导致较大的零件涂覆层参数测量误差，例如根据随炉试片的声速采用超声脉冲回波法测量零件涂覆层厚度时，由于零件各个位置的涂覆层声速有一定波动，导致测厚结果出现较大误差。目前的无损检测方法多数只能表征均匀涂覆层的单个或两个参数，如Jingfei Liu等在“Pulsed ultrasoniccomb filtering effect and its applications in the measurement of soundvelocity and thickness of thin plates”利用脉冲超声梳状滤波效应对玻璃和硅薄板的声速和厚度分别进行测量。Kinra等在“Ultrasonic nondestructive evaluation ofthin(sub-wavelength)coatings”对50-100μm环氧树脂薄层的纵波声速和厚度进行测量，但需要已知薄层的其他物理和声学参量。或局限于实验室条件难以应用于现场，如Rokhlin和Lavrentyev在“An ultrasonic method for determination of elastic moduli,density attenuation and thickness of a polymer coating on a stiff plate”利用垂直入射和斜入射超声反射系数谱对聚合物薄层的厚度、密度、声速等参数进行两步反演，但实验装置包含三个需精密调节角度的超声探头，难以用于工程实际涂覆层检测。陈剑等基于超声显微镜对不锈钢薄片厚度、密度和横、纵波声速进行反演，所采用的超声显微镜系统较为精密，无法应用于实际零部件涂覆层检测。对于工程中参数在一定范围内随机波动的涂覆层有效无损测量依然是难以解决的问题，因此非均匀涂覆层多参数同时无损表征已经成为亟待解决的工程实际需求。目前尚未见到能对工程实际涂覆层三参数进行同时有效无损表征的报道。