基于声压反射系数法的表面涂层密度及弹性模量超声无损表征研究

论文摘要

表面涂层特性（如厚度、密度、纵波声速、横波声速、弹性模量等）的超声无损表征与评价是表面涂层质量检测与评价的研究热点和难点之一。表面涂层的厚度一般较薄,超声波在其中的传播时间往往小于脉冲的持续时间,以至于不同界面的超声回波信号发生混叠,导致常规超声检测技术难以对表面涂层特性参量进行无损表征。本文基于对超声波在水／涂层多界面上的传播规律分析以及混叠波形识别,提出了一种通过计算垂直入射和倾斜入射时涂层的声压反射系数来对涂层的密度和弹性模量进行无损表征的新方法——声压反射系数法。声压反射系数法的主要原理是：在超声波倾斜入射条件下,若超声波脉冲持续时间较短,通过对水／涂层／基体多界面上超声波反射及折射特性分析,以及对涂层试样与块体试样回波波形的比较,可以对多界面结构条件下的超声混叠波形加以简化识别,在此基础上计算涂层的声压反射系数,并依据涂层特性参量之间的关系,计算得到涂层的密度和弹性模量。为检验该方法的正确性,实验研究中首先对钢基体表面的均匀铝质覆层进行了超声检测。基于超声脉冲回波法以及水浸耦合方式,在声波垂直入射条件下,利用一个晶片直径为8mm、主频为12MHz的探头测量了覆层的声压反射系数,并借助一对晶片直径为10mm、脉冲持续时间为0.35μs的探头测量了斜入射条件下的声压反射系数,通过计算得出铝质覆层的密度和弹性模量分别为2.718g／cm3和66.12 GPa。超声法密度测量结果相对于阿基米德法测量结果的误差为0.37%,弹性模量超声测量结果相对于已有文献给出的数据的相对误差为2.76%,表明利用本方法对表面涂层密度及弹性模量进行无损表征具有可行性。采用该方法对具有一定非均质性的羰铁电磁吸波涂层进行了超声测量,密度和弹性模量测量结果的平均值分别为4.281g／cm3和17.32 GPa,前者相对于阿基米德法测量结果的误差为1.32%。进一步对呈现明显非均质性的EB-PVD法制备的ZrO2-7%Y2O3涂层进行了测量,其中部分试样分别经强流脉冲离子束（High-Intensity Plused Ion Beams, HIPIB）辐照1次和5次,三种涂层密度的测量平均值分别为4.900g／cm3、4.903g／cm3和4.909g／cm3,弹性模量测量平均值依次为31.28 GPa、31.90 GPa和32.73 GPa。该结果与已有文献报道结果相近,且所揭示的涂层特性变化规律与SEM分析和表面显微硬度测试结果相一致,表明本研究提出的声压反射系数法可用于对均质和非均质涂／覆层的密度及弹性模量进行超声表征,为表面涂层特性及质量无损评价提供了很好的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 表面涂层概述
• 1.1.2 涂层的密度和弹性模量
• 1.2 表面涂层的有损检测
• 1.2.1 密度的有损检测
• 1.2.2 弹性模量的有损检测
• 1.3 课题研究现状
• 1.4 本论文的研究思路和研究内容
• 1.4.1 本论文的研究思路
• 1.4.2 本文的研究内容
• 2 超声波基础知识
• 2.1 超声波基础知识
• 2.2 声压
• 2.3 介质的声参量
• 2.3.1 声阻抗
• 2.3.2 声速
• 2.4 超声波在异质界面上的传播特性
• 2.4.1 声学边界条件
• 2.4.2 超声波垂直入射时的反射和透射
• 2.4.3 超声波倾斜入射时的反射和折射
• 3 实验原理
• 3.1 超声波垂直入射时在水/涂层/基体多界面结构中的传播
• 3.2 超声波倾斜入射时在水/涂层界面上的反射
• 3.3 涂层弹性模量的计算
• 4 超声实验系统与实验原理验证
• 4.1 超声实验系统
• 4.1.1 超声波垂直入射实验系统
• 4.1.2 超声波倾斜入射实验系统
• 4.2 实验原理验证
• 4.2.1 超声波垂直入射测量纵波声速
• 4.2.2 超声波倾斜入射测量横波声速和密度
• 4.2.3 声压反射系数法实验结果的验证
• 4.2.4 弹性模量的计算
• 4.2.5 分析与讨论
• 5 表面涂层性能的超声表征研究
• 5.1 羰铁吸波涂层的超声表征
• 5.1.1 超声波垂直入射测量纵波声速
• 5.1.2 超声波倾斜入射测量横波声速和密度
• 5.1.3 弹性模量的计算
• 5.1.4 分析与讨论
• 2-7%Y₂O₃涂层的超声表征'>5.2 ZrO₂-7%Y₂O₃涂层的超声表征
• 5.2.1 涂层表面和横截面SEM形貌
• 5.2.2 超声波垂直入射测量纵波声速
• 5.2.3 超声波倾斜入射测量横波声速和密度
• 5.2.4 涂层弹性模量的计算
• 5.2.5 涂层的表面显微硬度测量
• 5.2.6 分析与讨论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢