專利名稱：用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲方法及探頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱障涂層結(jié)構(gòu)的無損檢測，特別涉及用于熱障涂層無損檢測的激 光-電磁超聲方法及探頭裝置。
背景技術(shù)：
熱障涂層(TBC)材料系統(tǒng)是一種覆蓋于工業(yè)燃?xì)廨啓C及航空發(fā)動機葉片高溫合 金表面，用于降低葉片工作溫度，防止葉片發(fā)生高溫腐蝕的多層薄膜結(jié)構(gòu)體系。熱障涂層材 料系統(tǒng)通常由4個材料基元構(gòu)成，即陶瓷涂層、超合金基底、基底與陶瓷層間的金屬粘結(jié)層 以及陶瓷涂層與粘結(jié)層之間形成的以氧化鋁為主要物質(zhì)成分的熱生長氧化層。陶瓷涂層是 隔熱材料，它的主要功能是在高溫載荷下，形成沿涂層厚度的高溫度剃度，減弱向基底的傳 熱，使合金基底工作溫度降低，提高材料抗熱疲勞損傷和蠕變失效的耐久性。然而由于噴涂 方法、表面狀態(tài)、熱和機械載荷作用，在運行過程中熱障涂層常會產(chǎn)生界面裂紋、甚至剝離。 通常裂紋開始于陶瓷層和粘結(jié)層的界面處。這會惡化結(jié)構(gòu)件的局部環(huán)境，不但不能保護結(jié) 構(gòu)，反而可能加快局部損傷。目前有應(yīng)用超聲、紅外、渦流等方法進(jìn)行薄膜涂層檢測，但主 要應(yīng)用于薄膜涂層結(jié)構(gòu)的材料特性、厚度、界面整體狀態(tài)的檢測。對于局部的界面裂紋(剝 離)等，尚無完善的無損檢測方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)無損檢測方法難于檢測熱障涂層微小局部界面裂紋 (剝離)的難點，提供一種用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲方法及探頭裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
方形桶狀殼體兩端開口，底面內(nèi)部兩側(cè)帶有兩個用于承載底板的凸臺，方形桶狀 殼體上端外沿均勻分布有4個用于連接蓋板的安裝孔，方形桶狀殼體正面設(shè)有一個信號輸 入端口 ；U型永久磁體上端設(shè)有可導(dǎo)入激光干涉儀頭產(chǎn)生的激光束的圓柱形孔；蓋板下底 面帶有用于固定U型永久磁體的凸臺，蓋板上設(shè)有用于固定激光干涉儀頭帶螺紋孔的固定 裝置；兩矩形激勵線圈位于底板上表面中央，并保持有間距，兩矩形激勵線圈與信號輸入端 口相連，激光干涉儀頭固定在蓋板上。
方形桶狀殼體和蓋板由奧氏體不銹鋼制成。
底板由絕緣樹脂材料制成。
U型永久磁體為強磁性銣鐵硼材料。
激勵線圈采用兩個矩形線圈并排水平布置，激勵線圈與信號輸入端口相連時，要 確保線圈和線圈中電流流向相反。
兩個矩形激勵線圈的尺寸相同，長和寬分別約為8毫米和4毫米，矩形激勵線圈所 用導(dǎo)線的截面寬度約為1毫米，兩矩形激勵線圈之間的水平間距約為1毫米。
激光干涉儀頭的發(fā)射口與U型永久磁體上的圓柱形孔正對，保證激光干涉儀頭發(fā) 射的激光束能通過圓柱形孔并落在兩矩形激勵線圈之間的中線上。
一種上述探頭進(jìn)行熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲方法，具體實施過程包 括
1)將檢測探頭貼近熱障涂層材料表面，通過在兩個并排水平布置的矩形激勵線圈 中施加高壓脈沖電流，脈沖持續(xù)時間約為0. 2微秒，電流峰值約為500安培，在空間中產(chǎn)生 瞬態(tài)交變電磁場；
2)激勵線圈所產(chǎn)生的交變磁場在金屬粘接層和合金基底內(nèi)感應(yīng)出渦流，并與永久 磁體所產(chǎn)生的靜磁場相互作用產(chǎn)生交變的洛淪茲力，從而只陶瓷層下方的金屬粘接層和合 金基底內(nèi)激發(fā)超聲波；
3)當(dāng)探頭下方陶瓷層和金屬粘接層界面完好時，在金屬粘接層和合金基底內(nèi)產(chǎn)生 的超聲波的一部分會直接通過金屬粘接層和陶瓷層之間的界面向上傳播進(jìn)入陶瓷層，并在 陶瓷層表面產(chǎn)生相應(yīng)的微小振動；當(dāng)陶瓷層和金屬粘接層之間存在界面裂紋或剝離時，金 屬粘接層和合金基底內(nèi)向陶瓷層傳播的一部分超聲波會受到界面裂紋的阻礙，而無法進(jìn)入 陶瓷層；
4)通過與一激光干涉儀相連的激光干涉儀頭；來測量經(jīng)過陶瓷層和金屬粘結(jié)層 界面進(jìn)入陶瓷層的透射超聲波信號的幅值和延遲時間，并與在無裂紋涂層中獲得的檢測信 號比較來檢測陶瓷層和金屬粘結(jié)層之間的界面裂紋或剝離。
本發(fā)明提供了一種基于激光-電磁超聲技術(shù)的涂層微小局部界面裂紋的無損檢 測方法，克服了傳統(tǒng)無損檢測方法難于檢測熱障涂層的微小局部界面裂紋(剝離)的不足。


圖1為本發(fā)明檢測探頭部件結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明檢測探頭主視圖3為本發(fā)明檢測探頭工作原理 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理和過程進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參照圖1，本發(fā)明所采用的檢測探頭主要部件包括內(nèi)部兩側(cè)帶凸臺的兩端開口方 形桶狀殼體1，使用絕緣材料制作的底板2，用于提供靜態(tài)磁場的U型永久磁體3，下底面帶 凸臺的蓋板4，用于接收超聲波信號的激光干涉儀頭(激光接收器)5，位于開口方形桶狀殼 體1上的信號輸入端口 6，方形桶狀殼體1上端外沿均勻分布有4個用于連接蓋板4的安裝 孔7，用于產(chǎn)生渦流的2個矩形激勵線圈8和9，使用時矩形線圈8和9中施加反向的脈沖 電流，U型永久磁體3上帶有一個用于導(dǎo)入激光干涉儀頭5產(chǎn)生的激光束的圓形孔10，位于 蓋板上表面帶螺紋孔的固定裝置11。其中開口方形桶狀殼體1和蓋板4為奧氏體不銹鋼， 絕緣底板2為樹脂材料，U型永磁體3為為強磁性銣鐵硼材料。
參照圖2，首先將絕緣底板2放置于內(nèi)部兩側(cè)帶有凸臺的兩端開口方形桶狀殼體1 底端；將2個矩形激勵線圈8和9固定在絕緣底板2的中央，并保持約1毫米的間距，同時 將激勵線圈8和9與信號輸入端口 6相連，并確保線圈8和9中的電流流向相反；再將U型 永磁體3放置于帶絕緣底板2的方形桶狀殼體1內(nèi)，將蓋板4放置在U型永磁體3的頂部，并通過安裝孔7固定在方形桶狀殼體1上；最后將激光干涉儀頭5通過蓋板4上帶螺紋孔 的固定裝置11固定在蓋板4上。
參照圖3，根據(jù)熱障涂層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，位于上部的陶瓷涂層12為非金屬絕緣 材料，而位于下部的金屬粘結(jié)層13及合金基底14為金屬導(dǎo)體材料。因此當(dāng)探頭靠近熱障 涂層系統(tǒng)材料表面，在激勵線圈8和9中施加高壓脈沖電流時，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，在線圈 周圍會產(chǎn)生交變的磁場，在交變磁場的作用下，粘結(jié)層13和合金基底14(導(dǎo)體層)內(nèi)將產(chǎn) 生感應(yīng)電流即渦流。位于線圈兩旁的U型永久磁體3產(chǎn)生水平方向的靜態(tài)磁場，渦流在靜 態(tài)磁場的作用下產(chǎn)生交變的洛侖茲力，從而直接在陶瓷層12下部的金屬粘結(jié)層13和合金 基底14內(nèi)激發(fā)出超聲波15。參照圖3a所示，當(dāng)探頭下方，陶瓷層12與粘結(jié)層13界面完 好(即無裂紋或剝離)時，根據(jù)超聲波的傳播特性，在粘結(jié)層13及合金基底14內(nèi)部產(chǎn)生的 超聲波15 —部分將會直接向上傳播而進(jìn)入陶瓷層12，在超聲波15的作用下，陶瓷涂層12 表面質(zhì)點產(chǎn)生振動，質(zhì)點振動幅值的大小與透射到陶瓷層12內(nèi)超聲波的強度有關(guān)，再通過 激光干涉儀頭(激光接收器)5接收探頭下方中心點陶瓷層12表面由超聲波15引起的質(zhì) 點振動位移信號。參照圖北所示，當(dāng)探頭下方，陶瓷層12與粘結(jié)層13之間存在界面裂紋 (或剝離)16時，根據(jù)裂紋對超聲波的反射特性，由粘結(jié)層13和合金基底14內(nèi)向陶瓷層12 方向傳播的一部分超聲波17會受到裂紋的阻擋而不能進(jìn)入陶瓷層12，只有界面裂紋(或 剝離)16兩側(cè)的一部分超聲波17通過擴散效應(yīng)或衍射進(jìn)入界面裂紋(或剝離)16上方的 陶瓷層12內(nèi)，因此界面裂紋(或剝離)16上方陶瓷層12內(nèi)超聲波17的強度將會大幅度減 小，界面裂紋(或剝離)16上方陶瓷層12表面質(zhì)點振動幅度也隨之大大降低，同樣可通過 激光干涉儀頭5接收探頭下方中心點陶瓷層12表面的由超聲波17引起的質(zhì)點振動位移信 號。最后將激光干涉儀頭5接收到的超聲波信號送入激光干涉儀，并根據(jù)所測得的超聲波 信號的幅值和延遲時間來判斷探頭下方陶瓷層與粘結(jié)層之間是否存在界面裂紋或剝離，以 及裂紋或剝離的大小。
本發(fā)明采用一種激光-電磁超聲組合式無損檢測方法。采用一個至少包含有能 用于提供靜態(tài)磁場的永久磁鐵或電磁鐵，能產(chǎn)生交變磁場的激勵線圈以及能夠用于測量試 件表面超聲波動的激光接收器。檢測時將檢測探頭貼近熱障涂層材料表面，在激勵線圈中 施加高壓脈沖電流，由于陶瓷層為絕緣層，金屬粘結(jié)層和超合金基底都為導(dǎo)體層，因此在激 勵線圈產(chǎn)生的交變磁場作用下，只在陶瓷層下方的金屬粘結(jié)層和合金基底內(nèi)感應(yīng)出渦流， 在靜態(tài)磁場作用下產(chǎn)生洛侖茲力，在此力的作用下產(chǎn)生高頻機械振動，即超聲波。當(dāng)探頭下 方，陶瓷層與粘結(jié)層界面完好時，在粘結(jié)層和合金基底內(nèi)產(chǎn)生的超聲波的一部分將會直接 向上傳播進(jìn)入陶瓷層，反之當(dāng)陶瓷層與粘結(jié)層之間存在界面裂紋或剝離時，粘結(jié)層和合金 基底內(nèi)向陶瓷層傳播的一部分超聲波會受界面裂紋或剝離的阻擋，最后可通過與一激光干 涉儀相連的激光接收器測量探頭下方陶瓷層表面的超聲波信號，并根據(jù)所測得的超聲波信 號的幅值和延遲時間來判斷探頭下方陶瓷層與粘結(jié)層之間是否存在界面裂紋或剝離，以及 裂紋或剝離的大小。
權(quán)利要求
1.一種用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，包括方形桶狀殼體(1)、底 板O)、U型永久磁體(3)、蓋板G)、激光干涉儀頭( 和兩個矩形激勵線圈(8，9)，其特征 在于方形桶狀殼體(1)兩端開口，底面內(nèi)部兩側(cè)帶有兩個用于承載底板O)的凸臺，方形 桶狀殼體⑴上端外沿均勻分布有4個用于連接蓋板(4)的安裝孔(7)，方形桶狀殼體⑴ 正面設(shè)有一個信號輸入端口(6) ；U型永久磁體C3)上端設(shè)有可導(dǎo)入激光干涉儀頭(5)產(chǎn) 生的激光束的圓柱形孔(10)；蓋板(4)下底面帶有用于固定U型永久磁體(3)的凸臺，蓋 板(4)上設(shè)有用于固定激光干涉儀頭( 帶螺紋孔的固定裝置(11)；兩矩形激勵線圈(8， 9)位于底板(2)上表面中央，并保持有間距，兩矩形激勵線圈(8，9)與信號輸入端口(6)相 連，激光干涉儀頭(5)固定在蓋板(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，方形桶狀殼體(1)和蓋板由奧氏體不銹鋼制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，底板O)由絕緣樹脂材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，U型永久磁體(3)為強磁性銣鐵硼材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，激勵線圈(8，9)采用兩個矩形線圈并排水平布置，激勵線圈(8，9)與信號輸入端口 (6)相連時，要確保線圈(8)和線圈(9)中電流流向相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，兩個矩形激勵線圈(8，9)的尺寸相同，長和寬分別約為8毫米和4毫米，矩形激勵線 圈(8，9)所用導(dǎo)線的截面寬度約為1毫米，兩矩形激勵線圈(8，9)之間的水平間距約為1 毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲探頭裝置，其特征 在于，激光干涉儀頭(5)的發(fā)射口與U型永久磁體C3)上的圓柱形孔(10)正對，保證激光 干涉儀頭( 發(fā)射的激光束能通過圓柱形孔(10)并落在兩矩形激勵線圈(8，9)之間的中 線上。
8.一種使用權(quán)利要求1所述探頭進(jìn)行熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲方法，其特 征在于，具體實施過程包括1)將檢測探頭貼近熱障涂層材料表面，通過在兩個并排水平布置的矩形激勵線圈(8， 9)中施加高壓脈沖電流，脈沖持續(xù)時間約為0. 2微秒，電流峰值約為500安培，在空間中產(chǎn) 生瞬態(tài)交變電磁場；2)激勵線圈(8，9)所產(chǎn)生的交變磁場在金屬粘接層(1 和合金基底(14)內(nèi)感應(yīng)出渦 流，并與永久磁體C3)所產(chǎn)生的靜磁場相互作用產(chǎn)生交變的洛淪茲力，從而只陶瓷層下方 的金屬粘接層(1 和合金基底(14)內(nèi)激發(fā)超聲波；3)當(dāng)探頭下方陶瓷層(1 和金屬粘接層(1 界面完好時，在金屬粘接層和合金基底 內(nèi)產(chǎn)生的超聲波(1 的一部分會直接通過金屬粘接層(1 和陶瓷層(1 之間的界面向 上傳播進(jìn)入陶瓷層(12)，并在陶瓷層(1 表面產(chǎn)生相應(yīng)的微小振動；當(dāng)陶瓷層(1 和金 屬粘接層(1 之間存在界面裂紋或剝離時，金屬粘接層(1 和合金基底(14)內(nèi)向陶瓷層 (12)傳播的一部分超聲波(17)會受到界面裂紋的阻礙，而無法進(jìn)入陶瓷層(12)；4)通過與一激光干涉儀相連的激光干涉儀頭( 來測量經(jīng)過陶瓷層(1 和金屬粘結(jié) 層(1 界面進(jìn)入陶瓷層(1 的透射超聲波信號的幅值和延遲時間，并與在無裂紋涂層中 獲得的檢測信號比較來檢測陶瓷層(12)和金屬粘結(jié)層(13)之間的界面裂紋或剝離。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于熱障涂層無損檢測的激光-電磁超聲方法及探頭裝置。用于檢測熱障涂層材料系統(tǒng)陶瓷涂層與金屬粘結(jié)層之間的局部微小界面裂紋及其剝離。針對熱障涂層結(jié)構(gòu)中微小裂紋及剝離的無損檢測。采用一個至少包含用于提供靜態(tài)磁場的永久磁鐵或電磁鐵，能產(chǎn)生交變磁場的激勵線圈以及能夠用于接受試件表面超聲波信號的激光干涉儀頭，檢測時將探頭貼近熱障涂層材料表面，通過渦流激勵線圈和永久磁體直接在熱障涂層系統(tǒng)陶瓷涂層下方的金屬粘結(jié)層和合金基底內(nèi)激發(fā)出超聲波，最后與一激光干涉儀相連的激光干涉儀頭來測量由金屬粘結(jié)層與合金基底內(nèi)部經(jīng)過陶瓷層和粘結(jié)層界面進(jìn)入陶瓷層的透射超聲波信號來檢測陶瓷層和金屬粘結(jié)層之間的界面裂紋或剝離。
文檔編號G01N21/45GK102033107SQ20101056822
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者李紅梅, 裴翠祥, 陳振茂 申請人:西安交通大學(xué)