一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法，采用高頻超聲脈沖水浸檢測法檢測涂層結(jié)構(gòu)信息，通過100MHz的高頻超聲激勵信號對帶涂層葉片進(jìn)行B掃描，然后將接收到的高頻檢測信號進(jìn)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(shí)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(jìn)行分析和識別，實(shí)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的表征。這種數(shù)據(jù)處理與表征方法還適用于其他多層異質(zhì)薄層和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。
【專利說明】一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用超聲掃描顯微鏡及信號處理方法，實(shí)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)】
[0002]渦輪葉片因?yàn)榍昂缶壿^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(jìn)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(qiáng)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)。
[0003]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(dāng)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(dāng)?shù)竭_(dá)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(dāng)拉應(yīng)力達(dá)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(dāng)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(jìn)行生長、擴(kuò)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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。
[0004]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(dāng)在水面聲全息像的激光掃描實(shí)時顯示，獲得了以下清晰的顯微鏡成圖像的進(jìn)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(shí)際情況較吻合。美國的Kundu以及Mal等人對厚度為的金剛石涂層采用超聲顯微鏡成像技術(shù)進(jìn)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(bào)道都集中在運(yùn)用超聲顯微鏡檢測技術(shù)對涂層厚度進(jìn)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(jìn)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。
[0005]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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析和識別，實(shí)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的表征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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(jìn)行B掃描，然后將接收到的高頻檢測信號進(jìn)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(shí)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(jìn)行分析和識別，實(shí)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況的表征。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:利用超聲掃描顯微鏡檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測，檢測頻率100MHz，檢測熱障涂層為雙層結(jié)構(gòu)，等離子噴涂法制作而成，表面陶瓷層厚約為150 μ m，中間粘接層厚約為50 μ m，基體的厚度為4.8mm。首先利用超聲顯微鏡的B掃描獲取100MHz頻率激勵信號檢測的原始數(shù)據(jù)，采樣頻率達(dá)到IGHz，步進(jìn)為40 μ m，在IOmm長度上獲得250個點(diǎn)的檢測信號，其特征在于按照如下方法步驟對檢測信號處理和成像:
(1)設(shè)計(jì)與檢測信號中心頻率(100MHz)—致的窄帶調(diào)制信號，根據(jù)卷積濾波原理，通過該調(diào)制信號與原檢測信號卷積將檢測信號頻率限制在調(diào)制信號頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)檢測信號的帶通濾波，可去除或抑制非激勵信號頻帶內(nèi)的隨機(jī)噪聲；
(2)以窄帶調(diào)制信號為母波包，依據(jù)超聲檢測原理建立檢測信號數(shù)學(xué)模型，通過匹配追蹤分解方法，可將混疊在一起的水/涂層和各涂層界面回波信號逐一分離出來，找出各層界面回波位置和幅度；
(3)由于分離出來的波包都有數(shù)個周期，直接將分解波包疊加成像必然造成再次混疊，因此根據(jù)涂層厚度和聲速，采用一含5個采樣點(diǎn)窄脈沖替換波包信號進(jìn)行疊加，重建檢測信號并成像，最后根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)成像圖，實(shí)現(xiàn)對涂層質(zhì)量狀況的表征。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的特點(diǎn)是:對于微米級涂層的分辨需要利用超聲掃描顯微鏡，但對于兩層以上的涂層反射，不僅噪聲干擾嚴(yán)重，且很容易造成各界面反射波包混疊，超聲顯微鏡直接B掃描成像圖無法反映出涂層結(jié)構(gòu)情況。通過卷積濾波和波包分解技術(shù)，可分離出各界面反射波，而后通過用窄脈沖替換波包進(jìn)行疊加，重建檢測信號，根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)成像圖，實(shí)現(xiàn)對涂層質(zhì)量狀況的表征?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明IOOMHz窄帶調(diào)制信號波形圖。
[0010]圖2為本發(fā)明IOOMHz窄帶調(diào)制信號頻譜圖。
[0011]圖3為本發(fā)明葉片涂層檢測波形圖。
[0012]圖4為本發(fā)明葉片涂層檢測頻譜圖。
[0013]圖5為本發(fā)明界面反射處卷積濾波后波形圖。
[0014]圖6為本發(fā)明界面反射處卷積濾波后頻譜圖。
[0015]圖7為本發(fā)明對界面反射部分進(jìn)行波包分解結(jié)果圖。
[0016]圖8為本發(fā)明分解波包重建波形混疊效果圖。
[0017]圖9為本發(fā)明設(shè)計(jì)5采樣點(diǎn)窄脈沖示意圖。
[0018]圖10為本發(fā)明用窄脈沖替換分解波包后重建波形效果圖。
[0019]圖11為本發(fā)明葉片涂層B掃描檢測信號經(jīng)過處理后成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]對于此發(fā)明的有效性以及可行性，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用超聲掃描顯微鏡對葉片熱障涂層進(jìn)行高頻水浸檢測，檢測信號頻率為IOOMHz ;檢測熱障涂層為雙層結(jié)構(gòu)，等離子噴涂法制作而成，表面陶瓷層厚約為150 μ m，中間粘接層厚約為50 μ m,基體的厚度為4.8mm。首先利用超聲顯微鏡對葉片進(jìn)行B掃描檢測獲取原始檢測數(shù)據(jù)，步進(jìn)為40 μ m，在IOmm長度掃查線上獲得250個點(diǎn)的檢測信號，然后按照下面步驟完成對檢測信號處理和成像:
(I)由于原始檢測信號中含有許多隨機(jī)噪聲，如結(jié)構(gòu)噪聲和環(huán)境噪聲等，為了更好的配合后面的匹配追蹤分解方法，設(shè)計(jì)與檢測信號中心頻率IOOMHz —致的窄頻帶調(diào)制信號，調(diào)制信號波形與頻譜如圖1、圖2所示，通過調(diào)制信號與檢測信號進(jìn)行卷積，實(shí)際上就是對這兩個信號進(jìn)行了頻域相乘，就相當(dāng)于把檢測信號的頻率限制在調(diào)制信號的頻帶內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對檢測信號的帶通濾波。
圖3和圖4為超聲顯微鏡在掃查線上選用的一個檢測信號波形及頻譜，可以發(fā)現(xiàn)檢測信號中間部分為界面反射信號，包含水/涂層和各涂層界面回波，通過頻譜圖可以看出檢測信號主頻不是100MHz，產(chǎn)生了頻率漂移。將該檢測信號與調(diào)制信號卷積，卷積結(jié)果如圖5所示，通過圖6可以看出卷積濾波的效果，信號頻率都限定在調(diào)制信號的頻帶內(nèi)。而圖5為界面反射部分卷積結(jié)果，各種回波混疊在一起，很難區(qū)分開，因此進(jìn)行下一步處理。
[0021](2)根據(jù)超聲傳播原理，可以采用輸入波包作為描述檢測信號的基本單元，不同位置和尺度上輸入波包的組合構(gòu)成一種對檢測信號的逼近。經(jīng)過上一步信號卷積后，可以把窄帶調(diào)制信號認(rèn)為是輸入母波包，則被測信號可看作是由不同時延、尺度、大小的基波包的組合。
基波包分解個數(shù)可根據(jù)實(shí)際對信號逼近程度的需要確定，一般僅通過有限個基波包就可以實(shí)現(xiàn)對信號特征的概括。因?yàn)檫@個建模過程就像把信號分解成幾個不同的基波包，所以被稱為波包分解技術(shù)。波包分解后各單元分別相當(dāng)于經(jīng)過不同途徑傳播到達(dá)波包的組合。對于不同時刻到達(dá)的波包，當(dāng)前后銜接或者說有重疊時，利用模型分解的方法可望將其分開。
[0022]模型參數(shù)的估計(jì)是通過時域相關(guān)計(jì)算的方法得出來的。分解前設(shè)定~(￡) = _ ,那么為第i次分解后的剩余誤差，可由式(I)得到:
【權(quán)利要求】
1.一種熱障涂層結(jié)構(gòu)高頻超聲成像表征方法，不破壞涂層的完整性檢測到其內(nèi)部的兩薄層結(jié)構(gòu)，將不透光涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高頻超聲成像，通過成像圖表征涂層質(zhì)量狀況，其特征在于具體方法為: (1)利用超聲顯微鏡的水浸B掃描檢測獲取IOOMHz頻率激勵信號檢測的原始數(shù)據(jù)，步進(jìn)為40 μ m，在IOmm長度上獲得250個點(diǎn)的檢測信號； (2)設(shè)計(jì)與檢測信號中心頻率(100MHz)—致的窄帶調(diào)制信號，根據(jù)卷積濾波原理，通過該調(diào)制信號與原檢測信號卷積將檢測信號頻率限制在調(diào)制信號頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)檢測信號的帶通濾波，可去除或抑制非激勵信號頻帶內(nèi)的隨機(jī)噪聲； (3)以窄帶調(diào)制信號為母波包，依據(jù)超聲檢測原理建立檢測信號數(shù)學(xué)模型，通過匹配追蹤分解方法，可將混疊在一起的水/涂層和各涂層界面回波信號逐一分離出來，找出各層界面回波位置和幅度； (4)由于分離出來的 波包都有數(shù)個周期，直接將分解波包疊加成像必然造成再次混疊，因此根據(jù)涂層厚度和聲速，采用一窄脈沖替換波包信號進(jìn)行疊加，重建檢測信號并成像，最后根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)成像圖，實(shí)現(xiàn)對涂層質(zhì)量狀況的表征。
【文檔編號】G01N29/04GK104020218SQ201410193332
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】李秋鋒, 盧超, 陳果, 楊雪娟 申請人:南昌航空大學(xué)