一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法
【專利摘要】一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法，屬于超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。該方法基于脈沖回波技術(shù)并采用單個(gè)水浸聚焦探頭單次采集耐磨涂層/金屬基體試樣的回波信號，即可有效提取涂層前后界面縱波與橫波信號。對縱波與橫波信號分別進(jìn)行頻譜分析獲得相應(yīng)聲壓反射系數(shù)幅度譜(URCAS)，結(jié)合互相關(guān)分析雙參數(shù)反演技術(shù)同時(shí)測量涂層縱波聲速V2l與厚度d，通過反演厚度d與橫波URCAS的諧振頻率fnt計(jì)算出涂層橫波聲速V2t，結(jié)合金相法統(tǒng)計(jì)的涂層孔隙率對密度ρ2進(jìn)行修正，依據(jù)彈性模量表達(dá)式實(shí)現(xiàn)彈性模量的測量。該方法克服了常規(guī)超聲法多探頭組合或多個(gè)角度入射的復(fù)雜操作，也克服了表面波法將泊松比假設(shè)為定值的不足，解決了涂層彈性模量超聲定量測量的難題。
【專利說明】
一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法，其屬于超聲無損 檢測的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] Al2〇3、WC等涂覆層具有高的硬度、強(qiáng)度、彈性和導(dǎo)熱系數(shù)，且耐磨、耐沖蝕性能極 高，因此已成為近年來耐磨涂層技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。Houdkova等指出在小尺寸工件特別 是在工件內(nèi)腔部位，由于不能實(shí)現(xiàn)垂直角度的噴涂，會(huì)導(dǎo)致涂層微觀結(jié)構(gòu)、厚度、彈性等綜 合性能不理想。W.Tillmann與P.Chivavibul等也指出噴涂工藝的(顆粒度、噴涂角度等)改 變會(huì)影響涂層厚度、硬度、彈性以及結(jié)合強(qiáng)度等，而厚度、彈性以及結(jié)合強(qiáng)度又與涂層的斷 裂韌性、抗磨損性、抗沖蝕性密切相關(guān)。D.Chicot等在"Application of the interfacial indentation test for adhesion toughness determination" 中提出米用界面斷裂韌性 評價(jià)涂層結(jié)合強(qiáng)度理論，認(rèn)為界面斷裂韌性Kw與涂層彈性模量密切相關(guān)。C. Yingke等指出 彈性模量對接觸應(yīng)力場、涂層的剝離、斷裂和涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀態(tài)有重要影響，而且涂 層材料與其噴涂前的基質(zhì)材料通常具有不同的彈性能。因此，開展耐磨涂層彈性模量測量 原理與檢測技術(shù)的研究對于該類涂層制造過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化與質(zhì)量控制具有重要意 義。
[0003] 目前，研究學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了許多評價(jià)涂層彈性模量的方法。如靜態(tài)的毫微壓痕法、 拉伸法、梁彎曲試驗(yàn)法以及動(dòng)態(tài)的共振法、超聲波法等。壓痕法是在一定載荷下將壓頭壓進(jìn) 涂層試樣，根據(jù)記錄的載荷-位移曲線計(jì)算涂層的彈性模量。該類方法對微區(qū)組織結(jié)構(gòu)十分 敏感，多相或復(fù)合材料涂層的測量誤差大，且無法完全消除基體力學(xué)性能對測量準(zhǔn)確度的 影響。拉伸法是將涂層從基體剝離后制成單獨(dú)涂層試樣或者在涂層試樣表面貼上應(yīng)變片， 然后對試樣進(jìn)行拉伸并記錄載荷-伸長度曲線，從而計(jì)算涂層的彈性模量。該方法對涂層具 有一定破壞性，且僅適用于基體與涂層泊松比差別較小的試樣。梁彎曲試驗(yàn)法是通過對涂 層/基體復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過載荷-位移、載荷-曲率、載荷-撓度等曲 線，計(jì)算涂層的彈性模量。該方法的測量精度受涂層、基體幾何尺寸影響較大。共振法測量 涂層彈性模量通常采用振動(dòng)膜試樣片進(jìn)行試驗(yàn)，在金屬片狀基體的2個(gè)側(cè)面上均勻制備涂 層，利用X射線衍射法測量涂層的彎曲共振頻率進(jìn)而計(jì)算涂層彈性模量。該方法僅適用于薄 涂層和薄膜，對厚度較大的涂層不適用。超聲波法是基于超聲聲速與材料彈性之間的關(guān)系， 通過測量超聲縱波聲速與橫波聲速來實(shí)現(xiàn)涂層材料彈性模量的測量。該類方法具有無損 傷、測量簡便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的超聲體波法需要多次調(diào)整探頭入射角度或者需要 多個(gè)探頭配合才能獲得涂層的縱波聲速和橫波聲速，測量過程繁復(fù)。最近發(fā)展起來的超聲 表面波法僅通過一次測量涂層表面波聲速即可實(shí)現(xiàn)涂層彈性模量測量。但該方法需要假設(shè) 涂層的泊松比為一定值，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)涂層彈性模量的準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 該發(fā)明主要針對耐磨涂層彈性模量的無損測量難題，基于超聲波小角度斜入射至 水/金屬基體/耐磨涂層/水三界面結(jié)構(gòu)時(shí)的波型轉(zhuǎn)換原理以及各界面反射、透射系數(shù)分析， 提出一種超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法。該方法只需要單個(gè)探頭進(jìn)行單次 聲波入射，采用薄層聲壓發(fā)射系數(shù)幅度譜(URCAS)分析技術(shù)，并結(jié)合互相關(guān)分析雙參數(shù)反演 方法，實(shí)現(xiàn)涂層縱波聲速、橫波聲速和厚度的同時(shí)測量，結(jié)合金相觀測涂層孔隙率值修正了 涂層密度，最終實(shí)現(xiàn)該類涂層材料彈性模量的準(zhǔn)確測量。該方法克服了常規(guī)超聲法多探頭 組合或多個(gè)角度入射的復(fù)雜操作，也克服了表面波法將泊松比假設(shè)為定值的不足，解決了 涂層彈性模量超聲定量測量的難題。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：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、試樣臺、耐磨涂層試樣、水浸聚焦探頭、X-Y-Z三維步進(jìn)控制裝置、超 聲波探傷儀、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)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)，所述方法采用下列步驟：
[0006] (a)確定水浸聚焦探頭的入射角α〈5°
[0007] 將已知厚度的不銹鋼試樣放入水槽中的試樣臺上，采用X-Y-Z三維步進(jìn)裝置控制 水浸聚焦探頭與試樣之間的相對位置，將水浸聚焦探頭的焦點(diǎn)聚焦于不銹鋼試樣的表面， 利用超聲波探傷儀激發(fā)水浸聚焦探頭，采用數(shù)字示波器采集信號波形，記下此時(shí)不銹鋼試 樣表面回波Po的聲時(shí)t和底面反射縱波?:對應(yīng)的聲時(shí)t 2,已知不銹鋼試樣縱波聲速Vn與水 的縱波聲速V31，結(jié)合超聲縱波在不銹鋼試樣中的傳播時(shí)間tl2 = t2_tl，利用斯涅爾定理計(jì)算 出水浸聚焦探頭的入射角α;
[0008] (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： -cosa； sin^ -cos 爲(wèi) sin Rt
[0009] &?ηβι gos 爲(wèi) R, -kn + )cos2^ sin2a， kn (Z, +2//2 )αο&2β? _/r，2,'2sin2々， Tt -knp{ sin,2a^ ~^nPi cos ~^nJh sin 一夂2//2 eos 2爲(wèi) Tt
[0010] 其中a#Pas分別為界面處縱波和橫波的反射角，扮和隊(duì)分別為界面處縱波和橫波 的透射角，k為對應(yīng)超聲波的波數(shù)，k = 2對/V，V為介質(zhì)的聲速，f為超聲波頻率，Ri、Rt與Ti、Tt 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：
[0011] a= [-cosai sinai kii(Ai+2yi)cos2ai -kiiyisin2ai] ' (2)
[0012] 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)Ri、反射橫波系數(shù)Rt、透射縱波系數(shù)Τι與透射橫波系數(shù)Tt;
[0013] (c)將水浸聚焦探頭的焦點(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Ρη、Ρι 2以及涂層前、 后界面的反射橫波Ptl、Pt2;使用計(jì)算機(jī)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：
(3)
[0015]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 P為對應(yīng)介質(zhì)
的密度；
[0016] (d)耦合介質(zhì)水的縱波聲速V31和密度P3以及金屬基體的縱波聲速Vn和密度Pi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P2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IR(f ;d，v21) I僅是未知量涂層厚度d與涂層聲速v21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 21)|和 理論計(jì)算得到的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|以^(1，￥21)廣在-6(^有效頻帶內(nèi)進(jìn)行雙參數(shù)反 演；
(4)
[0018]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V21-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 21即為被測耐磨涂層厚度與縱波聲速的最佳反演 結(jié)果；
[0019] (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 URCASt對應(yīng)的諧振頻率f nt的值：
(5)
[0021]其中V2t為涂層的橫波聲速，η為諧振頻率階數(shù)，將反演得到的厚度d帶入公式(5)BP 獲得耐磨涂層橫波聲速值V2t，將計(jì)算獲得的縱波聲速V21、橫波聲速V2t以及耐磨涂層密度P2 帶入彈性模量E計(jì)算公式(6)，即計(jì)算出涂層彈性模量；
(6)
[0023] (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P = P2(1-P)對耐磨涂層彈性模量進(jìn)行修正，修正結(jié)果為：
(7)
[0025]本發(fā)明的有益效果是:該方法克服傳統(tǒng)的超聲體波法需要多次調(diào)整探頭入射角度 或者需要多個(gè)探頭配合才能獲得涂層的縱波聲速和橫波聲速，測量彈性模量過程繁復(fù)的問 題;也克服了超聲表面波法需要假設(shè)涂層的泊松比為一定值，難以真正實(shí)現(xiàn)涂層彈性模量 的定量測量的不足。該方法只需要單個(gè)探頭進(jìn)行單次聲波入射，采用薄層聲壓發(fā)射系數(shù)幅 度譜(URCAS)分析技術(shù)，并結(jié)合互相關(guān)分析雙參數(shù)反演方法，實(shí)現(xiàn)耐磨涂層縱波聲速、橫波 聲速和厚度的同時(shí)測量，結(jié)合金相觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)的孔隙率修正涂層的密度，最終實(shí)現(xiàn)涂層 材料彈性模量的測量，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該方法采用的設(shè)備成熟簡單，操作方便，成本較低，具 有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【附圖說明】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明。
[0027] 圖1是超聲脈沖回波測量耐磨涂層厚度與彈性模量系統(tǒng)。
[0028] 圖2是探頭激發(fā)的參考波形：（a)波形；（b)幅度譜。
[0029] 圖3是超聲波小角度入射到水/金屬基體/耐磨涂層/水多層結(jié)構(gòu)的傳播示意圖。
[0030] 圖4是WC耐磨涂層試樣時(shí)域回波信號。
[0031]圖5是WC耐磨涂層的縱波與橫波聲壓反射系數(shù)幅度譜。
[0032]圖6是雙參數(shù)反演結(jié)果：（a)試驗(yàn)|辦出(1，￥21)|與反演的|1?1出(1，￥ 21)|%(13)11隨厚 度變化關(guān)系；（c)n隨縱波聲速變化關(guān)系。
[0033] 圖7是WC耐磨涂層試樣反演厚度值d(a)與金相觀測厚度(b)。
[0034] 圖8是WC耐磨試樣所有采集數(shù)據(jù)測量的縱波聲速與橫波聲速。
[0035]圖9是WC耐磨涂層試樣截面SEM照片。
[0036]圖中：1、水槽，2、試樣臺，3、耐磨涂層試樣，4、水浸聚焦探頭，5、X-Y-Z三維步進(jìn)控 制裝置，6、超聲波探傷儀，7、數(shù)字示波器，8、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本超聲無損測量耐磨涂層厚度與彈性模量的方法采用如圖1所示一個(gè)包括水槽1、 試樣臺2、耐磨涂層試樣3、水浸聚焦探頭4、Χ-Υ_Ζ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)。具體實(shí)施步 驟如下：
[0038]步驟a、確定入射角α :將厚度h = 1.62mm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)控制裝置5調(diào)整水浸聚焦探頭4與試樣之間的相對位置，將水浸聚焦探 頭的焦點(diǎn)垂直聚焦于不銹鋼試樣的表面。利用USIP40超聲波探傷儀6激發(fā)水浸聚焦探頭，水 浸聚焦探頭的焦距為25.4mm、晶片直徑6mm。采用DP04032數(shù)字示波器7采集信號波形，如圖2 (a)所示。記下此時(shí)不銹鋼試樣表面回波P〇的聲時(shí)ti = 23.45ys和底面反射縱波Pd#應(yīng)的聲 時(shí)t2 = 24.03ys。已知不銹鋼試樣縱波聲速Vn = 5890.0 m/s，水的聲速V3i = 1480.0 m/s，反射 縱波在不銹鋼試樣中的傳播時(shí)間1：12 = 12_1：1 = 0.58以8，計(jì)算出水浸聚焦探頭的入射角€[= 4.5°。水浸聚焦探頭的-6dB有效帶寬為11.5~27.1MHz，如圖2(b)所示。
[0039] 步驟b、基于波型轉(zhuǎn)換規(guī)律識別涂層前后界面縱波Pn、P12與橫波Ptl、Pt2:將WC耐磨 涂層試樣放入水池中，形成水/金屬基體/WC耐磨涂層/水三界面結(jié)構(gòu)，調(diào)整水浸聚焦探頭垂 直入射試樣表面，并將焦點(diǎn)聚焦到涂層/水界面位置，如圖3所示。采集此時(shí)從WC耐磨涂層試 樣反射回來的時(shí)域信號，如圖4。時(shí)域信號中可以觀察到底面縱波Pn、P 12與底面橫波Ptl、Pt2， 而且可以較容易將縱波與橫波在時(shí)域內(nèi)分開。
[0040] 步驟C、對底面縱波Pn、Pi2與底面橫波Ptl、Pt2分別加矩形窗處理并進(jìn)行頻譜分析， 獲得縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|Ri(f;d，V 21)|與橫波聲壓反射系數(shù)幅度譜|Rt(f;d，V2t)|，如 圖5。
[0041] 步驟d、利用權(quán)利要求中公式(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|辦出(1，￥21)|和理論計(jì)算得到的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|1? 1出(1，￥21)|*在-6(18 有效頻帶內(nèi)進(jìn)行雙參數(shù)反演。圖6給出了縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜iRKhcUsO |有效頻帶 內(nèi)數(shù)據(jù)以及反演結(jié)果。通過讀取圖6(b)和6(c)中相關(guān)系數(shù)ri(d，V21)最大值位置的坐標(biāo)，即可 確定出涂層厚度d和縱波聲速V21的最佳反演結(jié)果為288μηι和5140m/s。
[0042] 圖7(a)給出了 WC耐磨涂層試樣所有采集數(shù)據(jù)的反演厚度值d，厚度在255μπι~293μ m之間波動(dòng)，而且試樣右側(cè)涂層厚度略微大于左側(cè)涂層厚度。為了避免超聲測厚結(jié)果與金相 觀測結(jié)果由于位置不對應(yīng)導(dǎo)致的誤差，本文采用整個(gè)涂層的超聲測厚結(jié)果與圖7(b)所示的 SEM金相觀測厚度比較。結(jié)果可知超聲測厚結(jié)果與金相觀測結(jié)果的相對誤差在-9.3%~ 4.3%之間波動(dòng)。
[0043] 步驟e、結(jié)合步驟d反演的涂層厚度d，讀取步驟c中橫波聲壓反射系數(shù)幅度譜|Rt (f; d，V2t) |對應(yīng)的諧振頻率f 2t為12.875MHz。將其反演得到的厚度d帶入該公式(5)即可獲 WC耐磨涂層橫波聲速值V 2t = 3226m/s。圖8給出了 WC耐磨試樣所有采集數(shù)據(jù)的測量的縱波聲 速與橫波聲速。將步驟d與步驟e測量的WC耐磨涂層厚度d平均值、縱波聲速V2t平均值與橫波 聲速V 2t平均值以及其塊體材料密度14.3kg/m3代入公式(6)，計(jì)算該WC耐磨涂層的彈性模量 E為331GPa。
[0044] 步驟f、圖9為通過SEM分析技術(shù)獲取WC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)WC耐磨涂層試樣金相照片對應(yīng)的孔隙率p = 4.67%，依據(jù)孔隙率對 材料密度影響的公式P = P2 (ι-p)對步驟f計(jì)算的WC耐磨涂層彈性模量進(jìn)行修正，修正結(jié)果 為E = 315GPa。該測量結(jié)果與納米壓痕法測量的彈性模量300GPa的絕對誤差為5%。
【主權(quán)項(xiàng)】
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（I)、試樣 臺（2)、耐磨涂層試樣（3)、水浸聚焦探頭(4)、χ-γ-ζ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Po的聲時(shí)t和底面反射縱波?:對應(yīng)的聲時(shí)t 2,已知不銹鋼 試樣縱波聲速Vn與水的縱波聲速V3I，結(jié)合超聲縱波在不銹鋼試樣中的傳播時(shí)間t 12 = ， 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 多界而結(jié)構(gòu)時(shí)，得剞各界而應(yīng)射系教方趕，其中CijPas分別為界面處縱波和橫波的反射角，仇和&分別為界面處縱波和橫波的透射 角，k為對應(yīng)超聲波的波數(shù)，k = 2Jif/V，V為介質(zhì)的聲速，f為超聲波頻率，Ri、Rt與Ti、Tt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= [-cos〇i sinai kii(Ai+2yi)cos2ai -kiiyisin2ai] ' (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)辦、 反射橫波系數(shù)Rt、透射縱波系數(shù)Ti與透射橫波系數(shù)Tt; (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Ρη、Ρι 2以及涂層前、后 界面的反射橫波Ptl、Pt2;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：㈧其中下角標(biāo)1、2、3分別代表金屬基體、耐磨涂層和親合介質(zhì)水，d為耐磨涂層厚度，ri2、 r23為對應(yīng)界面的聲壓反射系數(shù)，分別表示 I對應(yīng)介質(zhì)的密 度； (d) 耦合介質(zhì)水的縱波聲速V3I和密度P3以及金屬基體的縱波聲速Vn和密度01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P 2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，V21) I僅是未知量涂層厚度d與涂層聲速V21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 21) I和理 論計(jì)算得到的縱波聲壓反射系數(shù)幅度譜|R(f;d，V21)|^E-6dB有效頻帶內(nèi)進(jìn)行雙參數(shù)反演；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 率值今別為有效頻帶內(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V21-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V21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URCASt 對應(yīng)的諧振頻率fnt的值：(S) 其中V2t為涂層的橫波聲速，η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V2t，將計(jì)算獲得的縱波聲速V21、橫波聲速V2t以及耐磨涂層密度P2帶入 彈性模量E計(jì)算公式(6)，即計(jì)算出涂層彈性模量；(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P = P2(I-P)對 耐磨涂層彈性模量進(jìn)行修正，修正結(jié)果為：(7)
【文檔編號】G01N29/07GK106017372SQ201610289698
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】林莉, 馬志遠(yuǎn), 張偉, 雷明凱
【申請人】大連理工大學(xué)