高性能非均質(zhì)涂層超聲反射散射機理及其表征方法研究.pdf

1、航空及核電領域大量應用的高性能涂層，如熱障涂層、耐磨涂層等，由制備工藝決定，涂層內(nèi)部隨機分布一定數(shù)量的微孔隙、微裂紋，導致涂層物理及力學性能等存在明顯的隨機性和非均勻性，利用無損檢測方法對涂層非均勻程度、彈性模量、界面粗糙度等特性進行測量和表征是航空及核電領域的迫切需求。闡明涂層宏觀多界面結(jié)構(gòu)超聲波反射規(guī)律和涂層微細觀組織結(jié)構(gòu)導致的超聲散射衰減機制，進而建立非均勻涂層特性參數(shù)與超聲波特征參量之間的關系，是解決該問題的核心所在。對于非均勻

2、涂層，除了涂層較薄帶來的界面反射回波混疊、超聲波特征參量提取困難外，形貌復雜隨機分布的氣相（微孔隙、微裂紋）與固相顆粒交織混雜，導致涂層密度、彈性模量及泊松比等物理力學參數(shù)波動起伏，超聲波散射行為復雜，頻散程度嚴重，表現(xiàn)在混疊波形畸變明顯，頻譜變化多樣，檢測信噪比低，進一步增加了超聲波特征參量的提取難度。本文綜合應用聲波散射自洽理論、相屏近似理論及波型轉(zhuǎn)換原理，分析涂層多界面結(jié)構(gòu)超聲反射回波特征及涂層非均勻性引起的超聲波散射行為，創(chuàng)建了

3、非均勻涂層聲壓反射系數(shù)幅度譜(Ultrasonic Reflection Coefficient Amplitude Spectrum，URCAS)表達式，首次將URCAS的諧振頻率、極值相位、極值幅值等超聲參量與厚度、粗糙度、彈性模量及孔隙率等涂層特性參數(shù)之間建立函數(shù)關系?；谏鲜隼碚摶A，將實驗測試與數(shù)值計算相結(jié)合，借助互相關分析參數(shù)反演法提取特征參量，提出了針對高性能非均勻涂層特性的超聲無損表征方法。主要研究內(nèi)容如下:
　　

4、(1)分析了非均勻涂層中微孔隙、微裂紋引起的超聲波多重散射行為及散射規(guī)律，基于創(chuàng)建的URCAS，提出了利用諧振頻率偏移系數(shù)表征涂層非均勻程度的方法。采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀測電子束物理氣相沉積法制備的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2-7wt.％ Y2O3，7YSZ)熱障涂層截面形貌，建立孔隙率為0～25.12％的多組7YSZ涂層模型，利用有限元模擬分析孔隙率對諧振頻率偏移系數(shù)

5、γ的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，γ隨孔隙率的增加而減小。采用超聲顯微鏡系統(tǒng)及50 MHz水浸聚焦探頭對涂層試樣進行測量，基于URCAS提取諧振頻率偏移系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層整個區(qū)域的γ在0.88～0.98之間波動，且γ隨孔隙率增加而減小，間接表明采用超聲方法能夠表征非均勻涂層中孔隙的存在以及孔隙率差異。
　　(2)非均勻涂層聲速未知且存在波動，小尺寸涂層樣件幾何空間有限，由此導致涂層彈性模量與泊松比測量困難，基于創(chuàng)建的URCAS，提出了采用單探頭

6、小角度斜入射波型轉(zhuǎn)換原理測量非均勻涂層彈性模量、泊松比與厚度的技術(shù)。采用超聲波水浸聚焦系統(tǒng)、30 MHz點聚焦探頭檢測超音速火焰噴涂制備的WC-Ni耐磨涂層。結(jié)果顯示:以30°、45°、60°與90°方位角噴涂的4組WC-Ni涂層，SEM觀測涂層厚度200～400μm，孔隙率4.67％、1.76％、0.92％和0.19％;超聲測量30°方位角涂層厚度255～293μm，相對誤差為-9.3％～4.3％，4組涂層彈性模量分別為315 GPa

7、、321 GPa、339 GPa和351 GPa，泊松比范圍為0.221～0.245。結(jié)合SEM觀測結(jié)果分析認為，隨著噴涂方位角的增加，涂層孔隙率降低、致密度提高，彈性模量增大。
　　(3)為了解決非均勻涂層內(nèi)界面粗糙度測量問題，基于相屏近似理論推導出含粗糙界面非均勻涂層聲壓反射系數(shù)幅度譜(R-URCAS)，提出通過解耦R-URCAS并采用互相關分析雙參數(shù)反演表征涂層內(nèi)界面粗糙度的技術(shù)。利用數(shù)值計算方法討論了超聲波波長、涂層形狀誤

8、差及非均勻程度對粗糙度測量的影響。實驗采用超聲波水浸聚焦系統(tǒng)、20 MHz點聚焦探頭，對粗糙度范圍為4.2～28.6μm的四組標準粗糙度對比試樣以及未知粗糙度的WC-Ni涂層試樣進行超聲檢測。粗糙度測量結(jié)果顯示:與激光共聚焦顯微鏡結(jié)果對比，標準粗糙度對比試樣超聲測量結(jié)果相對誤差小于8.2％; WC-Ni涂層試樣粗糙度超聲測量結(jié)果與金相統(tǒng)計結(jié)果之間相對誤差小于11.0％。
　　(4)針對熱障涂層與粘結(jié)層界面之間氧化后形成的微米量級異

9、質(zhì)相的表征問題，從理論上分析了涂層多界面結(jié)構(gòu)相鄰介質(zhì)聲阻抗匹配對混疊信號頻譜的影響規(guī)律，提出了基于URCAS極值變化規(guī)律表征異質(zhì)相存在的技術(shù)。實驗中采用超聲波水浸聚焦系統(tǒng)、20MHz點聚焦探頭，檢測7YSZ熱障涂層氧化后涂層與粘結(jié)層界面熱生長氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)的存在。實驗結(jié)果表明:由于氧化后在涂層/粘結(jié)層界面生成了主要成分為Al2O3的TGO，涂層相鄰介質(zhì)聲阻抗匹配關系改變，使得氧化前后涂層的U