热障涂层结合强度的高阶非线性参数表征方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声无损检测技术和涂层结合强度领域，具体涉及热障涂层结合强度 的透射式纵波有限幅度方法，是一个利用多个非线性参数检测涂层的结合强度。 二、
【背景技术】
[0002] 热障涂层结合强度纵波高阶非线性参数表征方法是一种实时检测热障涂层结合 强度的超声无损检测技术。利用超声波传播过程中，声波与结合界面的相互作用，引起超声 波的散射或反射等现象，产生了谐波信号，使声波出现非线性。该方法在航空航天等领域都 有广泛的应用，如飞机发动机涡轮的疲劳损伤检测，汽车或火车的轮毂等疲劳损伤的检测， 以及轴和连接件等机械构件封的检测。
[0003] 热障涂层结合强度纵波高阶非线性参数表征方法使用频段为1MHZ-20MHZ的超声 波，检测接收信号基波幅值和高次谐波幅值、二阶非线性系数和三阶非线性系数等都随热 障涂层的结合强度变化而变化的趋势。
[0004] 近年来的研究表明，表面涂层的损伤及涂层与基体材料间的界面粘接状况与超声 信号的非线性效应密切相关。随着表面涂层内部及涂层与基体材料间的粘接界面损伤的产 生和演化，单一频率的超声波在传播时，由于材料的非线性将产生高频谐波，即2倍、3倍等 整数倍频率的高阶谐波。目前在非线性理论的应用上研究者多使用二阶经典非线性系数研 究声波非线性现象，在1755年，Euler提出了非线性声学的概念，Lagrange(1760)、Stokes (1848)和Rayleigh(1910)等研究了非线性声学理论。邓明晰利用兰姆波的非线性方法对层 状固体结构表面性质进行表征。郭怡利用二阶谐波技术对固体火箭发动机界面粘接质量进 行超声无损评价，税国双利用非线性超声对金属表面涂层损伤进行评价，仅少数研究者使 用三阶非线性系数，Koen E-A Van Den Abeele对弹性脉冲波在介质中传播的二阶非线性 和高阶非线性现象以及二阶非线性系数和高阶非线性系数对评估材料的早期损伤， M.Amura和阎红娟利用二阶和三阶非线性系数对金属材料的疲劳寿命进行评价，Gang Ren 等对测量过程中的超声的二阶和三阶非线性系数的关系进行分析。整体而言目前非线性超 声理论研究集中于非线性波动方程，而且非线性波动方程仅推导出二阶非线性系数，尚无 对高阶非线性系数的推导过程，尤其尚未发现使用三阶非线性超声波检测对涂层结合强度 进行表征的专利和文献，针对这个问题，提出了利用二阶非线性系数和三阶非线性系数同 时对涂层的结合强度进行评价，对涂层结合强度的研究具有很重要的意义。 三、
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种热障涂层结合强度的纵波高阶非线性表征方法，用于在线 检测热障涂层结合强度实验过程中高阶非线性超声参数变化趋势。
[0006] 本发明的热障涂层结合强度的纵波高阶非线性参数的表征方法包括:利用超声非 线性系统收发仪发射与接收超声波信号，利用透射式纵波有限幅度法原理将超声波入射到 热障涂层试件中，纵波与热障涂层和基体的结合界面处相互作用产生了高次谐波成分，利 用高次谐波幅值与二阶、三阶非线性超声系数检测与表征涂层结合强度的大小。 四、
【附图说明】
[0007] 图1涂层结合强度检测方法流程图；
[0008] 图2透射式纵波有限幅度法原理。 五、
【具体实施方式】
[0009] 图1为涂层结合强度非线性超声检测系统示意图，各部分为热障涂层试件，超声波 换能器，高功率超声收发仪，计算机，示波器。根据被测涂层与基体的厚度确定激励信号周 期数，频率和幅值等。将热障涂层安装在如图1中所在的位置，将换能器安装在图1换能器位 置，连接非线性超声检测系统。
[0010] 图2中当超声波在涂层与基体结合界面传播时，由原子力间势能的非简谐性引起 非线性连续体的一次应力与应变的关系可表示为：
[0011] σ=Ε(；β+ + ~ 2 3 (1.)
[0012] 式中，βη(η=1，2,3.....)为非线性系数。
[0013] 为了解释谐波的产生，假定入射波为一列单频超声纵波，声波透过试件后，在另一 端被接收换能器接收。如果忽略衰减，则一维波动方程为： c2u οσ
[0014] ρ- cr 〇x (2:)
[0015] 式中，P为介质密度，x为传播距离，t为时间，u为介质内位于x处质点的位移。联立 (1)、（2)式，利用质点位移与应变的关系，并且忽略（1)式中三阶以上的高阶项，得到一维非 线性超声波动方程 ，c'u d u n dii c'u n a1 a
[0016] c- · -- - - + fi - - + /^( -) - ·- dr ux^ ox dx^ ox ox^ (3)
[0017]式中，c为介质中的波速。
[0018] 利用摄动法来获得近似解。将u(x，t)展成一系列幂级数：
[0019] U(X，t) =U〇(X，t)+XUl(X，t)+ · · · +XnUn(X，t) (4)
[0020] 应用摄动法，并在解的过程中忽略阶数大于三的高阶小量，可以得到（3)的近似 解： β、 //(λ%i)- A cos(A:v - cot)--------k~A~x cos 2{A:v - cot)
[0021] βv + - ^3^x[gqs 3(fcx: -mt) + 3 eosffer -mt)] 24 (5；
[0022] 从式(5)中可以得到基波心与二次谐波、三次谐波的幅值：
[0023] Ai = A (6) 1 …
[0024] 8 (7)
[0025] /，C"/^T) 24 " C8)
[0026] 由式(7)可推得非线性系数fo为 8 /1
[0027] A=d κ χ 4 (9)
[0028] 式(8)可得非线性系数β2为 _ 24 .4,
[0029] Pi = ---τ- kxA' (10)
[0030] 热障涂层结合强度的不同会影响透射信号中二次、三次谐波的产生效率，且由式 (9)和（10)得到的非线性系数反映了超声波穿过材料及其结合界面时波形的畸变程度。因 此可将非线性超声检测技术应用于热障涂层结构界面结合强度的检测。
【主权项】
1. 一种涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表征方法，其特征在于:使用高频率超声 收发仪产生脉冲波串信号，激励中心频率为f的超声纵波换能器，使用中心频率为2f的超声 纵波换能器接收声波信号，绘制不同涂层的非线性参数与实际结合强度的关系曲线，用于 检测涂层的结合强度。2. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表征方法，其特征在于： 涂层的非线性主要由于原子力势能的非简谐性、晶粒错位、微细损伤(如：闭口裂纹、微观脱 层裂纹、伪结合、结合强度等）、接触界面以及析出相等。当超声波在涂层与基底两种不同介 质的结合处时传播时变化引起超声波的非线性，即接收信号中出现了高次谐波的成分，因 此可利用超声非线性参数表征涂层结合强度的大小。3. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表示方法，其特征在于： 利用高频率超声收发仪发射与接收信号，以脉冲串为激励信号，脉冲串的数量与声波在被 测拆料中的传播距离和速度有关。4. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表示方法，其特征在于： 利用超声波脉冲信号串在涂层与基底结合界面传播中产生的波形畸变获得非线性系数，对 涂层的结合强度的非线性超声效应采用透射式纵波有限幅度法。5. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表征方法，其特征在于： 对接收声波信号进行频谱分析，获取接收信号的基波和高阶谐波幅值，计算高次谐波与基 波的幅值比和二阶、三阶非线性系数。6. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表征方法，其特征在于： 利用拉伸试验机对试件进行拉伸实验，每次间隔固定拉伸应力后使用非线性超声系统检测 涂层的结合强度状态，获取高次谐波与基波幅值比、二阶非线性系数和三阶非线性系数随 涂层结合强度的变化趋势。7. 根据权利要求1所述的涂层结合强度的纵波高阶非线性参数表征方法，其特征在于： 利用二阶非线性系数和三阶非线性系数随涂层结合强度的变化趋势，对非线性系数与结合 强度进行数据拟合，得到拟合函数，在无损检测的条件下当测得非线性系数就能够对结合 强度进行定量估计。
【专利摘要】本发明的目的是提供一种涂层结合强度的透射式纵波高阶非线性参数表征方法，用于检测涂层的结合强度，在航空航天等领域具有广泛的应用。本发明的涂层结合强度透射式纵波高阶非线性参数表征方法包括：根据透射式纵波的传播距离与被测材料声速确定激励信号的参数。高功率超声收发仪发射脉冲串信号，利用透射式纵波入射到热障涂层中，纵波与涂层与基体的结合界面处相互作用，产生高次谐波信号。实验过程中，记录涂层在不同状态下的非线性参数，与标准曲线比对，预测涂层的结合强度。
【IPC分类】G01N29/12
【公开号】CN105548364
【申请号】CN201510916595
【发明人】徐春广, 朱延玲, 肖定国, 潘勤学, 蔡海潮, 杨超, 张秀华
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月10日