一种涂层结合强度的超声导波检测方法与流程

本发明涉及涂层结合强度的无损检测技术领域，具体而言，涉及一种涂层结合强度的超声导波检测方法。

背景技术：

涂层技术是现代材料表面强化处理技术中的一种重要技术，广泛应用于航天航空、兵器、动力设备、运输设备的发动机等制造和修复方面。

涂层与基体材料之间良好的结合(高结合强度)是涂层发挥功能的最重要的前提条件。通常采用压痕法、涨形法、扭转法、拉伸、弯曲等机械方法测定涂层与基体界面结合强度，但是会对材料本身产生一定破坏。对于无法破坏取样、在役设备涂层结合强度的无损检测方法有渗透检测、超声纵波检测等。渗透检验方法只能检验结合面侧面的结合情况，对内部肉眼不可见部分的结合状况则无法检验。

目前涂层结合强度的超声无损检测方法依据的标准为gb/t38898-2020《无损检测涂层结合强度超声检测方法。该标准依据的基本原理是：采用超声纵波，对于涂层结合完好的状态，超声波完全穿透涂层结合界面进入基体后，基体底波反射回波能量大，结合界面能量反射率低、透射率高；对于涂层完全脱落或未结合的状态，超声波能量被涂层脱粘界面完全反射而形成涂层底面反射回波，结合界面能量反射率高、透射率低；对于涂层结合不够好或弱结合的状态，涂层与基体界面都存在一定程度的反射回波和透射回波，超声波能量透射率越高、结合状态越好、结合强度越高，反之亦然；因此，对涂层回波、基体回波和结合界面回波的幅值或能量检测，便可获得涂层结合状态。涂层结构及超声脉冲信号传播过程如图1。

假设超声纵波扫查时的反射系数为0或最小值，透射系数为1或最大值，则说明在超声束对应点为的涂层和粘接层界面完全粘接，超声信号能量出现全透射，此时对应的点结合强度为1或最大值。

假设超声纵波扫查时的反射系数为1或最大值，透射系数为0或最小值，则说明在超声束对应点为的涂层和粘接层界面完全脱粘，超声信号能量出现全反射，此时对应的点结合强度为0或最小值。

由上可以看出，该方法的核心技术是利用超声纵波技术，采用脉冲反射回波法或透射法，测得粘结层超声反射法结合强度系数，或超声透射法结合强度系数，建立和标准试样的当量结合强度值的关系，计算出涂层的结合强度。

该方法的优点是可以对被件材料的涂层结合强度可以进行较快检测，并且不对被件材料造成破坏或损伤。但采用常规超声纵波法存在以下难点：

第一、由于涂层和粘结层相对于基体的厚度很薄，涂层厚度有可能在超声换能器的近场区内，超声纵波在此范围内传播存在声压极大、极小值，不能在超声波检测仪上对反射体做出有规律的反映。常规超声换能器探伤存在始波占宽大、盲区大、难以识别近距离缺陷等问题，所以采用普通的超声换能器不能满足对极薄的涂层检查的要求。

第二、为获得更高的涂层结合强度状态检测分辨率，需尽可能选用高频超声聚焦超声换能器。但是，频率越高、衰减越大，无论采用脉冲反射回波法或透射法，如果基体的厚度较厚，则超声波在基体中散射的能量过大，会极大影响超声波能量在涂层、粘结层处反射、透射能量的占比，进而会影响检测分辨率，因此频率选用也不能过高；采用聚焦探头也存在无法兼顾涂层、粘结层处界面回波与基体界面回波灵敏度的难题。

第三、如果涂层、粘结层与基体的声阻抗相差较大，在不同材料的结合面上不论结合优劣均会出现界面回波，从而给结合强度的判断带来困难。

第四、为了从能量上表述涂层结合强度，现有超声检测方法需要已知耦合介质声速和声程、涂层声速和厚度、粘接层声速和厚度、以及基体声速和厚度等条件(制备标准试样)，在准确获得超声全时域波形的基础上，对指定时间长度窗内结合层的反射或透射超声能量进行求和。需要已知条件较多，数据选取较困难。

第五、特别的，如果基体为透声性差、衰减系数大的粗晶等材料，由于传播能量大部分耗散在基体内部，基于脉冲反射回波法或透射法的超声纵波检测法可能无法实施。

即使目前使用了双晶聚焦探头、加延时楔块等技术对上述缺点加以克服，但是，由于该方法使用的是原理是基于超声纵波法，超声纵波在涂层、粘结层与基体的界面、涂层与延时楔块的界面的每次反射回波都会进入检测系统，这可能导致有效回波信号湮没在无用的杂波信号里，对检测结果的判断造成了很大的干扰。

因此，有必要发明一种新型检测方法，通过超声导波检测涂层结合强度的方法，可克服现有超声纵波检测法的近场盲区大、结合面杂波信号多、检测分辨率低、基体透声性影响大等固有缺点，以提高检测结果的准确度。

技术实现要素：

针对现有检测方法存在的不足，本发明提供了一种涂层结合强度的超声导波检测方法，该方法简单、操作方便，通过超声导波技术来实现对涂层结合强度的检测，可克服现有超声纵波检测法的近场盲区大、结合面杂波信号多、检测分辨率低、基体附加影响大等固有缺点，以提高检测结果的准确度。

本发明采用以下的技术方案：

一种涂层结合强度的超声导波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作超声导波检测用十级正方形粘接试样；

十级正方形粘接试样包括0～9级正方形粘接试样，0级正方形粘接试样表示完整的涂层下表面未粘合任何基体，1～8级正方形粘接试样表示完整的涂层的下表面粘合基体的区域面积不断增加，9级正方形粘接试样表示完整的涂层的下表面完全粘合了基体；

步骤2：搭设专用的超声导波涂层结合强度检测系统；

超声导波涂层结合强度检测系统包括多通道超声导波检测仪和涂层超声导波检测专用探头，涂层超声导波检测专用探头与多通道超声导波检测仪电连接；

步骤3：计算十级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数；

利用超声导波涂层结合强度检测系统测试十级正方形粘接试样的导波的波幅值，通过导波的波幅值计算十级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数；

步骤4：对超声导波检测用十级正方形粘接试样进行涂层强度拉伸试验，计算出当量结合强度；

步骤5：对实际被检件进行超声导波检测，计算涂层结合强度值。

优选地，0～9级正方形粘接试样的涂层上均划分成3行3列的9小块区域，其中，0级正方形粘接试样的9小块区域中均未粘合基体，1级正方形粘接试样的第2行的中间小块区域与基体粘合，2级正方形粘接试样的第2行的左、右小块区域与基体粘合，3级正方形粘接试样的第2行的所有小块区域与基体粘合，4级正方形粘接试样的第1行的中间小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的中间小块区域均与基体粘合，5级正方形粘接试样的第1行的中间小块区域、第2行的所有小块区域、第3行的中间小块区域均与基体粘合，6级正方形粘接试样的第1行的左、中间小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的中间、右小块区域均与基体粘合，7级正方形粘接试样的第1行的左、中间小块区域，第2行的所有小块区域，第3行的中间、右小块区域均与基体粘合，8级正方形粘接试样的第1行的所有小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的所以小块区域均与基体粘合，9级正方形粘接试样的9小块区域中均与基体粘合。

优选地，所述基体和涂层的材料与实际被检件的基体和涂层的材料相同。

优选地，所述涂层超声导波检测专用探头包括探头主体，探头主体的底部设置有平面形楔块，探头主体和平面形楔块通过隔声层分为左侧发射部分和右侧接收部分，左侧发射部分中倾斜的设置有发射压电晶片，右侧接收部分中倾斜的设置有接收压电晶片，所述探头主体的顶部设置有发射信号接口和接收信号接口，发射压电晶片与发射信号接口电连接，接收压电晶片与接收信号接口电连接，发射信号接口和接收信号接口均与多通道超声导波检测仪电连接。

优选地，所述发射压电晶片和接收压电晶片上均设置有阻尼块。

优选地，所述探头主体是由吸声材料制成的。

优选地，所述发射信号接口和接收信号接口均通过电缆线与多通道超声导波检测仪电连接。

优选地，步骤3具体包括：

将涂层超声导波检测专用探头放置在0级正方形粘接试样上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在0级正方形粘接试样内多次反射以超声导波模式传播，由于导波能量没有透射损失，超声导波传播能量损耗最少，接收压电晶片接收的导波声能波幅值最大，调节多通道超声导波检测仪，将波幅调节至满屏高度，记录接收到的导波的波幅值，记为h0；

将涂层超声导波检测专用探头放置在9级正方形粘接试样上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在9级正方形粘接试样内多次反射以超声导波模式传播，由于涂层与基体完全粘结，且传播过程中经多次反射，绝大部分导波能量经粘结层透射入基体内部，此时传播能量损耗最大，接收压电晶片接收的声能波幅值最小，记录接收到的导波的波幅值，记为h9；

再分别将涂层超声导波检测专用探头放置在1～8级正方形粘接试样上，测得接收到的导波的波幅值，分别记为h1～h8；

则0级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数kd0为：

kd0＝h0/h9；

9级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数kd9为

kd9＝h9/h9；

同样的，能够求出kd1～kd8。

优选地，步骤4具体包括：

将0～9级正方形粘接试样分别置于拉力试验机上，利用拉力试验机分别对0～9级正方形粘接试样进行拉力试验，测试出破坏涂层与基体之间粘合所需要的拉力，计算得出0～9级正方形粘接试样分别对应的当量结合强度σth0～σth9。

优选地，步骤5具体包括：

将涂层超声导波检测专用探头放置在实际被检件上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在实际被检件内多次反射以超声导波模式传播后到达接收压电晶片，记录接收到的导波的波幅值，记为hs；

则实际被检件的超声导波法结合强度系数kds为：

kds＝hs/h9；

根据得到的kds的值获取到对应的正方形粘接试样的等级，在根据对应的正方形粘接试样的等级获得对应的当量结合强度σth；

则实际被检件的涂层结合强度σ为：

σ＝σth×(1-kds)。

本发明具有的有益效果是：

本发明借助开发的涂层超声导波检测专用探头及级正方形粘接试样，搭设专用超声导波涂层结合强度检测系统，建立了超声导波传播声能波幅与涂层与基体结合强度的对应关系，对涂层进行强度拉伸试验确定了当量结合强度，开发了超声导波法结合强度系数计算公式和涂层结合强度计算公式，利用开发的公式实现了对实际被检件涂层结合强度值的计算。

本发明开发的专用涂层超声导波检测专用探头，采用一发一收压电晶片，发射晶片发射出的超声导波在涂层两侧平行边界上产生多次的来回反射后进入接收晶片。

本发明开发的超声导波检测用十级正方形粘接试样，可以通过调节试块涂层的结合状态实现涂层结合强度级别的划分，具有评定准确的优点。

采用超声导波检测涂层结合强度的方法，可克服现有超声纵波检测法的近场盲区大、结合面杂波信号多、检测分辨率低、基体透声性影响大等固有缺点，可对结合涂层强度拉伸试验检测结果进行数值量化，进而实现对被件件涂层与基体结合强度的分级评定。

采用超声导波检测涂层结合强度的方法，检测过程成本低，无需辅助设备或者相关材料的破坏性评估，对评价在役、在制被检件涂层结合质量监控具有非常积极的作用。

本发明得到的计算公式直观，数值明了，具有检测效率高、计算数据准的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为涂层结构及超声脉冲信号传播过程图。

图2为涂层超声导波检测专用探头的示意图。

图3为0级正方形粘接试样的示意图。

图4为1级正方形粘接试样的示意图。

图5为2级正方形粘接试样的示意图。

图6为3级正方形粘接试样的示意图。

图7为4级正方形粘接试样的示意图。

图8为5级正方形粘接试样的示意图。

图9为6级正方形粘接试样的示意图。

图10为7级正方形粘接试样的示意图。

图11为8级正方形粘接试样的示意图。

图12为9级正方形粘接试样的示意图。

图13为正方形粘接试样的侧视图。

图14为超声导波涂层结合强度检测系统应用的示意图。

1.涂层；2.基体；3.粘结层；4.探头主体；5.平面形楔块；6.隔声层；7.发射压电晶片；8.接收压电晶片；9.发射信号接口；10.接收信号接口；11.阻尼块；12.电缆线；13.多通道超声导波检测仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

超声导波是一种由于介质边界存在而产生的机械波，可在有边界的介质内如容器、管道、平板、棒等传播，传播方向平行于介质的边界面。当超声导波入射进板状工件内后，工件内的纵波、横波将会在两侧平行的边界上产生多次的来回反射而沿平行于板面方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播，导波的声场遍及整个壁厚。

由于它的传播受制于介质的几何边界形状，因此定义为导波。在平板中，导波以兰姆波、平面剪波sh两种波形存在。导波具有频散特性，传声介质的材料特性、几何形状和尺寸大小对导波有着直接的影响。

由上可知，在平板中，超声导波只能在有平行边界面的介质内传播；超声导波沿平行于板面方向行进时，将会在两侧平行的边界上产生多次的来回反射。我们可以利用超声导波的这两个特性，将实际被检件的涂层看作为超声导波传播的平板，其工作面/粘合面作为平行的两个边界面；如果涂层单独存在(即涂层和粘接层界面完全脱粘)，则超声导波在涂层工作面/粘合面的平行界面内可以正常行进传播能量；如果涂层与粘结层、基体完全粘接，则可视为超声导波传播的平行界面有一侧(粘合面)被破坏，超声导波大部分能量通过粘结层透射进入钢质基体，少部分能量在涂层内继续在平行界面内传播。随着超声导波沿平行于板面方向继续前进，经过在涂层内多次的透射与反射，超声导波能量衰减直至无法检出。由此得出：

假设超声导波扫查时的导波能量传播系数为1或最大值，损耗系数为0或最小值，则说明在超声束对应点为的涂层和粘接层界面完全脱粘，超声导波接收信号能量出现最大值，此时对应的涂层点结合强度为0或最小值。

假设超声导波扫查时的导波能量传播系数为0或最小值，损耗系数为1或最大值，则说明在超声束对应点为的涂层和粘接层界面完全粘结，超声导波接收信号能量出现最小值，此时对应的涂层点结合强度为1或最大值。

结合图2至图14，一种涂层结合强度的超声导波检测方法，包括以下步骤：

步骤1：制作超声导波检测用十级正方形粘接试样。

十级正方形粘接试样包括0～9级正方形粘接试样，0级正方形粘接试样表示完整的涂层1下表面未粘合任何基体2，1～8级正方形粘接试样表示完整的涂层的下表面粘合基体的区域面积不断增加，9级正方形粘接试样表示完整的涂层的下表面完全粘合了基体。

为了与现行标准对照统一，超声导波检测用十级正方形粘接试样可参照gb/t38898-2020规定的十级正方形标准试样。但与标准试样不同的是：标准试样是在完整的基体上粘合不同区域面积的涂层，而超声导波检测用十级正方形粘接试样是在完整的涂层材料上粘合不同区域面积的基体。

选用与实际应用相同类型的材料作为试样的底材，底材的粘合面平整且无变形，底材的非粘合表面无要求，因选用超声导波技术而非透射或反射的超声纵波技术，因此对试样的底材厚度不要求与待检测的试样相同。

基体2和涂层1的材料与实际被检件的基体和涂层的材料相同。根据gb/t38898-2020附录b规定的不同等级标准拉伸试样的结合模式，将粘接体系均匀涂于超声导波检测用十级正方形粘接试样中。实际应用材料的粘结层3与制作的标准拉伸试样的粘结层厚度、材质均相同。

具体的，0～9级正方形粘接试样的涂层上均划分成3行3列的9小块区域。

其中，0级正方形粘接试样的9小块区域中均未粘合基体，如图3。

1级正方形粘接试样的第2行的中间小块区域与基体粘合，如图4中黑色区域。

2级正方形粘接试样的第2行的左、右小块区域与基体粘合，如图5中黑色区域。

3级正方形粘接试样的第2行的所有小块区域与基体粘合，如图6中黑色区域。

4级正方形粘接试样的第1行的中间小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的中间小块区域均与基体粘合，如图7中黑色区域。

5级正方形粘接试样的第1行的中间小块区域、第2行的所有小块区域、第3行的中间小块区域均与基体粘合，如图8中黑色区域。

6级正方形粘接试样的第1行的左、中间小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的中间、右小块区域均与基体粘合，如图9中黑色区域。

7级正方形粘接试样的第1行的左、中间小块区域，第2行的所有小块区域，第3行的中间、右小块区域均与基体粘合，如图10中黑色区域。

8级正方形粘接试样的第1行的所有小块区域，第2行的左、右小块区域，第3行的所以小块区域均与基体粘合，如图11中黑色区域。

9级正方形粘接试样的9小块区域中均与基体粘合，如图12中黑色区域。

步骤2：搭设专用的超声导波涂层结合强度检测系统。

超声导波涂层结合强度检测系统包括多通道超声导波检测仪13和涂层超声导波检测专用探头，涂层超声导波检测专用探头与多通道超声导波检测仪电连接。

涂层超声导波检测专用探头包括探头主体4，探头主体的底部设置有平面形楔块5，探头主体和平面形楔块通过隔声层6分为左侧发射部分和右侧接收部分，左侧发射部分中倾斜的设置有发射压电晶片7，右侧接收部分中倾斜的设置有接收压电晶片8，所述探头主体的顶部设置有发射信号接口9和接收信号接口10，发射压电晶片与发射信号接口电连接，接收压电晶片与接收信号接口电连接，发射信号接口和接收信号接口均与多通道超声导波检测仪电连接。

具体的，发射压电晶片和接收压电晶片上均设置有阻尼块11。

探头主体是由吸声材料制成的。

发射信号接口和接收信号接口均通过电缆线12与多通道超声导波检测仪电连接。

步骤3：计算十级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数。

利用超声导波涂层结合强度检测系统测试十级正方形粘接试样的导波的波幅值，通过导波的波幅值计算十级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数。

步骤3具体包括：

将涂层超声导波检测专用探头放置在0级正方形粘接试样上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在0级正方形粘接试样内多次反射以超声导波模式传播，由于导波能量没有透射损失，超声导波传播能量损耗最少，接收压电晶片接收的导波声能波幅值最大，调节多通道超声导波检测仪，将波幅调节至满屏高度(100％)，记录接收到的导波的波幅值，记为h0(单位db)；

将涂层超声导波检测专用探头放置在9级正方形粘接试样上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在9级正方形粘接试样内多次反射以超声导波模式传播，由于涂层与基体完全粘结，且传播过程中经多次反射，绝大部分导波能量经粘结层透射入基体内部，此时传播能量损耗最大，接收压电晶片接收的声能波幅值最小，记录接收到的导波的波幅值，记为h9。接收导波的波幅值h9不应大于满屏高度的10％，即接收导波波幅能量值等同于草波，则该专用导波探头及仪器组成的检测系统满足要求。

再分别将涂层超声导波检测专用探头放置在1～8级正方形粘接试样上，测得接收到的导波的波幅值，分别记为h1～h8；

则0级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数kd0为：

kd0＝h0/h9；

9级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数kd9为

kd9＝h9/h9；

同样的，能够求出kd1～kd8。

步骤4：对超声导波检测用十级正方形粘接试样进行涂层强度拉伸试验，计算出当量结合强度。

步骤4具体包括：

将0～9级正方形粘接试样分别置于拉力试验机上，利用拉力试验机分别对0～9级正方形粘接试样进行拉力试验，测试出破坏涂层与基体之间粘合所需要的拉力，计算得出0～9级正方形粘接试样分别对应的当量结合强度σth0～σth9。

为使拉力能均匀地作用于超声导波检测用十级正方形粘接试样的粘接面积上而没有任何扭曲动作，应在与试样粘接平面垂直的方向上施加拉伸应力，准确得出破坏粘接试样所需的拉力。

涂层强度拉伸试验装置可参考gb/t38898-2020附录a。

步骤5：对实际被检件进行超声导波检测，计算涂层结合强度值。

步骤5具体包括：

将涂层超声导波检测专用探头放置在实际被检件上，启动多通道超声导波检测仪，超声波由发射压电晶片发出，在实际被检件内多次反射以超声导波模式传播后到达接收压电晶片，记录接收到的导波的波幅值，记为hs；

则实际被检件的超声导波法结合强度系数kds为：

kds＝hs/h9；

根据得到的kds的值获取到对应的正方形粘接试样的等级，在根据对应的正方形粘接试样的等级获得对应的当量结合强度σth；

则实际被检件的涂层结合强度σ为：

σ＝σth×(1-kds)。

在一个实施例中，获得的实际被检件的超声导波法结合强度系数kds与6级正方形粘接试样的超声导波法结合强度系数kd6相同，则获取到6级正方形粘接试样的当量结合强度为σth6，那么实际被检件的涂层结合强度σ为：

σ＝σth6×(1-kds)。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。