陶瓷涂層厚度的水浸超聲諧振測量

李永杰，韓贊東

(清華大學 先進成形制造教育部重點實驗室 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

陶瓷涂層厚度的水浸超聲諧振測量

李永杰，韓贊東

(清華大學 先進成形制造教育部重點實驗室 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

采用水浸超聲諧振方法，結合全相位頻譜分析技術，對304不銹鋼基體上的厚度在1 mm以下的氧化鋁陶瓷涂層的厚度進行測量。結果表明：基于全相位頻譜分析技術的水浸超聲諧振方法測得的涂層厚度與實際厚度的相對誤差小于2%，可以較為精確地實現對氧化鋁涂層厚度測量。

陶瓷涂層；厚度測量；超聲諧振；全相位技術

金屬材料具有較好的強度、韌性、硬度、塑性、疲勞強度等性能，被廣泛應用于生產中。陶瓷材料在耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能方面顯著優于金屬材料。在金屬基體上涂覆陶瓷材料，可以充分發揮陶瓷材料的特點，與金屬材料起到優勢互補的作用[1-2]。比如發動機葉片上的熱障涂層，就是在金屬葉片上涂覆一層非金屬陶瓷材料，以起到阻礙熱量向葉片傳導的作用。

涂層的厚度是涂層質量的重要指標，以熱障涂層為例，航空發動機葉片對涂層厚度的精度要求很高，厚度偏薄會導致葉片隔熱效果降低，厚度不均勻會導致葉片受熱不平衡，產生熱應力[3-5]。此外，位于熱障涂層與基體之間的黏接層的厚度對陶瓷層的黏接質量有很大的影響。

涂層厚度檢測包括電磁檢測[6]、微波檢測[7]、超聲檢測[8-12]等方法。超聲檢測因具有靈敏度高、穿透能力強、檢測范圍廣等優點而被廣泛應用。國內外許多大學和研究機構對涂層質量的超聲檢測進行了研究。廖歡[8]等利用超聲水浸聚焦檢測法，通過對接收到的信號進行傅里葉分析，推導出涂層厚度與頻譜特征量的關系，用于涂層厚度的檢測；孫穎[9]等利用有限元仿真和試驗的方法對波包分解技術進行了研究，并將其應用于熱障涂層陶瓷層厚度檢測中；鄭金華[10]等結合頻譜分析法、WTMM(小波變換模極大值)分析法和 Lipschitz指數法檢測信號奇異性的原理，提出了三種熱障涂層陶瓷厚度檢測的方法，并取得了較好的檢測效果；趙揚[11]等利用聲壓反射系數幅度譜，測量了聚氯乙烯基體上鋁質涂層的厚度，揭示了介質聲阻抗與頻譜的關系；林祺[12]等提出了一種基于Welch功率譜估計技術的涂層厚度檢測方法，相對于傳統傅里葉變換，Welch功率譜更容易實現厚度的檢測。

以上文獻中均用到了頻譜分析，尤其是傅里葉變換。筆者在傳統傅里葉變換的基礎上，結合全相位分析技術對信號進行分析，得到了準確的頻譜信息。全相位頻譜分析技術是為了減小由于數據截取造成的傅里葉變換頻譜泄漏而提出的譜分析方法。相對于傳統的離散傅里葉變換頻譜分析方法，全相位頻譜分析技術可以有效抑制頻譜中的旁瓣信號，減少頻譜泄漏。

筆者采用水浸超聲檢測方法，利用水作為超聲從激勵源到試樣的傳播介質和耦合劑，對304不銹鋼上的氧化鋁陶瓷涂層的厚度進行檢測。檢測結果表明：基于全相位頻譜分析技術的超聲諧振方法測得的涂層厚度與實際厚度的相對誤差小于2%，可以較為精確地實現對氧化鋁涂層厚度的測量。

1 基本原理

水浸超聲檢測原理如圖1所示(H為探頭距離試樣上表面的距離，d1為涂層的厚度，c1為水中的聲速，c2為涂層中的聲速，c3為黏接劑中的聲速)，采用直入射自發自收方式對涂層試樣進行檢測。超聲探頭接收到的信號是涂層上表面的反射波與聲波透射到涂層后得到的多次反射信號的疊加。

圖1 水浸超聲檢測原理示意

由于超聲波在涂層上表面的反射信號ur1(t)幅值較大，若對整個波形進行傅里葉分析，則其幅值譜將被ur1(t)的幅值譜覆蓋，且ur1(t)不包含涂層厚度信息，因此實際分析中，將ur1(t)排除在分析范圍之外，即取:

(1)

利用傅里葉變換的線性，可以得到接收探頭接收到的反射波疊加信號:

(2)

式中：rmn為從介質m到介質n的聲壓反射系數；ω為角頻率。

R(ω)的幅值與相位分別為:

(3)

(4)

(5)

此即為超聲波在涂層中的諧振頻率。利用上式，可以得到氧化鋁陶瓷片厚度的計算公式：

(6)

式中：Δf為頻譜中兩相鄰極大值的頻率間隔。

由于傅里葉變換所用的數據是截取自示波器采集數據的某一段數據點，在進行傅里葉變換時會產生頻譜泄漏等問題。天津大學的王兆華教授等[13-16]提出的全相位DFT(離散傅里葉變換)頻譜分析方法，可以有效地抑制旁瓣泄漏，減小截斷造成的頻譜分析誤差。

傳統頻譜分析是截取連續數據點x(0),x(1),…,x(N-1)作DFT實現的，而全相位DFT的分析對象則是包含x(0)的N組數據分段：

將式(7)的分段xn(n=0,1,…,N-1)中的數據點循環左移，使得每個分段中的x(0)位于最左側，得到新的分段，稱為全相位分段：

(8)

對式(8)中的全相位分段分別進行FFT頻譜分析，將分析的結果進行加權求和，即可得到全相位譜分析的結果。

2 試驗過程

2.1 試樣制備

試樣采用304不銹鋼作為金屬基體，氧化鋁陶瓷片作為涂層，氰基丙烯酸酯作為黏接劑。陶瓷片厚度分別為0.25，0.35，0.50，0.67，0.77 mm，分別進行超聲諧振厚度測量。如圖2為涂層厚度檢測試樣外觀。

圖2 涂層厚度檢測試樣外觀

超聲波激勵信號為方波信號，采用水浸超聲檢測方式，水浸超聲檢測系統如圖3所示，水浸超聲檢測試樣各層結構材料的聲學參數見表1。

圖3 水浸超聲檢測系統外觀

各層聲速/(×103m·s-1)密度/(×103kg·m-3)聲阻抗/(×106kg·m-2·s-1)水1．51．01．5陶瓷9．954．039．8黏接劑2．41．22．9基體5．727．945．2

水浸超聲檢測系統如圖3所示，超聲激勵裝置為OLYMPUS 5077，超聲信號采集裝置為Tektronix示波器。示波器采集的時域信號經過計算機處理得到頻域信號，用于后續的厚度計算及黏接質量評估。

2.2 厚度檢測

使用如圖3所示的檢測系統，為了增加薄層檢測的靈敏度，使用15 MHz的水浸超聲探頭作為超聲發射源，探頭中心頻率的實測值為17.27 MHz。水浸超聲厚度檢測中，不同厚度的氧化鋁陶瓷涂層的波形信號基本類似。厚度為0.5 mm的涂層的超聲時域信號如圖4所示。

圖4 厚度0.5 mm涂層的超聲時域信號

圖4中，區域Ⅰ主要是氧化鋁陶瓷涂層的上表面回波，區域Ⅱ是超聲波在涂層中若干次反射后被超聲探頭接收到的信號。區域Ⅱ的信號包含涂層厚度的信息，而區域Ⅰ的信號對于厚度檢測沒有貢獻，且由于其幅值較大，對于后續數據處理的結果有很大的干擾，因此在實際的數據處理中僅對區域Ⅱ的信號進行分析。

圖5 0.5 mm厚涂層的超聲信號的歸一化頻譜

3 結果與分析

圖5(a),(b)為厚度0.5mm的涂層頻譜，可以明顯看出在10,20,30MHz附近有三個峰值。此外，在17MHz附近有一個峰值，這是探頭的中心頻率造成的峰值。圖5(c)，(d)是厚度0.5mm涂層的回波信號加入幅值為0.25的白噪聲之后的頻譜，圖5(c)中頻譜是采用APSA方法得到的，可以明顯看出上述三個峰值，而圖5(d)中除了20MHz附近的峰值外，其余兩個峰值不明顯。比較圖5(a)，(b)可以看出，全相位頻譜分析方法得到的頻譜相對于傳統傅里葉變換得到的頻譜，旁瓣抑制較為明顯。比較圖5(c)，(d)可以看出，全相位頻譜分析方法相對于傳統傅里葉變換得到的頻譜擁有更高的信噪比，峰值位置更加明顯，更有利于涂層厚度的檢測。

筆者使用全相位頻譜分析得到的頻譜峰值信息，利用式(6)對不同厚度的陶瓷涂層進行厚度計算，結果列于表2。

表2 陶瓷涂層厚度計算值

從表2可以看出，陶瓷涂層厚度的計算結果與實際值的相對誤差小于2%，具有較高的精度，且隨著涂層厚度的增加，相對誤差呈下降趨勢。

4 結論

(1) 水浸超聲諧振方法對于亞毫米量級的薄陶瓷涂層的厚度檢測具有較高的精度，可以滿足一般工程檢測要求。

(2) 全相位頻譜分析技術可以減小由于數據截取造成的傅里葉變換頻譜泄漏，有效抑制旁瓣，并且可以提高頻譜的信噪比，提高涂層厚度檢測的精度。

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Ultrasonic Resonance Measuring for the Thickness of Ceramics Coatings

LI Yong-jie, HAN Zan-dong

(State Key Laboratory of Tribology, Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Water immersion ultrasonic resonance method was used, together with the all-phase spectrum analysis (APSA) technique, to detect the thickness of the thin layer of alumina ceramics on the 304 stainless steel substrates in the thickness less than 1 mm. The results show that the relative error of coating thickness by APSA-based ultrasonic resonance technique method is less than 2%, which means this method can measure the thickness of thin alumina layer more accurately.

Ceramics layer; Thickness measuring; Ultrasonic resonance; APSA technique

2016-08-31

李永杰(1990-)，男，碩士，主要從事超聲和渦流無損檢測工作。

韓贊東，E-mail:hanzd@tsinghua.edu.cn。

10.11973/wsjc201703001

TG115.28；TB553

A

1000-6656(2017)03-0001-04