CN106680821A - NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法 - Google Patents
NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法，其检测方法及步骤如下：1）选取超声水浸聚焦检测设备；2）确定扫查工艺；3）用水浸超声法对涂层信号进行采集，采集扫描数据；4） 对获取数据进行小波分析，获取突变点及对应频率，得出超声波在涂层中传播时间；5） 计算涂层厚度。本发明的特点是能够实现产品NiCoCrAlYTa六元等离子喷涂涂层100%无损检测，检测速度快，费用低。
Description
技术领域
本发明属于机械制造检测领域，具体涉及一种NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法。
背景技术
随着航空发动机技术不断发展和性能不断提高,其工作温度也逐步升高,目前先进发动机的压气机出口温度已达到650℃,燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近2000℃,涡轮进口温度达到1650～1750℃。但这些部位的零件所用的基体材料的性能和所能承受的温度有限,不可能完全满足要求,为了提高其寿命、可靠性和抗疲劳等性能,使用各种涂层是一种有效方法。
涡轮工作叶片上真空喷涂有NiCoCrAlYTa六元等离子喷涂涂层可对叶片等发动机构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用而得到成功应用，并拥有相应的工艺和质量标准(GB/T 18681-2002热喷涂低压等离子喷涂镍-钴-铬-铝-钇-钽合金涂层)。
为保证涂层有效发挥作用，必须控制涂层厚度，并采用适当有效的厚度测量方法保证厚度测量精确可靠，由于NiCoCrAlYTa六元涂层是导电材料，不能采用常规的涡流检测技术对每片叶片进行无损测量，所以目前只能在每批次叶片喷涂前先喷涂一片叶片作为试验件，再通过剖切试验件测量其涂层厚度来评价整批叶片的涂层厚度情况。但这种抽检方式其实并不能完全真实反映整批叶片的涂层状态，而且剖切检查周期长，费用高，不能满足生产需要。因此，需要开发一种无损检测方法，替代叶片金相抽查检测，实现涂层的全批次快速检测，提高效率和保证检测质量。
涂层的常规测量方法主要是金相测量方法，如GB/T 6462-2005《金属和氧化物覆盖层厚度测量显微镜法》标准采用金相法测量涂层厚度，尽管GB/T11374-2012《热喷涂涂层厚度的无损测量方法》标准，GB/T4956《磁性基体上非磁性覆盖层覆盖层厚度测量磁性法》，GB/T4957《非磁性基体金属上非导电覆盖层覆盖层厚度测量涡流法》，GB/T6463《金属和其他无机覆盖层厚度测量方法评述》等标准描述无损检测方法，并不能适用于涡轮工作叶片的NiCoCrAlYTa六元涂层(导电基体上涂层)检测。
涂层测厚的难点主要来源于以下两个方面：一是涂层太薄，厚度为几十微米到几百微米等，对于常用的超声探头而言，其频率范围一般为2.5MHz～10MHz，涂层的厚度比超声波波长还小，这样就无法利用常规的超声测厚方法来测量如此薄的涂层厚度。二是由于涂层是由等离子喷涂等其他一些热喷涂方式使粉末状的陶瓷材料经过加热熔融覆盖在基体上面，因而涂层的性能就受到其制备工艺参数、方法等多种因素影响，导致涂层性能的物理、力学、声学等参数指标难以确定，增加了涂层厚度测量的难度。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法，用于发动机抗氧化涂层检测，发明基于超声波在涂层界面的传播突变点，利用小波变换提取突变点频率，利用已知的涂层声速计算涂层厚度。
本发明的技术方案是，NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法，其特征在于，其检测方法及步骤如下：
1)选取超声水浸聚焦检测设备，检测频率10-15MHz，晶片直径6-8mm，水程10-30mm，焦点尺寸直径2-3mm，点聚焦，数据采集速率150MHz-500MHz；
2)确定扫查工艺，采用聚焦在涂层上表面，扫描步距0.5mm；
3)用水浸超声法对涂层信号进行采集，采集扫描数据：将被检测物浸入水中，浸入水中的被检测物涂层朝上，基层朝下，利用超声水浸聚焦检测设备发射超声波声术束从水中垂直入射涂层上表面X1，再经过涂层下表面X2，最终到达基体底面Y1；超声波探头接收到基体层底面Y1所返回的信号B21之前，超声波已经在涂层表面X1和涂层底面X2发生了多次反射,并且超声波探头已接收到了涂层底面X2反射的信号B11、B12、B13……；
4)对获取数据进行小波分析，获取突变点及对应频率：超声波入射涂层和基体界面时会产生突变，利用超声水浸聚焦检测设备接收的混叠信号与具有奇对称特性或者偶对称特性的小波基函数做卷积变换，提取出产生突变信号的位置点，得出超声波在涂层中传播时间；
5)计算涂层厚度：通过时间—声程关系式来计算涂层厚度。
叶片六元涂层厚度超声测量原理
用水浸超声法对涂层信号进行采集，超声波在涂层中理论传播情况如图1 所示，超声波声术束从水中垂直入射试样表面X1，经过涂层表面X2.最终到达基体底面Y1。超声波探头接收到基体层底面Y1所返回的信号B21之前，超声波已经在涂层表面X1和涂层底面X2发生了多次反射,并且超声波探头已接收到了涂层底面X2反射的信号B11、B12、B13……；超声波入射涂层和基体界面时会产生突变，如果能在接收的混叠信号中提取出产生突变信号的位置点即可得出超声波在涂层中传播时间，通过时间—声程关系式即可得到涂层的厚度。
运用水浸超声法对涂层信号进行采集，超声波在涂层中理论传播情况如图1所示(假设试样涂层与基体层粘接良好，未出现脱粘等情况，并且涂层表面与水完全耦合，超声波能够垂直入射至试样表面)。超声波声术L从水中垂直入射试样表面X1，经过涂层表面X2.最终到达基体底面Y1。由于涂层厚度大约为涂层厚度的300倍左右，因此在超声波探头接收到基体层底面Y1所返回的信号B21之前，超声波已经在涂层表面X1和涂层底面X2发生了多次反射,并且超声波探头已接收到了涂层底面X2反射的信号B11、B12、B13。。。；由于涂层、基体均很薄，超声波探头接收到的涂层表面波信号、涂层底波信号、基体底波信号将会发生混叠。但是由于涂层材料和基体材料物理属性之间存在较大的差异，超声波入射涂层和基体界面时会产生突变。从理论上分析，若能在接收的混叠信号中提取出产生突变信号的位置点即可得出超声波在涂层中传播时间，通过时间—声程关系式即可得到涂层的厚度。
信号产生突变点的位置具有局部性，可以把突变点的类型按照函数图像的对称性分为两类：1、关于突变中心点局部奇对称；2、关于突变中心点局偶对称。若用一个局部奇对称或一个局部偶对称的窗函数分别与两类突变的局部信号做卷积，根据函数的卷积特性，卷积结果有如下规律：
奇对称*奇对称＝偶对称 奇对称*偶对称＝奇对称
偶对称*奇对称＝奇对称 偶对称*偶对称＝偶对称
由上述规律可知：用于检测信号突变点的窗函数必须具有局部奇对称和局部偶对称的卷积函数。满足上述条件的有：1、Gauss函数：2、余弦函数：θ2(t)＝cost,t∈[-π/2,π/2]。观察发现：两类函数n阶可导，并且n 阶导数连续。将两类函数两次求导发现，一阶导数具有局部奇对称，二阶导数具有局部偶对称的特性。将原窗函数及其一阶导数、二阶导数分别与原始信号求卷积，求取过程如表达式1.1所示：
卷积结果及突变点效果表现如图2所示，由图1观察可知：原始信号产生突变效果的位置对应原信号与基函数的一阶导数做卷积后的极值点位置，如图2中W(1)f(t)所示；或者对应原信号与基函数二阶导数做卷积后的过零点位置，如图2中W(2)f(t)所示。因此可得出结论：将原始信号与具有奇对称特性的小波基函数做卷积变换，或者将原始信号与具有偶对称特性的小波做卷积变换均能判断原信号产生突变现象的位置。根据小波函数所需具备的特性可自由构造小波函数，Morlet小波和Marr小波均是在Gauss函数的基础上构造出来的。
本发明与现有技术相比的优点：NiCoCrAlYTa六元等离子喷涂涂层测厚的难点主要来源于以下两个方面：一是涂层太薄，厚度为几十微米到几百微米等，对于常用的超声检测而言，其频率范围一般为2.5MHz～10MHz，涂层的厚度比超声波波长还小，这样就无法利用常规的超声测厚方法来测量如此薄的涂层厚度。二是由于涂层是由等离子喷涂等其他一些热喷涂方式使粉末状的陶瓷材料经过加热熔融覆盖在基体上面，因而涂层的性能就受到其制备工艺参数、方法等多种因素影响，导致涂层性能的物理、力学、声学等参数指标难以确定，增加了涂层厚度测量的难度。目前只能在每批次叶片喷涂前先喷涂一片叶片作为试验件，再通过剖切试验件测量其涂层厚度来评价整批叶片的涂层厚度情况。但这种抽检方式其实并不能完全真实反映整批叶片的涂层状态，而且剖切检查周期长，费用高，不能满足生产需要，采用本发明，能够实现产品NiCoCrAlYTa六元等离子喷涂涂层100％无损检测，检测速度快，费用低。
附图说明
图1为本发明水浸超声波检测示意图。
图2为本发明采集信号卷积结果及突变点效果图。
图3为不同厚度六元涂层试片图。
图4为500Mhz/s采样频率的涂层时域信号图。
图5为1Ghz/s采样频率的涂层时域信号图。
图6为小波分析对时域信号进行处理流程。
图7为1#试样小波模极大值均值图。
图8为小波分析对时域信号进行处理结果图。
图9为1#试样金相图。
具体实施方式
1.对象
选取不同厚度NiCoCrAlYTa六元涂层试片5片，如图3所示。
2.设备
本次实验信号采集设备运用的是“超声水浸扫查自动检测***”，为一款价格低廉、便于控制、性能优良的AVR单片机作为整个扫描控制电路核心，不但能够方便快捷的构建***而且可以提高***工作的稳定性。搭建完成的***可以达到0.1mm扫描步距，扫描速度快效率高。探头采用水浸聚焦探头，探头型号为：I10P6CF30，该探头的中心频率为10Mhz,晶片直径为6mm,焦距为30mm。
3.数据采集
将信号的采样频率分别设置为500MHz/s、1GHz/s,框定检测区域并作标记，然后对每块涂层试样进行两次信号采集，试验数据以.xls格式储存，在Matlab中采用xlsread()函数对试验数据进行读取。信号时域波形如图4、图5所示，图4为500Mhz/s采样频率下的涂层时域信号，图5为1Ghz/s采样频率下的涂层时域信号。从时域波形能够大致分辨出试样底波出现的位置，但不能分辨出涂层底面所产生的回波信号。
4.小波分析
将采样频率为500Mhz/s涂层试样时域信号数据截取部分(包含试样表面信息及底部信息)，将截取的数据导入Matlab信号处理软件，Matlab进行小波分析所采用的关键函数如表1.1所示，小波分析对时域信号进行处理流程如图6所示。采用wt＝Cwt(y,1:44,’Marr’)语句对导入的涂层时域信号数据进行44尺度的连续小波变换，小波基函数为Marr小波。返回值wt包含了在各尺度下的小波系数。由于采样点个数为825个，故对于这里wt是一个44*825的矩阵，每一行与一个尺度相关。Cwt()函数可接受第四个参数，来指定函数在执行结束后是否绘制连续小波变换系数的绝对值，另外还可以接受更多的参数来定义显示的不同特性。通过执行相关语句得到不同采样点在各尺度下对应的Marr小波系数图。
表1.1小波分析关键函数
5.超声测厚结果
已知的被测对象物理参数见表1.2
表1.2材料物理属性
根据公式6.1计算的涂层厚度如表1.3所示。
d＝v*ΔN/2f (6.1)
声速理论计算公式：
理论计算的声速为：2656m/s，实际采用等离子喷涂的六元涂层弹性模量比块状六元涂层材料的弹性模量低5％左右，六元涂层声速2458m/s。
根据声速，采用公式6.1计算出来的超声厚度测量结果见表1.3。
表1.3NiCoCrAlYTa六元涂层超声厚度测量结果
6.金相测厚结果
在显微镜下金相试样见图9，测量结果见表1.4，从表1.4厚度平均值数据可以看出：1#、3#、4#、5#试样平均厚度均在100μm以上，2#试样较薄，平均厚度仅为65.64μm。从单块涂层试样厚度标准差可知：五块试样喷涂均不均匀，其中1#试样喷涂较为均匀，厚度数据标准差为1.63；2#试样喷涂最不均匀，厚度标准差达到17.56。
表1.4NiCoCrAlYTa六元涂层金相法测厚结果
7.测量结果及分析
用金相法验证的测量结果如表1.5，两者相关性分析见表1.6，说明测量结果具有99.9％置信度，测量误差≤5％，绝对误差≤6μm。
表1.5NiCoCrAlYTa六元涂层金相法与超声法测量结果比较：
表1.6NiCoCrAlYTa六元涂层金相法与超声法测量结果相关分析：
Claims (1)
1.NiCoCrAlYTa六元涂等离子喷涂涂层厚度超声无损检测方法，其特征在于，其检测方法及步骤如下：
1）选取超声水浸聚焦检测设备，检测频率10-15MHz，晶片直径6-8mm，水程10-30mm，焦点尺寸直径2-3mm，点聚焦，数据采集速率150MHz-500 MHz；
2）确定扫查工艺，采用聚焦在涂层上表面，扫描步距0.5mm；
3）用水浸超声法对涂层信号进行采集，采集扫描数据：将被检测物浸入水中，浸入水中的被检测物涂层朝上，基层朝下，利用超声水浸聚焦检测设备发射超声波声术束从水中垂直入射涂层上表面X1，再经过涂层下表面X2，最终到达基体底面Y1；超声波探头接收到基体层底面Y1所返回的信号B21之前，超声波已经在涂层表面X1和涂层底面X2发生了多次反射,并且超声波探头已接收到了涂层底面X2反射的信号B11、B12、B13……；
4） 对获取数据进行小波分析，获取突变点及对应频率：超声波入射涂层和基体界面时会产生突变，利用超声水浸聚焦检测设备接收的混叠信号与具有奇对称特性或者偶对称特性的小波基函数做卷积变换，提取出产生突变信号的位置点，得出超声波在涂层中传播时间；
5） 计算涂层厚度：通过时间—声程关系式来计算涂层厚度。
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