CN110081826B - 基于太赫兹技术的热障涂层陶瓷层厚度测量方法 - Google Patents
基于太赫兹技术的热障涂层陶瓷层厚度测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用太赫兹波测量热障涂层陶瓷层厚度的方法，利用反射式太赫兹时域光谱装置获取垂直入射信号和从样品表面反射的太赫兹信号；分别获取入射信号与样品反射信号的峰值并计算入射波与反射波的能量比；借助于波阻抗计算物质的折射率；从样品反射信号中提取前两个峰的延迟时间，进而计算出陶瓷层厚度。本发明提出的方法无需制作标准试件和建立复杂的理论模型，能够为热障涂层陶瓷层的厚度提供一种操作简单、快速、无损的检测方式。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹无损检测领域，具体为一种利用太赫兹波测量热障涂层陶瓷层厚度的方法。
背景技术
航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，是体现国家核心竞争力的重要标志。目前燃气涡轮的温度过高，为了保护零件不被腐蚀氧化，使用热障涂层沉积在航空发动机基体材料上达到保护基体材料的目的。热障涂层的典型结构如图1所示，包括：自上而下依次排布的陶瓷层1’，金属粘结层2’，合金基体层3’。
热障涂层的陶瓷层会随着航空发动机叶片服役时间的增加而变薄，导致隔热效果降低，进而引起叶片基体的温度升高，因此陶瓷层变薄也是热障涂层失效的主要原因之一。鉴于此，热障涂层厚度的无损检测与评估对航空发动机叶片健康状态检测及寿命评估，进而保障军用飞机的飞行安全具有重要的战略意义，是当前亟待解决的关键问题。
目前工业中常用的厚度检测与评估方法有电化学阻抗谱、超声测厚法、X射线荧光测厚法、涡流测厚法、光学相干断层扫描测厚、声发射测厚、微波测厚、太赫兹波测厚等。其中许多方法都存在一定的局限性，例如电化学阻抗谱和荧光光谱多用于热障涂层失效机理研究；常规的超声法需要耦合剂，不便于自动检测；声发射法属于动态检测方法，因此检测是需要施加载荷；光学相干断层扫描法对材料的穿透能力太弱；微波法可以测量氧化物的厚度，但需要余弦测量尖晶石和孔隙率；可以解决上述问题的X射线存在一定的危险性，也存在一定的局限性。
新兴的太赫兹(1THz＝1012Hz)通常是指频率范围在0.1THz～10THz的电磁波辐射，非常适合用于热障涂层厚度的检测，通过太赫兹技术可以在不接触被测试件的情况下进行无损伤和电离的无损检测，尤其是对陶瓷、复合材料等非金属材料的检测。太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4emV，是X射线的百万分之一，对人体的危害极小，可以用于无损检测；利用太赫兹时域谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地一直背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到1010；太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。
基于太赫兹技术的厚度检测方法主要有两大类：第一类是对于物质的折射系数未知的情况下，首先制作一系列不同厚度的标准试件，然后选择合适的数据特征，并应用有效的数据拟合的方法，建立物质厚度的定量检测模型，应用于待测试件的厚度测量；然而这类方法的难点在于标准试件的制作，只要制作出与待检测试件成分相同的标准试件即建立准确地定量分析模型，实现物质厚度的检测，然而在实际应用中，要准确制作试件却是非常困难的事情；第二类方法是基于物理模型的厚度检测方法(专利CN 108519059 A公开的方法)，首先物质与太赫兹波的相互作用原理，建立物质与太赫兹波相互作用的理论模型，然后借助于优化算法不断迭代，最终实现物质厚度的检测。此类方法的优势在于无需标准试件即可实现物质厚度的检测，但是对于所建立的理论模型的准确性要求非常高，然而在理论模型建立的过程中，要能准确无误地将实际中各种因素考虑在理论模型的建立也是比较难的，即建立与实际完全情况完全一致的模型非常困难。本专利针对以上问题提出了一种新的厚度检测方法，无需制作标准试件，且无需建立物质与太赫兹波的相互作用模型，即可实现厚度检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，从电磁场理论模型出发，基于太赫兹波反射与入射能量关系，提出了一种利用太赫兹波测量热障涂层陶瓷层厚度的方法，无需制作标准试件，且无需建立物质与太赫兹波的相互作用模型，即可实现厚度检测，能够解决目前基于模型的热障涂层厚度计算方法需要进行反复迭代导致计算较慢的问题。
本发明根据能量守恒定律，得到太赫兹波在陶瓷层表面的入射能量为透过的太赫兹波能量与反射回的太赫兹波能量之和。根据反射波与入射波能量比推导出介质的波阻抗，可以计算出被测试件的平均折射率，最后提取太赫兹波在不同介质反射信号反射峰的延迟时间即可直接获得热障涂层的厚度。
本发明为实现发明目的，所提出的一种利用太赫兹波测量热障涂层陶瓷层厚度的方法，包括以下步骤：
步骤1.利用太赫兹时域光谱***分别测量抛光金属表面和待检测热障涂层的太赫兹反射信号，分别作为参考信号和样品信号；
步骤2.获取参考信号和样品信号的峰值的幅值，并计算太赫兹信号的反射能量与入射能量比，并根据能量比与陶瓷层波阻抗η之间的关系求出陶瓷层的折射率n；
步骤3.获取样品信号中第一个峰和第二个峰之间的延迟时间Δt，根据太赫兹信号在陶瓷层中的传播过程，可以得到其厚度d
其中：c是光速。
所述的步骤2包含以下步骤：
步骤2.1，首先计算太赫兹波信号的反射能量与入射能量比
其中Enr、Eni分别表示太赫兹波入射能量和热障涂层表面太赫兹波反射能量，Ir、Ii分别表示样品信号第一个峰的峰值和入射信号的峰值；
步骤2.2，当太赫兹波垂直照射到热障涂层的陶瓷层时，热障涂层的陶瓷层的波阻抗η为
其中η1＝376.73Ω为空气波阻抗。
步骤2.3，依据麦克斯韦电磁场理论，热障涂层的陶瓷层的折射率n为
其中μ0和ε0为自由空间磁导率和介电常数，εk和μk为陶瓷层相对介电常数和相对磁导率。
本发明中针对电磁波在介质(例如：陶瓷)中的传播规律，以介质波阻抗作为桥梁，可以直接计算出介质的折射率。在该计算方法中，主要考虑到在高频电磁波情况下，介质的复波阻抗中虚部远远小于实部，因此在工程计算中将复波阻抗近似做实数处理。热障涂层陶瓷层属于非铁磁性物质，因此相对磁导率近似为1H/m，。对于色散能力较弱的介质(如本专利的热障涂层的陶瓷层)，可以忽略色散对折射率的影响，这样可以直接计算出其平均折射率。
与现有的检测方法相比，本发明具有以下优点：
(1)在计算待测试件测折射率时，借助于计算反射太赫兹波与入射太赫兹波的能量比推导出陶瓷层的波阻抗，进而得到陶瓷层的折射率，避免了制作标准试件，尤其可以解决实际中标准试件的制作非常困难的情况；
(2)仅通过一次测量获得待测试件的厚度，检测过程简单；
(3)本文的方法克服了专利CN 108519059 A中需复杂的公式推导和优化算法进行迭代的弊端，计算速度快，且检测结果不再受限于理论模型的准确性。
因此本专利为热障涂层制备过程以及热障涂层服役过程中陶瓷层的厚度测量提供了一种准确、简单、快速、无损的新检测方法，仅需要检测太赫兹入射信号与待测时间的反射信号即可实现热障涂层的厚度检测，无需制作标准试件建立定量检测模型，无需建立复杂的理论模型，且不需要采用优化算法进行耗时间的迭代，检测速度快，且本方法还可以推广到其他非铁磁性类物质的厚度检测。
附图说明
图1为热障涂层结构示意图。
图2为太赫兹波照射在热障涂层的入射波形与反射波形时域图。其中：图(a)是太赫兹波入射波形图，(b)是太赫兹波反射波形图。
图3为太赫兹波在热障涂层陶瓷层上反射及透射能量关系图。
图4为被测试件热障涂层陶瓷层的厚度图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。显然所描述的实例是本发明实例的一种，而不是全部的实施例，本领域普通技术员在没有做出创造性劳动的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。
实施例：
使用太赫兹时域光谱***(例如：Picometrix,T-Ray 5000)获取太赫兹波垂直照射在热障涂层上的入射信号，如图2(a)所示；再使用该***发射太赫兹波垂直照射在热障涂层的反射信号作为样品信号，如图2(b)所示。
1)热障涂层陶瓷层的反射系数Γ||可用如下模型表示
其中η为陶瓷层波阻抗，η1是空气波阻抗，η1＝376.73Ω。
太赫兹的波的入射信号与反射信号示意图如图3所示，通过麦克斯韦电磁场理论，可以得到入射波的能量
其中Eni为入射波的能量，Ei为入射波的电场强度，A为入射波垂直打在陶瓷层上的面积。
反射波的能量Enr表示如下
太赫兹波在热障涂层陶瓷的反射信号与入射信号能量之比如下
将式(1)带入式(4)中有
太赫兹信号在热障涂层陶瓷层上的反射能量与入射能量之比可以近似使用太赫兹反射信号与入射信号平方之比，即
其中Ir为图2(b)中第一个正峰的幅值，Ii为图2(a)中第一个正峰的幅值。
依据公式(5)与公式(6)计算出热障涂层陶瓷层的波阻抗η
2)在电磁场理论中，波阻抗有如下表示方式
其中η表示为陶瓷层的波阻抗，μ和ε分别为陶瓷层的磁导率和相对介电常数，μ0和ε0为自由空间磁导率和介电常数，μk和εk为陶瓷层相对磁导率和相对介电常数。
依据公式(7)推导出陶瓷层的相对介电常数
热障涂层陶瓷层的折射率为
又对于非铁磁性物质来讲，其相对磁导率μk≈1，因而得到
通过公式(7)与公式(8)的融合得到热障涂层折射率n
3)在图2(b)中第一个峰为太赫兹入射信号在陶瓷层表面反射信号，第二个峰为太赫兹入射信号在陶瓷层底部的反射信号，两个反射峰的峰值延迟时间为Δt。热障涂层陶瓷层厚度的计算模型如下
其中d为热障涂层陶瓷层的厚度，c为光速。
依据上述过程可以计算出热障涂层陶瓷层某一个点的厚度，接着通过太赫兹时域光谱***(例如：Picometrix,T-Ray 5000)对整个热障涂层进行逐点扫描，得到热障涂层试件所有位置的太赫兹时域反射信号。然后重复上述步骤，计算出整个热障涂层的厚度信息。最终将热障涂层陶瓷层的厚度信息利用三维图形清晰的展示出来，如图4所示。
本发明从入射信号和样品信号中提取幅值信息推导出反射波能量与入射波能量比，进而计算热障涂层陶瓷层的折射率，然后从样品信号中提取第二个峰与第一个峰的延时时间，最后根据这些信息计算热障涂层陶瓷层的厚度。
本发明提出的方法无需制作标准试件和建立复杂的理论模型，能够为热障涂层陶瓷层的厚度提供一种操作简单、快速的检测方式。
本发明能够非接触地进行热障涂层陶瓷层厚度检测，并分析厚度分布的均匀性，能够为热障涂层的制备过程陶瓷层的厚度测量以及热障涂层服役过程中的损伤检测提供无损、准确的检测方式。
Claims (1)
1.一种利用太赫兹波测量热障涂层陶瓷层厚度的方法，其步骤是：
步骤1.利用太赫兹时域光谱***分别获取垂直入射的太赫兹信号和待检测热障涂层的太赫兹反射信号，分别作为参考信号和样品信号；
步骤2.获取参考信号和样品信号的峰值Ir、Ii，并计算太赫兹信号的反射能量与入射能量比，并根据能量比与陶瓷层波阻抗η之间的关系求出陶瓷层的折射率n：
步骤2.1首先计算太赫兹波信号的反射能量与入射能量比
其中Enr、Eni分别表示太赫兹波入射能量和热障涂层表面太赫兹波反射能量，Ir、Ii分别表示样品信号第一个峰的峰值和入射信号的峰值；
步骤2.2当太赫兹波垂直照射到热障涂层的陶瓷层时，热障涂层的陶瓷层的波阻抗η为
其中η1＝376.73Ω为空气波阻抗；
步骤2.3依据麦克斯韦电磁场理论，热障涂层的陶瓷层的折射率n为
其中：μ0和ε0分别为自由空间磁导率和介电常数，εk和μk分别为陶瓷层相对介电常数和相对磁导率；
步骤3：获取样品信号中第一个峰和第二个峰之间的延迟时间Δt，根据太赫兹信号在陶瓷层中的传播过程，可以得到其厚度d
其中：c是光速。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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