本發明屬于機械制造檢測領域，具體涉及一種NiCoCrAlYTa六元涂等離子噴涂涂層厚度超聲無損檢測方法。

背景技術：

隨著航空發動機技術不斷發展和性能不斷提高,其工作溫度也逐步升高,目前先進發動機的壓氣機出口溫度已達到650℃,燃燒室及加力燃燒室的工作溫度接近2000℃,渦輪進口溫度達到1650～1750℃。但這些部位的零件所用的基體材料的性能和所能承受的溫度有限,不可能完全滿足要求,為了提高其壽命、可靠性和抗疲勞等性能,使用各種涂層是一種有效方法。

渦輪工作葉片上真空噴涂有NiCoCrAlYTa六元等離子噴涂涂層可對葉片等發動機構件起到改善工作條件、提高可靠性和延長使用壽命的作用而得到成功應用，并擁有相應的工藝和質量標準(GB/T 18681-2002熱噴涂低壓等離子噴涂鎳-鈷-鉻-鋁-釔-鉭合金涂層)。

為保證涂層有效發揮作用，必須控制涂層厚度，并采用適當有效的厚度測量方法保證厚度測量精確可靠，由于NiCoCrAlYTa六元涂層是導電材料，不能采用常規的渦流檢測技術對每片葉片進行無損測量，所以目前只能在每批次葉片噴涂前先噴涂一片葉片作為試驗件，再通過剖切試驗件測量其涂層厚度來評價整批葉片的涂層厚度情況。但這種抽檢方式其實并不能完全真實反映整批葉片的涂層狀態，而且剖切檢查周期長，費用高，不能滿足生產需要。因此，需要開發一種無損檢測方法，替代葉片金相抽查檢測，實現涂層的全批次快速檢測，提高效率和保證檢測質量。

涂層的常規測量方法主要是金相測量方法，如GB/T 6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層厚度測量顯微鏡法》標準采用金相法測量涂層厚度，盡管GB/T11374-2012《熱噴涂涂層厚度的無損測量方法》標準，GB/T4956《磁性基體上非磁性覆蓋層覆蓋層厚度測量磁性法》，GB/T4957《非磁性基體金屬上非導電覆蓋層覆蓋層厚度測量渦流法》，GB/T6463《金屬和其他無機覆蓋層厚度測量方法評述》等標準描述無損檢測方法，并不能適用于渦輪工作葉片的NiCoCrAlYTa六元涂層(導電基體上涂層)檢測。

涂層測厚的難點主要來源于以下兩個方面：一是涂層太薄，厚度為幾十微米到幾百微米等，對于常用的超聲探頭而言，其頻率范圍一般為2.5MHz～10MHz，涂層的厚度比超聲波波長還小，這樣就無法利用常規的超聲測厚方法來測量如此薄的涂層厚度。二是由于涂層是由等離子噴涂等其他一些熱噴涂方式使粉末狀的陶瓷材料經過加熱熔融覆蓋在基體上面，因而涂層的性能就受到其制備工藝參數、方法等多種因素影響，導致涂層性能的物理、力學、聲學等參數指標難以確定，增加了涂層厚度測量的難度。

技術實現要素：

本發明的目的是針對以上問題，提供一種NiCoCrAlYTa六元涂等離子噴涂涂層厚度超聲無損檢測方法，用于發動機抗氧化涂層檢測，發明基于超聲波在涂層界面的傳播突變點，利用小波變換提取突變點頻率，利用已知的涂層聲速計算涂層厚度。

本發明的技術方案是，NiCoCrAlYTa六元涂等離子噴涂涂層厚度超聲無損檢測方法，其特征在于，其檢測方法及步驟如下：

1)選取超聲水浸聚焦檢測設備，檢測頻率10-15MHz，晶片直徑6-8mm，水程10-30mm，焦點尺寸直徑2-3mm，點聚焦，數據采集速率150MHz-500MHz；

2)確定掃查工藝，采用聚焦在涂層上表面，掃描步距0.5mm；

3)用水浸超聲法對涂層信號進行采集，采集掃描數據：將被檢測物浸入水中，浸入水中的被檢測物涂層朝上，基層朝下，利用超聲水浸聚焦檢測設備發射超聲波聲術束從水中垂直入射涂層上表面X₁，再經過涂層下表面X₂，最終到達基體底面Y₁；超聲波探頭接收到基體層底面Y₁所返回的信號B₂₁之前，超聲波已經在涂層表面X₁和涂層底面X₂發生了多次反射,并且超聲波探頭已接收到了涂層底面X₂反射的信號B₁₁、B₁₂、B₁₃……；

4)對獲取數據進行小波分析，獲取突變點及對應頻率：超聲波入射涂層和基體界面時會產生突變，利用超聲水浸聚焦檢測設備接收的混疊信號與具有奇對稱特性或者偶對稱特性的小波基函數做卷積變換，提取出產生突變信號的位置點，得出超聲波在涂層中傳播時間；

5)計算涂層厚度：通過時間—聲程關系式來計算涂層厚度。

葉片六元涂層厚度超聲測量原理

用水浸超聲法對涂層信號進行采集，超聲波在涂層中理論傳播情況如圖1 所示，超聲波聲術束從水中垂直入射試樣表面X₁，經過涂層表面X₂.最終到達基體底面Y₁。超聲波探頭接收到基體層底面Y₁所返回的信號B₂₁之前，超聲波已經在涂層表面X₁和涂層底面X₂發生了多次反射,并且超聲波探頭已接收到了涂層底面X₂反射的信號B₁₁、B₁₂、B₁₃……；超聲波入射涂層和基體界面時會產生突變，如果能在接收的混疊信號中提取出產生突變信號的位置點即可得出超聲波在涂層中傳播時間，通過時間—聲程關系式即可得到涂層的厚度。

運用水浸超聲法對涂層信號進行采集，超聲波在涂層中理論傳播情況如圖1所示(假設試樣涂層與基體層粘接良好，未出現脫粘等情況，并且涂層表面與水完全耦合，超聲波能夠垂直入射至試樣表面)。超聲波聲術L從水中垂直入射試樣表面X₁，經過涂層表面X_2.最終到達基體底面Y₁。由于涂層厚度大約為涂層厚度的300倍左右，因此在超聲波探頭接收到基體層底面Y₁所返回的信號B₂₁之前，超聲波已經在涂層表面X₁和涂層底面X₂發生了多次反射,并且超聲波探頭已接收到了涂層底面X₂反射的信號B₁₁、B₁₂、B₁₃。。。；由于涂層、基體均很薄，超聲波探頭接收到的涂層表面波信號、涂層底波信號、基體底波信號將會發生混疊。但是由于涂層材料和基體材料物理屬性之間存在較大的差異，超聲波入射涂層和基體界面時會產生突變。從理論上分析，若能在接收的混疊信號中提取出產生突變信號的位置點即可得出超聲波在涂層中傳播時間，通過時間—聲程關系式即可得到涂層的厚度。

信號產生突變點的位置具有局部性，可以把突變點的類型按照函數圖像的對稱性分為兩類：1、關于突變中心點局部奇對稱；2、關于突變中心點局偶對稱。若用一個局部奇對稱或一個局部偶對稱的窗函數分別與兩類突變的局部信號做卷積，根據函數的卷積特性，卷積結果有如下規律：

奇對稱*奇對稱＝偶對稱 奇對稱*偶對稱＝奇對稱

偶對稱*奇對稱＝奇對稱 偶對稱*偶對稱＝偶對稱

由上述規律可知：用于檢測信號突變點的窗函數必須具有局部奇對稱和局部偶對稱的卷積函數。滿足上述條件的有：1、Gauss函數：2、余弦函數：θ₂(t)＝cost,t∈[-π/2,π/2]。觀察發現：兩類函數n階可導，并且n 階導數連續。將兩類函數兩次求導發現，一階導數具有局部奇對稱，二階導數具有局部偶對稱的特性。將原窗函數及其一階導數、二階導數分別與原始信號求卷積，求取過程如表達式1.1所示：

卷積結果及突變點效果表現如圖2所示，由圖1觀察可知：原始信號產生突變效果的位置對應原信號與基函數的一階導數做卷積后的極值點位置，如圖2中W⁽¹⁾f(t)所示；或者對應原信號與基函數二階導數做卷積后的過零點位置，如圖2中W⁽²⁾f(t)所示。因此可得出結論：將原始信號與具有奇對稱特性的小波基函數做卷積變換，或者將原始信號與具有偶對稱特性的小波做卷積變換均能判斷原信號產生突變現象的位置。根據小波函數所需具備的特性可自由構造小波函數，Morlet小波和Marr小波均是在Gauss函數的基礎上構造出來的。

本發明與現有技術相比的優點：NiCoCrAlYTa六元等離子噴涂涂層測厚的難點主要來源于以下兩個方面：一是涂層太薄，厚度為幾十微米到幾百微米等，對于常用的超聲檢測而言，其頻率范圍一般為2.5MHz～10MHz，涂層的厚度比超聲波波長還小，這樣就無法利用常規的超聲測厚方法來測量如此薄的涂層厚度。二是由于涂層是由等離子噴涂等其他一些熱噴涂方式使粉末狀的陶瓷材料經過加熱熔融覆蓋在基體上面，因而涂層的性能就受到其制備工藝參數、方法等多種因素影響，導致涂層性能的物理、力學、聲學等參數指標難以確定，增加了涂層厚度測量的難度。目前只能在每批次葉片噴涂前先噴涂一片葉片作為試驗件，再通過剖切試驗件測量其涂層厚度來評價整批葉片的涂層厚度情況。但這種抽檢方式其實并不能完全真實反映整批葉片的涂層狀態，而且剖切檢查周期長，費用高，不能滿足生產需要，采用本發明，能夠實現產品NiCoCrAlYTa六元等離子噴涂涂層100％無損檢測，檢測速度快，費用低。

附圖說明

圖1為本發明水浸超聲波檢測示意圖。

圖2為本發明采集信號卷積結果及突變點效果圖。

圖3為不同厚度六元涂層試片圖。

圖4為500Mhz/s采樣頻率的涂層時域信號圖。

圖5為1Ghz/s采樣頻率的涂層時域信號圖。

圖6為小波分析對時域信號進行處理流程。

圖7為1#試樣小波模極大值均值圖。

圖8為小波分析對時域信號進行處理結果圖。

圖9為1#試樣金相圖。

具體實施方式

1.對象

選取不同厚度NiCoCrAlYTa六元涂層試片5片，如圖3所示。

2.設備

本次實驗信號采集設備運用的是“超聲水浸掃查自動檢測系統”，為一款價格低廉、便于控制、性能優良的AVR單片機作為整個掃描控制電路核心，不但能夠方便快捷的構建系統而且可以提高系統工作的穩定性。搭建完成的系統可以達到0.1mm掃描步距，掃描速度快效率高。探頭采用水浸聚焦探頭，探頭型號為：I10P6CF30，該探頭的中心頻率為10Mhz,晶片直徑為6mm,焦距為30mm。

3.數據采集

將信號的采樣頻率分別設置為500MHz/s、1GHz/s,框定檢測區域并作標記，然后對每塊涂層試樣進行兩次信號采集，試驗數據以.xls格式儲存，在Matlab中采用xlsread()函數對試驗數據進行讀取。信號時域波形如圖4、圖5所示，圖4為500Mhz/s采樣頻率下的涂層時域信號，圖5為1Ghz/s采樣頻率下的涂層時域信號。從時域波形能夠大致分辨出試樣底波出現的位置，但不能分辨出涂層底面所產生的回波信號。

4.小波分析

將采樣頻率為500Mhz/s涂層試樣時域信號數據截取部分(包含試樣表面信息及底部信息)，將截取的數據導入Matlab信號處理軟件，Matlab進行小波分析所采用的關鍵函數如表1.1所示，小波分析對時域信號進行處理流程如圖6所示。采用wt＝Cwt(y,1:44,’Marr’)語句對導入的涂層時域信號數據進行44尺度的連續小波變換，小波基函數為Marr小波。返回值wt包含了在各尺度下的小波系數。由于采樣點個數為825個，故對于這里wt是一個44*825的矩陣，每一行與一個尺度相關。Cwt()函數可接受第四個參數，來指定函數在執行結束后是否繪制連續小波變換系數的絕對值，另外還可以接受更多的參數來定義顯示的不同特性。通過執行相關語句得到不同采樣點在各尺度下對應的Marr小波系數圖。

表1.1小波分析關鍵函數

5.超聲測厚結果

已知的被測對象物理參數見表1.2

表1.2材料物理屬性

根據公式6.1計算的涂層厚度如表1.3所示。

d＝v*ΔN/2f (6.1)

聲速理論計算公式：

理論計算的聲速為：2656m/s，實際采用等離子噴涂的六元涂層彈性模量比塊狀六元涂層材料的彈性模量低5％左右，六元涂層聲速2458m/s。

根據聲速，采用公式6.1計算出來的超聲厚度測量結果見表1.3。

表1.3NiCoCrAlYTa六元涂層超聲厚度測量結果

6.金相測厚結果

在顯微鏡下金相試樣見圖9，測量結果見表1.4，從表1.4厚度平均值數據可以看出：1#、3#、4#、5#試樣平均厚度均在100μm以上，2#試樣較薄，平均厚度僅為65.64μm。從單塊涂層試樣厚度標準差可知：五塊試樣噴涂均不均勻，其中1#試樣噴涂較為均勻，厚度數據標準差為1.63；2#試樣噴涂最不均勻，厚度標準差達到17.56。

表1.4NiCoCrAlYTa六元涂層金相法測厚結果

7.測量結果及分析

用金相法驗證的測量結果如表1.5，兩者相關性分析見表1.6，說明測量結果具有99.9％置信度，測量誤差≤5％，絕對誤差≤6μm。

表1.5NiCoCrAlYTa六元涂層金相法與超聲法測量結果比較：

表1.6NiCoCrAlYTa六元涂層金相法與超聲法測量結果相關分析：