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热障涂层的超声表征原理与实验研究 摘要 本文对等离子体喷涂和电子束物理气相沉积( e l e c t r o nb e a mp h y s i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，e b p v d ) 法制备的热障涂层的超声表征进行了研究。超声法表征热障涂层 的难点集中在两个方面，一是涂层厚度较薄，以至于超声波在涂层上下表面的反射回波 发生混叠，导致常规超声检测技术难以测得声速及声衰减等参量；二是涂层的非均匀性 对超声波传播的影响，超声波在涂层中发生了复杂的散射与频散，现有均匀层状介质模 型已无法描述声波在非均匀性介质传播所发生的频散现象，必须建立新的非均匀层状介 质模型。 本文对超声波在非均匀层状介质的传播理论进行了研究并建立了相应的数学模型 获得了涂层声压反射系数幅度与相位的表达式，建立了相位谱极值与涂层密度的理 论关系，并引入频散因子，来定量描述涂层中的频散程度。 依据所建立的模型，对涂层的厚度、密度及非均匀性进行了表征，主要结果如下： ( 1 ) 利用声压反射系数相位谱对等离子体喷涂的z r 0 2 8 y 2 0 3 涂层厚度进行了测量， 厚度范围3 1 8 - 3 3 7 啪，与金相观察的涂层厚度范围相符； ( 2 ) 依据所建立的相位谱极值与涂层密度关系，对等离子体喷涂的c r 2 0 3 涂层不同 区域的密度进行了定性分析，结果证明了涂层各区域的孔隙和微裂纹的密集程度不同， 呈现明显的非均匀性； ( 3 ) 对e b p v d 法制备的z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层的密度进行了定量表征，测得涂层密度 为4 7 9g c m 3 ，相对于阿基米德法测量结果的误差为5 8 ； ( 4 ) 借助强流脉冲离子束( h i g h i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m s ，h i p i b ) 辐照技术对c r 2 0 3 涂层和z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层进行了改性处理，得到了孔隙、微裂纹以及致密程度不同的涂 层试样。分别利用声压反射系数幅度谱和相位谱对不同辐照次数下涂层试样的频散进行 了表征，并结合数值拟合技术获得了涂层的衰减系数，结果发现，对于原始及辐照1 、5 次的c r 2 0 3 涂层和z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层，涂层频散程度依次降低和衰减系数依次减小，说 明涂层的非均匀性逐渐降低。经涂层表面及横截面s e m 分析后认为，涂层频散程度和 衰减系数的减小与其内部孔隙率和微裂纹数量的减小以及涂层的均匀程度提高有关。 关键词：热障涂层；超声检测；声压反射系数；幅度谱；相位谱；厚度；密度；非均匀 性； 大连理工大学硕士学位论文 p r i n c i p l ea n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fu l t r a s o n i cc h a r a c t e r i z a t i o nf o r t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g a b s t r a c t i h ei n v e s t i g a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u to nt h eu l t r a s o n i cc h a r a c t e r i z a t i o nf o rt h et h e r m a l b a r r i e rc o a t i n g s ( t b c ) ，w h i c ha r ep r e p a r e db yt h em e t h o d so fp l a s m a - s p r a y e da n de l e c t r o n b e a mp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o nf e b - p v d ) t w om a j o rp r o b l e m sl i m i tt h ea p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i cm e t h o di nc h a r a c t e r i z i n gt b c o n ei st h ec o a t i n gi ss ot h i nt h a tt h ee c h o e sf r o m t h ef r o n ta n db a c ko ft h ec o a t i n go v e r l a p ，b r i n g i n go u tu l t r a s o n i cv e l o c i t ya n da t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n tu n a v a i l a b l e n l eo t h e ri st h ei n f l u e n c eo fc o a t i n gi n h o m o g e n e i t yo nt h eu l t r a s o n i c p r o p a g a t i o n ，a n dt h ee x i s t i n gh o m o g e n e o u sl a y e r e dm e d i u mm o d e lc a nn o td e s c r i b et h e u l t r a s o n i cd i s p e r s i o n ，n l em o d e la n dt h e o r yo np r o p a g a t i n gi ni n h o m o g e n e o u sl a y e r e dm e d i u mi si n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r n l ee x p r e s s i o n so fc o a t i n gs o u n dp r e s s u r er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta m p l i t u d ea n d p h a s ea r eo b t a i n e d ，a n dt h e t h e o r e t i c a lr e l a t i o no fp h a s ee x t r e m ea n dc o a t i n gd e n s i t yi s e s t a b l i s h e d m o r e o v e r , an e wp a r a m e t e r ，n a m e dd i s p e r s i o nf a c t o ri si n t r o d u c e df o r d e s c r i b i n gt h ed i s p e r s i o ne x t e n ti nt h ec o a t i n gq u a n t i f i c a t i o n a l l y n ec o a t i n gt h i c k n e s s ， d e n s i t ya n di n h o m o g e n e i t ya r ec h a r a c t e r i z e di nt h i sp a p e r ，a n dt h em a i nr e s u l t sa r e 觞 f o l l o w i n g ： j ( 1 ) 1 1 1 et h i c k n e s so fz r 0 2 8 y 2 0 3c o a t i n gp r e p a r e db yt h ep l a s m a s p r a y e dm e t h o di s m e a s u r e db yt h es o u n dp r e s s u r er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tp h a s es p e c t r u m ，a n dt h et h i c k n e s sr a n g e i s318 - 3 3 7 心【i lw h i c hi sa c c o r d i n gt ot h em e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ( 2 ) b a s e do nt h er e l a t i o no fp h a s ee x t r e m ea n dc o a t i n gd e n s i t y ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h e d e n s i t i e sa td i f f e r e n tl o c a t i o ni nt h ec o a t i n gi sf u l f i l l e d r n l er e s u l ts h o w st h ed e n s ee x t e n to f p o r ea n dm i c r o c r a c ka r ed i f f e r e n ta n d t h ec o a t i n gi si n h o m o g e n e o u s ( 3 ) 1 1 1 ed e n s i t yo fz r 0 2 7 y 2 0 3c o a t i n gp r e p a r e db ye b p v dm e t h o di sm e a s u r e d , a n d t h ec o a t i n gd e n s i t yi s4 7 9 c i n j t h ee r r o ri sa b o u t5 8 ，r e l a t i v et ot h ev a l u eo b t a i n e db y a r c h i m e d e a n lm e t h o d ( 4 ) s u r f a c em o d i f i c a t i o no nt h ec r 2 0 3a n dz r 0 2 - 7 y 2 0 3c o a t i n gi sa c c o m p l i s h e db y h i 曲一i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m s ( h i p i b ) i no r d e rt oo b t a i nt h ec o a t i n g sc o n t a i n i n gt h ep o r e ， m i c r o c r a c ka n dd e n s i t yo fd i f f e r e n tl e v e l s n l ed i s p e r s i o ni nt h ec r 2 0 3a n dz r 0 2 - 7 y 2 0 3 c o a t i n g si s c h a r a c t e r i z e db ys o u n dp r e s s u r er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta m p l i t u d ea n dp h a s e s p e c t r u m ，a n dt h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t so ft h ec o a t i n g sa r ed e t e r m i n e db yn u m e r i c a lf i t t i n g 热障涂层的超声表征原理与实验研究 t e c h n i q u e f o rt h ea s s p r a y e da n di r r a d i a t e dc r 2 0 3c o a t i n gw i t h1 a n d5s h o t s ，t h ed i s p e r s i o n f a c t o ra n da t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n tr e d u c e ，w h i c hs h o w st h ei n h o m o g e n e o u sl e v e lo ft h e c o a t i n gh a sad e c r e a s e t h es e mo b s e r v a t i o n s a r ei na g r e e m e n tw i t ht h eu l t r a s o n i c c h a r a c t e r i z a t i o n t h es i m i l a rr e s u l th a sb e e nf o u n df o r t h ea s d e p o s i t e da n di r r a d i a t e d z r 0 2 7 y 2 0 3c o a t i n gw i t h1a n d5s h o t s k e yw o r d s t h e r m a l b a r r i e rc o a t i n g ；u l t r a s o n i ct e s t i n g ；s o u n dp r e s s u r e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t ；a m p l i t u d es p e c t r u m ；p h a s es p e c t r u m ；t h i c k n e s s ； d e n s i t y ；i n h o m o g e n e i t y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明弓| 用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一圊工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 著有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 塑李i 拯鱼型罄王垄豆塑至墓垄驾窒 作者签名|耋筮叁基期i 竺墨年墨丛露 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校确 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以枸 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 热障涂层的超声表征原理与实验研究 1绪论 1 1研究的目的和意义 1 1 1 热障涂层概述 热障涂层技术利用陶瓷涂层来保护金属基底，在航空航天、石化、汽车制造和大型 火力发电等方面具有广泛而重大的应用价值，不仅可以达到提高抗磨、抗腐蚀、进一步 提高发动机工作温度的目的，而且可以减少燃油消耗，延长发动机等零部件的使用寿命 【l 】。相对于高温结构材料的发展，热障涂层技术所能带来的耐热效果更经济有效。目前， 热障涂层的制备技术主要有等离子体喷涂法和e b p v d 法： ( 1 ) 等离子体喷涂：是把金属或陶瓷粉末送入高温的等离子体焰，即利用等离子体 焰流将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态。在高速等离子体焰流的引导下，高速撞击工 件表面，再使熔化微滴冲击及凝固在基体表面，最终形成的喷涂涂层是由无数变形粒子 相互交错，呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部 分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4 2 0 之间。涂层中伴有氧化物和夹杂。等离子体喷 涂涂层是以机械结合为主。涂层的性能与喷涂粉末的质量和喷涂工艺密切相关。 ( 2 ) e b p v d ：固体涂层材料在真空室中受高能量电子束作用而蒸发，在升华过程中 形成含有涂层原子或分子的蒸气云。将工件置于均匀的蒸气中，当蒸气凝结在被加热的 工件基体上时就形成涂层。e b p v d 法制备涂层时，可实现金属粘接层与陶瓷层之间成 分和结构的连续过渡。高温处理使粘接层与陶瓷层之间形成扩散，从而消除了内界面， 涂层间的冶金结合使粘接性能得到改善。典型的e b p v d 的涂层组织为垂直于基体表面 的柱状晶组织。平行排列的柱状晶结构，减少了与表面平行的横向晶界，其持久强度、 塑性、冷热疲劳等性能均获得改善，具有更高的应变承受能力，同时涂层的抗氧化、抗 腐蚀性能也有所改善，并具有良好的耐磨性：但其导热系数高于等离子喷涂层。 1 1 2 热障涂层的无损检测与评价 鉴于热障涂层的重要地位和广阔的应用前景，国内外学者从成份设计、制备工艺、 组织结构、力学性能、失效分析等方面对涂层展开了全方位研究 2 - 6 】，取得了很大的进 展。然而在其质量检测方面仍存在一些问题。涂层检测主要集中在加工质量检测和服役 损伤检测两个方面： 大连理工大学硕士学位论文 热障涂层检测 加工质量检测il 服役损伤检测 ( 1 ) 涂层厚度 ( 2 ) 密度 ( 3 ) 微观结构 ( 气孔，微裂纹) ( 4 ) 残余应力 质量评价 ( 1 ) 裂纹 ( 2 ) 密度 ( 3 ) 氧化层厚度 ( 4 ) 陶瓷层厚度 监测寿命 图1 1 热障涂层的质量评价与寿命监测 f 逸1 1q u a l i t ye v a l u a t i o na n dl i f em o n i t o r i n gf o rt h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g 涂层质量评价和寿命监测是当今国际上热障涂层技术应用中尚未解决的问题1 7 j ，在 热障涂层技术研究过程中，涂层质量的检测已经成为涂层使用中的主要障碍。发展新的 涂层性能检测技术，尤其是无损检测技术，准确表征和评价热障涂层的各种性能，对热 障涂层的发展和应用来说都具有非常重要的意义【8 j 。目前，对涂层质量及性能的测定方 法可以分为两大类：有损检测和无损检测。常用有损检测方法主要有金相检验、扫描电 镜、x 射线衍射分析掣9 1 。这些方法普遍的缺点是破坏性与滞后性。而在无损检测技术 方面，主要有渗透检测、涡流检测、阻抗检测、红外热成像检测和超声检测。 渗透检测技术( p e n e t r a t et e s t i n g ，p t ) 用于检测涂层的表面缺陷。涡流检测技术( e d d y c u r r e n tt e s t i n g ，e t ) 主要用于检测涂层的厚度及气孔，国内外的研究人员已经研制出可 以进行静态测量和动态监测的涡流测厚仪，南京理工大学的张喜成【i o 等人设计的h g i 型涂层厚度监测仪可用于在铁磁基体上涂覆非铁磁性材料的层厚监测，德国k a r l d e u t s e h 公司开发的新一代无损涂层检测仪l e p 2 t o s k o p ，不仅能测量铁质基体上的非磁性涂层， 还能测量导体( 包括非铁质的) 基体上的非导体涂层。红外热成像检测技术( i n f r a r e d t h e m a o g r a p h i ct e s t i n g ，i t t ) 是一种广泛应用于涂层无损检测的技术，与其它检测技术 相比，它能快速得到测试结果，不受待测材料的限制，而且能用于较大表面的涂层检测。 瑞士的热喷涂涂层质量控制系统就是基于红外热成像技术，该系统能够实现涂层厚度检 热障涂层的超声表征原理与实验磷究 测、涂层质量监控和涂层缺陷检测等功能醛。阻抗检测技术( i m p e d a n c et e s t i n g ，i t ) 是通过测量涂层对交流电的频率响应测得电阻抗，并通过阻抗及其变化来评估材料的缺 陷【1 2 】。固本t o h o h 大学断裂研究中心用此方法研究了镍基含金基体上的z f 0 2 涂层，成 功地分析了镍基合金同z r 0 2 涂层之间形成的分层状况，分层是由粘结层合金m c r a l y 氧 化而形成，包括黑色的氧化铝层和灰色的混合氧化物层。氧化锆层和这两个氧化物层可 用阻抗法的3 个参数( 频率、阻抗值、稆兔) 箍述，氧巅二铝涂层的厚度可透过在一定的楣 角范围内的阻抗最大值计算。研究表明，阻抗检测技术还可用来评价2 1 0 2 涂层中各分层 的物理性质和厚度，并无损地评价其中的氧纯铝层的危害程度l l 引。 超声波具有被测对象范围广、检测灵敏度高、成本低、使用方便、对人体无害以及 便于现场使用等优点，使其在涂层特性无损表征与评价的研究方面引起了国内外科研人 员的关注【l 喇。目前，涂层的超声法检测主要集中在三个方面：超声显微镜技术，超声 表面波技术和超声脉冲回波技术。 ( 1 ) 超声显微威像技术是近来发展较快的一种无损检测方法，用于观察涂层内部的 缺陷及其分布。超声显微镜利用聚焦声波投射到物质表面或穿透到内部，获取物质表层、 匿表层及内部结构的信患。基前，超声显微成像技术在热障涂层中的应用处于研究阶段 1 4 1 o ( 2 ) 超声声表面波渗透到材料表面层下约一个波长的深度，因此声表面波受到近表 面层材料性质的影响，是检测材料近表面性质的一种理想手段。通过对超声信号的速度、 频散特征、散射和声衰减等的研究，可以对近表层材料性质的变化进行评估【2 。由于涂 层厚度较薄，多在微米量级，因此所需激发的表面波频率多在1 0 0m h z 以上，鼙前多借 助激光来激发。激光超声具有非接触激发，能一次同时在样品中激发高频率、宽频带和 多种模式的超声波等特点，德国的h e s s 2 2 1 和美国l 搀k r i s h n a s w a m y 2 3 】研究小组均采用激光 激发超声表面波对薄层及涂层进行实验测量，依据声波在涂层中的相速度与涂层密度及 弹性模量的关系式及相速度频散表达式，采用高频率超声波进行涂层相速度频散曲线的 测量，并结合数值拟合技术通过调整密度及弹性模量值使得拟合与实验频散曲线达到最 佳符合程度，则该状态下所赋予的密度和弹性模量值即为涂层相应参数，超声表面波对 密度及弹性模量的测量精度缀高。同超声曼微镜一样，激光超声表面波的研究也仅限于 实验室，由于激光激发的超声能量较高，会对材料表面造成一定程度的影响阱】，而且设 备昂贵。 ( 3 ) 超声脉冲回波技术是一种通用性最好和使用最广泛的超声无损检测技术，操作 简单，成本较低。由于所接收到的回波信号包含有材料内部缺陷性质、材料组织状态、 应力分布状态等大量有用信息，通过对所得回波信号嚣分析，可数获得声速和声衰减系 大连理工大学硕士学位论文 数等声学参量，进而可以达到无损表征材料的目的。脉冲回波技术 2 5 - 2 7 1 也存在局限性， 这种方法受材料声衰减和表面平整度的影响很大，且当待测声波在介质中往返一次的时 间小于脉冲宽度时，介质上下表面的反射回波将产生混叠，导致声速及声衰减等参数无 法直接测量，需要借助频谱分析等特殊的信号分析技术来提取介质相应的声学参量。 1 2 课题的研究现状 上世纪6 0 年代著名的前苏联物理学家b r e k h o v s k i k h 对层状介质中的波的传播进行 了系统而深入的研究，这些研究成果为后来科研人员利用声学原理表征层状介质特性奠 定了理论基础。迄今为止，国内外对薄层、涂覆层及多层复合涂层介质的超声表征研究 已取得一定的成果，国内西安交通大学的张锐、万明习等1 2 8 , 2 9 用兰姆波方法实现了超薄 双层胶结复合结构的声速、密度和厚度的测量；西北工业大学的刘志宏、盛美萍t 3 0 1 研究 了水下多层均匀材料在超声波垂直入射条件下的声学特性；中国科学院声学研究所的简 晓明、李明轩等【3 l 】对层状介质界面超声检测的原理和消除噪声的方法进行了探索。上海 交通大学的周星栋等人利用对表面波相速度频散曲线的反演方法计算出了熔凝石英基 体及铁基体，表面附着厚度为1 0 0g m 多晶金、铜和钛等金属涂层中的密度 3 2 o g a m i e r 等 人通过测量渗氮层中表面波声速及密度来间接获得渗氮层弹性模量及在0 11 1 2 1 t 1 范围内 残余应力随深度的变化情况【3 3 】。对于厚度较薄的涂层，需要提高探头的工作频率以通过 时域法获得涂层中的声速，j u n i c h ik u s h i b i k i 等人利用4 5 0m h z 超高频超声波对硼硅玻 璃薄膜的声阻抗、声速、密度及弹性常数进行t n 量m 】。s d i x o n 等人利用超声纵波共 振法对厚度为1 1 岫的聚合物涂层的厚度及弹性模量进行了测量1 3 引。 应该特别指出的是：频谱分析技术对于涂层特性的表征得到了深入的研究和成功的 应用1 3 6 - 3 9 ，l a v r e n t y e v 等人对5 1 岬厚的聚合物涂层分别测量了纵波垂直入射和横波斜 入射两种方法下的反射系数和透射系数的频谱，并利用涂层厚度、密度、弹性模量及衰 减系数与反射及透射系数频谱间的函数关系，计算出了这些参量，从而实现了涂层特性 的表征f 删。 目前，对于层状介质的超声表征研究多集中在均匀性较好的材料，而对于热障涂层 这种呈现明显非均匀性涂层的超声检测及特性表征则鲜见报导。英国的r l c o x 等研究 了等离子体喷涂的m o 、n i a i 及舢层中的超声波衰减，发现涂层组织结构及孔隙率与 衰减系数之间有一定的相关性1 2 0 。法国的v i n c e n t 【3 7 利用脉冲回波方法成功实现了对等 离子体喷涂z r 0 2 涂层声速和衰减系数的测定。意大利的c r u t z o n 3 9 】等人对等离子体喷涂 热障涂层的超声表征原理与实验研究 z r 0 2 涂层的孔隙率帮弹性模量进行了超声测量，并提出涂层中酶弹性模量( 3 3g p a ) 比 致密z r 0 2 块体材料的2 4 1g p a 低很多的原因是涂层中存在大量的孔隙及微裂纹。基于 无损检测具有的“非破坏性”及易于实现自动化、标准化的优点，越来越多的研究人员 在涂层质量的超声评价方面展开研究工作，并取得了一些有价值的研究结果，但多数研 究处于定性或半定量阶段1 4 l 却j 。 迄今为止，有关热障涂层质量酶超声检测国外研究屠多。尽管我国在涂层翎备、 组织结构及性能研究、失效分析等方面投入了较大的人力物力，也取得了十分重要的 研究成果1 4 9 - 5 2 ，僵壶于涂层质量无损检测与评价研究工作的滞后，势必对涂层技术的 进一步发展与提高造成影响。因此，研究超声表征热障涂层组织结构的理论和模型， 建立热障涂层超声表征系统，对实现涂层质量的全面检测和性能评价具有重要意义。 1 3 本课题的研究难点与研究内容 。3 。 超声表征热障涂藤的难点 热障涂层的组织结构及性能受制备工艺的制约，且与块体材料及均匀性涂层介质相 比有较大的差异，所以超声波在涂层中的传播也具有一定的特殊性。热障涂层皇身特殊 的结构，导致存在以下几种不利于超声检测的因素： ( 1 ) 由于涂层本身较薄( 微米量级) ，与基体之间往往形成多界面结构，使得涂层 上下表面的超声回波发生混叠。 ( 2 ) 涂层与基体间的声阻抗差异很小，导致涂层基体界面的反射信号非常弱。 ( 3 ) 涂层中多存在气孔、徽裂纹等小的散射体，使得高频信号衰减严重。 ( 4 ) 涂层的微观组织和结构上存在明显的非均匀性，使得理想均匀介质的超声传播 理论难以直接应羯在涂层的特性表征中。 本课题组的徐志辉、李继承等研究生为探寻适合于涂层表征的超声方法进行了大量 的实验研究，为了提高混叠信号中界面有效信号的声能，提出了超声脉冲回波水浸聚焦 技术进行涂层检测，其中徐志辉矧利用功率谱实现了z r 0 2 。8 y 2 0 3 涂层厚度的测量， 李继承f 5 3 】借助数值拟合技术对原始c r 2 0 3 涂层及h i p i b 辐照1 次和5 次涂层的声压反射 系数幅度谱进行了拟合，获得了涂层中的衰减系数，由于恐们所采用的模型为均匀层状 介质模型，使得计算和拟含中仍存在一些问题。 1 3 2 本文的研究内容 本研究在徐志辉等人对热障涂层所取得成果的基础上，从理论和实验上对热障涂层 的超声表征进行了研究，主要内容如下： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 针对涂层非均匀性等因素，建立了适用于菲均匀性层状介质超声表征的理论与 模型，获得了涂层的声压反射系数幅度谱与相位谱，为正确评价涂层性能及质量提供科 学的依据。 ( 2 ) 利用非均匀性层状介质模型的声压反射系数相位谱，对z r 0 2 8 y 2 0 3 涂层的厚 度进行了测量。 ( 3 ) 建立了声压反射系数相位谱极值与涂层密度的理论关系，并对c r 2 0 3 涂层不同 区域的密度进行了定性分析，以及对e b p v d 法制备的z r 0 2 。7 y 2 0 3 涂层的密度进行 了定量测量。 ( 4 ) 分别对原始c r 2 0 3 涂层及h i p i b 辐照1 次和5 次涂层的声压反射系数幅度谱和 原始z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层及h i p i b 辐照王次和5 次涂屡的声压反射系数相位谱进行了拟 合，获得了涂层的衰减系数。 ( 5 ) 为定量描述涂层中的频教程度，提出了频散程度因子，利用所得到的衰减系数 和频散因予对涂层的非均匀性进行了表征。 热障涂层的超声表征原理与实验研究 2 涂层中的声学参量 超声波在介质中传播时，介质的声速、声衰减和声阻抗等声学参量都和介质的特性 及状态等相关，通过这些声学参量的测量，可以了解被测介质的特性或状态的变化【5 5 1 。 相对予均匀的、各尚同性的介质焉言，无论是等离子体喷涂法还是e b p v d 法制备 的热障涂层，其内部均随机分布着一定数量的孔隙和微裂纹，同时涂层中的颗粒或颗粒 团簇以层片状或柱状存在，这些颗粒或颗粒团簇的尺寸覆盖范围较广，多在十几至几十 微米范围内，整个涂层呈现明显的非均匀性，因此超声波在热障涂层中传播会发生复杂 的散射及频散现象，研究涂层对超声波的散射和频散现象，对表征涂层的非均匀性具有 重要意义。 2 1声速 声波在介质中传播的速度，称为声速。超声波波型不同，其传播速度也不同。超声 波声速与传声介质自身的密度、弹性模量等性质密切相关，是反映材料特性的重要声学 参数之一圈。有关利用声速测量对材料或构件的某些特性进行测试和评价方面的研究很 多，如借助声速测试研究粉末冶金材料的孔隙率5 ( , - s 8 、无损评价球墨铸铁的球化率和力 学性能【5 9 , 6 0 、测量工件应力f 6 1 捌以及测定材料的损伤程度【6 3 斓等。此外，由予声速和材 料的位错密度、晶粒参数、晶粒纵横比和取向、晶界性能、相结构和其它偏聚性质等显 微结构参数中的部分参数相关，因此声速的变化在某些情况下能够反映材料内部显微结 构的改变。 在无限大各向同性均匀固体中，纵波和横波声速的表达式为： 纵波声速：q2 e ( 1 - a ) 丽 ( 2 1 ) 广1 _ - 横波声速： q 2 赢 ( 2 1 2 式中：荔一杨氏模量；一泊松比；反一介质密度 声速，按照不同情况可以分为相速度和群速度。相速度是单一频率的声波在均匀介 质中传播时声速。群速度是关于一族频率相近的波的传播速度，或者说是“波包的速度 泌l 。群速度是波群能量的传播速度。在非频散介质中，群速度等于相速度。群速度与相 速度间的关系式为： 大连理工大学硕士学位论文 铲2 p l c p - - c o 甜 汜3 ) 式中：c o = 2 z r f ，一声波频率 利用声速进行涂层特性表征已经在国内外得到了广泛的应用，佳木斯大学的朱萍、 曹永胜【鲴利用纵波声速对2 0 钢基体上喷涂的陶瓷涂层中的孔隙率和显微硬度进行了研 究；美国的p a r t h a s a r a t h i 等人通过标定声速与等离子体喷涂触2 0 3 涂层密度的关系曲线， 来确定涂层中的孔隙率1 6 7 1 。 2 2 频散 声波在介质中传播时，其相速度随频率变化的现象称为频散酬。窄脉冲超声波信号 在非均匀介质中传播时，不同频率成分的谐波与介质问的相互作用程度不同，发生超声 频散现象f 6 5 】，这些已经在松质骨骼6 8 1 及纤维复合材料【6 9 】等非均匀介质的超声表征研究 中被发现。 。i 卅日 扩 燃 1 ，八八， l ； li 图2 1 窄脉冲超声信号与介质相互作用示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nn a l t o wu l t r a s o n i cp u l s ea n dm e d i u m 热障涂层的超声表征原理与实验研究 介质的频散特性与其衰减特性存在着一定的关系，线性声学系统的频散与声衰减系 数满足k r a m e r s k r o n i g 关系，对于频散系数比较小的情况( _ d c 堕1 ) ，k r a m e r s k r o n i g d c o 关系可写成f 5 4 1 一d c ：_ 2 c 2 0 t ( 2 4 ) d c o 万功 其中c 为介质中的相速度，c o 为角频率，口为介质中的衰减系数。衰减作为频率的函数 出现，为理论研究和实验测量工作带来了困难。图2 2 给出了对应的相速度曲线和衰减 曲线( 相速度和衰减均为频率的函数) 【6 5 1 。 图2 2 相速度、衰减与角频率的变化关系曲线 f i g 2 2r e l a t i o nb e t w e e np h a s ev e l o c i t y ，a t t e n u a t i o na n df r e q u e n c y 2 3 声衰减 从广义上说，超声波在介质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象 统称为声衰减【7 0 】。 2 3 1 声衰减的类型 按照引起声衰减的不同原因，可以把声衰减分为三种主要类型：扩散衰减、吸收衰减 和散射衰减。 ( 1 ) 扩散衰减 超声波在介质中传播时，由于波阵面的扩大等原因，而使声压或质点振动速度的幅 度减小的现象，称为扩散衰减。 ( 2 ) 吸收衰减 吸收衰减是指声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的声波 能量减弱的现象。介质质点间的内摩擦、热传导、材料中的位错运动、磁畴壁运动等都 大连理工大学硕士学位论文 是导致吸收衰减的原因。在固体介质( 金属) 中，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以忽 略不计，但对于液体介质来说，吸收衰减是主要的。 ( 3 ) 散射衰减 散射衰减是指声波在一种介质中传播时，因碰到e l j 另一种介质组成的障碍物而向不 圈方向产生教射，从焉导致声波减弱的现象f 潮。材料中的杂质、粗晶、第二稆、多晶体 的晶界等，均会引起超声波的反射、折射，甚至波型转换，造成散射衰减。 吸收衰减、散射衰减取决予介震的特性，雨扩教衰减则由声源特憔所致。遽常，在 讨论超声波和介质特性的关系时，仅考虑吸收衰减、散射衰减，但在估计超声波传播损 失时，必须综合这三类衰减因素。超声波衰减的大小可用衰减系数来表征。声衰减与材 料的晶体结构、杂质等许多因素有关。 2 3 2 涂层中的声衰减 对于超声检测来说，若介质中含有声阻抗不同的粒子，且这些粒子的大小与超声波 的波长相当，则认为这种介质为“非均匀介质【7 0 1 。超声波在非均匀介质中传播或遇到 较小的非连续界面时，将偏离原来的传播方向丽向圆周传播，发生声散射。声散射造成 声能向四面八方扩散，而引起沿声束传播方向的声能的衰减，散射衰减问题也很复杂， 它既与介质的性质、状况有关，又与障碍物的性质、形状、尺寸及数麓有关。这些介质 中存在的障碍物统称为微小散射体。早在1 9 4 7 年，美国的m a s o nw p 和m c s k i m i nj h 在对多晶金属体材料的研究结果表明f _ 7 1 】，吸收衰减系数和散射衰减系数都与超声波的 频率有关，根据晶粒大小与超声波波长之比，散射衰减又存在三种情况( 表2 1 ) 。 表2 1 多晶体材料中的衰减机制 t a b l e2 1a t t e n u a t i o nm e c h a n i s mi np o l y c r y s t a l l i n es o l i d s 波长与晶粒直径关系衰减机制衰减系数 爻 d r a y l e i g h 散射a ( f ) = a ，f 4 a 粼d s t o c h a s t i c 散射 a ( 力= a ，f 2 爻 2 6 2g c m 3 ) 的区域。对应涂层的 s e m 结果推测：相位谱谱线i 对应于超声波穿过涂层较致密、片层状空洞较少、微裂 纹密度较小的区域；相位谱谱线i i 对应于涂层片层状空洞较多、微裂纹密度较大的区域。 相比时域信号和幅度谱而言，相位谱可以更好的定量表征存在较大不均匀性的薄层材 料。这里需要指出的是：实验中相位谱谱线的差异并不只由涂层的密度决定的，还可能 与涂层的厚度和超声波传播过程中的声衰减值相关，本实验根据s e m 结果认为谱线的 差异主要是和涂层的密度有关。 4 4 2电子束物理气相沉积z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层密度的定量表征 ( 1 ) 涂层的s e m 结果 实验样品为电子束物理气相沉积( e b p v d ) 方法在g h 3 3 基体上制备的 z r 0 2 7 y 2 0 3 陶瓷涂层，观察图4 1 1 可以发现，涂层内部随机分布着一定程度的孔隙 和微裂纹，内部颗粒及颗粒团簇呈典型柱状结构，整个涂层呈现明显的非均质性。 热障涂层的超声表征原理与实验研究 图4i1z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层的横截面s e m 照片 f i g4 1 1c r o s s - s e c t i o n a l m o r p h o l o g yo n t h e z 帕 - 7 y ! o 、c o a t i n g ( 2 ) 超声实验结栗 超声测试系统，41 节相同，由实验所得到的涂层声压反射系数相位潜( 图41 2 ) 发现两谐振频率之比为：上= m2 9 ，并且，m 对应的相位极值也不满足中心对称 这些与33 讧原理预测相符。 fr m h z l 削41 2 z r o - 7 y 2 0 、泺层的自压反射系数树位_ 1 i 实验结果 f i g4 】2e x p e r i m e n t a ls o u n dp r e s s u r er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t p h a s es p e c t r u mo f z r 0 2 - 7 y 2 0 3c o a l i n g 结台泺层厚度d 2 1 5 0 m ，由式( 31 3 ) 计算出 、所对应的纵波声速岛( f ) - 2 6 1 0 和。，e l ) = 2 8 6 4n d s ，假设涂层中频散关系为：f ，( r ) = 可m 1 ，经训算求解出 ! 大连理i 大学硕f 。学位论文 c ：( ，j = 2 3 2 7 f o ”8 ( m s ) 。进步计算得出q ( a f , ) = 2 4 5 2 和c 2 u + 6 f , ) = 2 7 2 5 m s 。图 41 3 为依据公式( 3 】0 ) 绘制的声压反射系数相位和涂层密度随频率变化的曲线，其中 衰减系数“( f ) 的数值选用v i n c e n t 等人口”给出的数据02 4n p ，n m l 。叫以看到，随着涂 层密度p ，增大及其取值范围不同，声压反射系数相位极值在由工到+ 的过程 中变化规律截然不同，以t 为中心，分别呈现由相位极小值急剧变化至极大值和由相位 极大值变化为极小值两种情况，且相位极值本身在不断碱小。 图47 3z r 0 2 - 7 y ，0 3 游层鲁度与频室丑声压反射系数相位序。关系 f i g4 1 3r e l a t i o na m o n g t h e z r 0 2 7 y 2 0 3c o a t i n gd e n s g y ，f r e q u e n c y a n ds o u n dp r e s s u r ec o e f f i c i e n tp h a s es p e c t r u m 针对本研究给定的z r 0 2 7 y 2 0 3 涂层特性参数，可根据式( 31 6 ) 计算出对应声压 反射系数相位极值不同变化规律的涂层密度临界值p ，和p 分别为20 9 和25 9 ( c m 3 ) 。图4 1 4 给出了p ：在三个区司变化时对应的相位谱。当0 p ，1 20 9 时，m 、 对应的相位极值都是由极小值向极大值变化f 图4 1 4 ( a ) ：在2 1 0 ! p 1 25 9 范围 内，f = 6 , 对应的相位极值由极小值向相位极人值变化，而m 对应的相位极值则由 极大值向极小值变化；在26 0 1 p ，58 9 ( 58 9g c m 为块体z r 0 2 密度) 范围内，猷、 对应的相位极值均是由极大值向极小值急剧变化。 一雌氍岫霸圈_j 参妒 豢眵 热障涂层的超声表征原理与实验研究 图4 1 4 涂层密度变化与对应的相位谱：( a ) 0 p 2 2 0 9 ；c o ) 2 1 0 p ：2 5 9 ；( c ) 2 6 0 p 2 5 8 9 f i g 4 14p h a s es p e c t r ac o r r e s p o n d i n gt ot h r e ed e n s i t y