涂層內(nèi)界面粗糙度超聲測量研究.pdf

1、界面粗糙化是提高涂層和基體結(jié)合強度的有效措施，但在服役過程中隨著界面粗糙度的增大，涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力也隨之增大，高度的應(yīng)力集中容易導(dǎo)致涂層剝落失效。對界面粗糙度進行表征可以為涂層零件的質(zhì)量檢測和壽命監(jiān)測提供重要依據(jù)。現(xiàn)有方法幾乎均局限于表面粗糙度測量，難以實現(xiàn)制備完成的涂層內(nèi)界面粗糙度表征。本文提出一種基于超聲聲壓反射系數(shù)幅度譜的內(nèi)界面粗糙度測量方法，理論方面給出了從混疊信號中獲取粗糙度信息的原理以及對非均勻涂層測量結(jié)果進行修正的思路，利

2、用數(shù)值模擬手段分析了檢測條件及材料非均勻性對測量的影響，并通過實驗測試驗證了該方法的有效性。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)從超聲波在均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中的傳播模型入手，基于相屏近似理論推導(dǎo)出含粗糙界面薄層結(jié)構(gòu)的聲壓反射系數(shù)幅度譜公式，結(jié)合相關(guān)系數(shù)匹配法建立了超聲測量內(nèi)界面粗糙度的理論基礎(chǔ)。
　　(2)闡述了滿足高斯型高度分布函數(shù)和指定自相關(guān)函數(shù)隨機粗糙表面模型的構(gòu)建方法，進一步建立了用于超聲數(shù)值模擬的時域有限差分法計算模型，并對邊

3、界條件的設(shè)置以及數(shù)值穩(wěn)定性條件進行了分析。
　　(3)通過數(shù)值模擬分析了超聲波長λ、聲束覆蓋范圍、形狀誤差及涂層非均勻性對粗糙度測量的影響。結(jié)果表明:主頻15MHz、20MHz和25MHz聲源能測量的粗糙度范圍分別為20～65μm、5～45μm和2～40μm;一維情況下獲得可靠超聲測量結(jié)果需要滿足的聲束覆蓋范圍D與輪廓單峰平均間距S之間的關(guān)系為D≥5S;粗糙度越小，形狀誤差對測量結(jié)果的影響越大，并且形狀誤差是超聲測量時難以消除的不

4、利因素;孔隙率較小時，通過確定涂層的衰減規(guī)律并用于修正聲壓反射系數(shù)幅度譜公式，可以削弱涂層非均勻性的影響，提高超聲測量精度。
　　(4)實驗測試標(biāo)準(zhǔn)粗糙度試樣以及碳化鎢涂層試樣的界面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)稱粗糙度Ra分別為3.2μm、6.3μm、12.5μm和25.0μm的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度試樣中，除Ra=3.2μm試樣外，超聲測量值與激光共聚焦法測量的粗糙度絕對誤差均小于3.3μm，相對誤差小于17％;將碳化鎢涂層試樣的界面粗糙度超聲測量