涂層內(nèi)界面粗糙度超聲測(cè)量研究.pdf

1、界面粗糙化是提高涂層和基體結(jié)合強(qiáng)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(duì)界面粗糙度進(jìn)行表征可以為涂層零件的質(zhì)量檢測(cè)和壽命監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)。現(xiàn)有方法幾乎均局限于表面粗糙度測(cè)量，難以實(shí)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(cè)量方法，理論方面給出了從混疊信號(hào)中獲取粗糙度信息的原理以及對(duì)非均勻涂層測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正的思路，利

2、用數(shù)值模擬手段分析了檢測(cè)條件及材料非均勻性對(duì)測(cè)量的影響，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該方法的有效性。主要研究?jī)?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(cè)量?jī)?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(jī)粗糙表面模型的構(gòu)建方法，進(jìn)一步建立了用于超聲數(shù)值模擬的時(shí)域有限差分法計(jì)算模型，并對(duì)邊

3、界條件的設(shè)置以及數(shù)值穩(wěn)定性條件進(jìn)行了分析。
　　(3)通過數(shù)值模擬分析了超聲波長(zhǎng)λ、聲束覆蓋范圍、形狀誤差及涂層非均勻性對(duì)粗糙度測(cè)量的影響。結(jié)果表明:主頻15MHz、20MHz和25MHz聲源能測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越大，并且形狀誤差是超聲測(cè)量時(shí)難以消除的不

4、利因素;孔隙率較小時(shí)，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(cè)量精度。
　　(4)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量值與激光共聚焦法測(cè)量的粗糙度絕對(duì)誤差均小于3.3μm，相對(duì)誤差小于17％;將碳化鎢涂層試樣的界面粗糙度超聲測(cè)量