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基于频谱分析的材料表面改性层特性超声无损表征

徐志辉  
【摘要】:利用超声检测方法对材料表面改性层特性(如尺度、弹性模量、结合强度、残余应力等)进行表征是改性层质量评价研究的热点。表面改性层的厚度一般较薄,且存在一个甚至多个异质薄层,不同界面的超声回波相互叠加与干涉,增加了超声特征参量提取的难度。本文基于多层介质中超声波的传播特性,通过优化超声检测方法和设计实验参数,建立了一套水浸聚焦脉冲回波超声检测及信号处理系统,该系统换能器晶片直径7mm、中心频率10MHz、声透镜曲率半径5.5mm、水中焦距15。超声检测及信号处理系统6mm、换能器在X-Y-Z方向的位移精度0.01 mm,并利用Origin软件,借助计算机完成对超声信号的分析与处理。 利用所建立的超声检测系统对高温合金基体上厚度为270-400μm ZrO_2的陶瓷涂层进行了厚度测试,依据多层介质厚度测量的频谱分析原理,计算出归一化功率谱周期性极值间的频率间隔△f,根据声速v与频率间隔Af的关系式h=v/2△f求得涂层厚度h为400gμm、339μm和277μm,该结果与金相法测量结果相符。利用超声检测系统对强流脉冲离子束(HIPIB)不同次数辐照(N=1.10,J_i=300A/cm~2)不锈钢基体上的Cr_2O_3陶瓷涂层进行了超声表征,频谱分析结果表明,辐照次数从1次增加到10次,5.371MHz、6.836MHz和8.301MHz频率的归一化功率谱峰幅度随辐照次数增加,呈现先增大后减小的交替变化,且谱峰幅度起伏程度在低次辐照时较大,在多次辐照时趋于平坦,归一化功率谱峰幅度的变化与利用Surfcorder SE-3H型轮廓仪测得的表面粗糙度精度倒数(1/R)的变化趋势一致。研究认为,表面涂层厚度和辐照改性层特性的超声无损表征为材料表面改性层质量评价提供了很好的途径。


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