1.1 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1.1 缺陷檢測

材料的缺陷總體來分有表層缺陷和內(nèi)部缺陷，無論是表層缺陷還是內(nèi)部缺陷都會給材料、結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的力學(xué)性能下降，因此缺陷的無損評價一直是無損檢測領(lǐng)域重點研究的問題之一，超聲檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的缺陷無損檢測方法。目前的缺陷檢測技術(shù)越來越好，但在缺陷評定與評價方面存在相當(dāng)?shù)牟蛔悖缛毕莸牡燃壴u定只重視大小、長度，不重視高度和深度^[40]；零件檢測執(zhí)行中忽視經(jīng)濟效益，重工藝，輕評價^[41]。無損檢測與評價是一個多領(lǐng)域、多層次的綜合技術(shù)，每種技術(shù)都有特定的應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點，隨著再制造工程的不斷發(fā)展，包含涂層及基體的再制造零件缺陷評價也逐漸成為超聲無損評價領(lǐng)域中的研究熱點。研究表明，相比于軋制或鍛造材料而言，這類零件超聲波信號信噪比低，影響缺陷評價結(jié)果的因素較多，在現(xiàn)有的條件下，很難同時兼顧效率、安全、成本、質(zhì)量等多方位要求，研究人員要做的就是不斷豐富無損檢測的理論與技術(shù)，將最新的技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實際。

針對材料內(nèi)部缺陷的無損評價，目前實驗研究主要采用的是體波（縱波和橫波）。采用最常用的脈沖反射法（體波）檢測時，由于檢測儀阻塞時間和始脈沖寬度的影響，存在著檢測盲區(qū)^[42]（盲區(qū)是指從探測面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的最小距離，表征系統(tǒng)的近距離分辨能力）。對于表層缺陷的檢查，目前實驗研究主要采用的是表面波（瑞利波）。由于表面波的能量集中于表面下2個波長之內(nèi)，檢查表層缺陷靈敏度極高。但是，要想同時檢測出材料表層和內(nèi)部缺陷，就需要更換檢測探頭（將表面波探頭更換為縱波或橫波探頭），非常不方便。

針對上述問題，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了各自的解決方案，北京航天材料及工藝研究所的吳時紅、陳穎^[43]等人針對特種涂層內(nèi)部缺陷的檢測設(shè)計了涂層專用超聲顯微檢測系統(tǒng)，該套系統(tǒng)的表面/亞表面成像原理^[43]如圖1-3所示，入射縱波以θ_R（瑞利波入射角）入射到樣品表面激發(fā)出瑞利波。內(nèi)部成像原理^[43]如圖1-4所示，入射縱波在樣品內(nèi)部沿著與入射縱波對稱的路徑返回透鏡。采用該系統(tǒng)對特種涂層的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測后的結(jié)果表明，該系統(tǒng)能檢測出涂層內(nèi)部的裂紋、氣孔和涂層與基體脫粘等缺陷。采用超聲瑞利波聲透鏡，可有效檢測出涂層表面及亞表面的缺陷。清華大學(xué)的姜宇、張華堂^[44]等人利用可調(diào)節(jié)聚焦深度的超聲顯微成像技術(shù)，將聚焦聲束投射到物質(zhì)表面或穿透到內(nèi)部，從而實現(xiàn)對材料表層、亞表層和內(nèi)部缺陷的檢測。

圖1-3 表面/亞表面成像原理

圖1-4 內(nèi)部成像原理

再制造零件內(nèi)部小缺陷（如小裂紋）的發(fā)現(xiàn)對提高零部件的服役壽命非常重要，對于處于萌芽狀態(tài)的表層小缺陷，及時采用表面工程技術(shù)進(jìn)行修復(fù)可顯著提高零部件的服役壽命。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)有采用非線性檢測方法檢測微裂紋、微小缺陷及膠接層質(zhì)量的報道^[45-47]，利用超聲波的非線性效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)材料早期損傷的無損表征。非線性超聲檢測的原理為：超聲波在傳播過程中與材料微觀結(jié)構(gòu)（包含纖維增強層合板中的纖維基體，各種內(nèi)在的或外部環(huán)境作用產(chǎn)生的缺陷和損傷區(qū)）相互作用，并經(jīng)過界面的多次反射與波形轉(zhuǎn)換后被換能器接收，對接收到的波形信號進(jìn)行分析，提取一個能反映材料力學(xué)性能的參量，稱為應(yīng)力波因子。美國RITEC RAM-5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)是世界上第一套專門用于材料無損評估的非線性效應(yīng)研究的超聲測試系統(tǒng)，性能非常優(yōu)越。

1.1.2 應(yīng)力檢測

激光熔覆是再制造工程中常用的表面工程技術(shù)之一，實踐表明，再制造涂層中的應(yīng)力會顯著影響再制造零件的性能。因此對激光熔覆層應(yīng)力進(jìn)行檢測及評價就成為保證其質(zhì)量的重要手段和方法。

現(xiàn)有的應(yīng)力檢測方法主要有彎曲法、鉆孔法^[48-49]、X射線衍射法、中子衍射法^[50]、拉曼光譜法^[51-52]和云紋干涉法^[53-55]等。每種檢測方法的檢測原理、特點及使用范圍都各不相同。

彎曲法的特點是不破壞原有涂層，但只能測量厚度方向上的平均殘余應(yīng)力。英國劍橋大學(xué)的Tsui Y C、Doyle C和Clyne T W^[55]等人采用原位曲率檢測法實現(xiàn)了對等離子噴涂層全過程應(yīng)力的監(jiān)測。鉆孔法的特點是檢測方法簡單、可靠，缺點是由于要在被測零件上鉆孔，會破壞零件的整體結(jié)構(gòu)，另外，鉆孔過程常常會引起材料的損傷和屈服，影響測量效果。清華大學(xué)工程力學(xué)系的戴福隆教授等人將云紋干涉法與鉆孔法相結(jié)合^[56]，在殘余應(yīng)力檢測方面做了大量有效的工作。中子衍射法可以檢測零件更大深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，但中子源的流強度較弱，需要的測量時間比較長，另外中子源的建造和運行費用昂貴，因此中子衍射法檢測殘余應(yīng)力還未在實際中得到廣泛應(yīng)用。

超聲波檢測應(yīng)力的方法是以聲彈理論和非線性超聲理論為基礎(chǔ)建立的^[57]。聲彈理論的應(yīng)用基于一系列假設(shè)條件的成立，例如物體具有連續(xù)性、均勻性，物體是超彈性的，聲波的小擾動疊加在物體的有限變形上，變形過程等熵等。非線性超聲應(yīng)力檢測是基于超聲波在固體介質(zhì)（應(yīng)力作用下）中傳播時表現(xiàn)出的非線性特性。非線性超聲波檢測應(yīng)力的研究還比較少。2009年，美國加州大學(xué)的Ivan B^[58]等人采用非線性超聲導(dǎo)波對混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)某相鄰絞線之間的接觸應(yīng)力與超聲導(dǎo)波的非線性效應(yīng)密切相關(guān)。2010年，Liu M^[59]等人利用非線性瑞利波檢測了噴丸處理過的鋁合金表面殘余應(yīng)力，結(jié)果表明瑞利波非線性系數(shù)與應(yīng)力大小呈線性比例關(guān)系。2016年，北京理工大學(xué)的徐春廣^[60]課題組對2024鋁合金拉伸過程中表面波的非線性系數(shù)進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)二階與三階非線性系數(shù)對拉伸應(yīng)力具有不同的靈敏度，三階非線性系數(shù)更為敏感。上述針對各向異性材料應(yīng)力超聲檢測的研究，具有較強的新穎性和借鑒意義，但不容忽視的是，上述研究大多停留在實驗觀察的層面，缺乏深層次的理論分析。

國內(nèi)外基于聲彈理論檢測應(yīng)力的理論和實驗研究較多。激光熔覆層通常為各向異性組織，并且在涂層制備過程中材料會發(fā)生彈塑性變形，完全與之符合的聲彈理論有待進(jìn)一步發(fā)展。美國、日本、英國的一些大學(xué)和科研機構(gòu)從20世紀(jì)80年代開展了一系列相關(guān)的研究，并且取得了一些有意義的成果。1981年，Johnson George C^[61]以Green的彈塑性連續(xù)介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了彈塑性條件下的聲彈公式，由于公式中包括彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、主拉伸率和強作硬化參數(shù)，通過彈塑性實驗才能確定這些復(fù)雜參數(shù)的值，所以很難在實際中推廣應(yīng)用；同年，Kenichi Okada^[62]在微各向異性材料的非線性彈性本構(gòu)假設(shè)下，推導(dǎo)出弱正交各向異性材料的聲彈公式；1983年，Johnson George C進(jìn)一步發(fā)展了彈塑性條件下的聲彈公式，顯著的進(jìn)步是聲彈公式中不包含塑性應(yīng)變，常數(shù)取恒定值，應(yīng)力可以直接與速度關(guān)聯(lián)；1985年，Yih-Hsing Pao^[63]推導(dǎo)了具有初始應(yīng)力、正交各向異性材料介質(zhì)中的聲彈公式。上述研究成果都是對彈塑性變形條件下，各向異性材料中聲彈理論的有益探索，但這些研究成果大都只停留在理論推導(dǎo)的層面，距實際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。

鑒于聲彈理論研究工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢，相關(guān)的大學(xué)和科研機構(gòu)更多地開展了實驗研究。1983年，King R B^[64]采用斜入射水平方向偏振剪切波（SH波）實現(xiàn)了微弱正交異性條件下平面應(yīng)力狀態(tài)的測定，此方法有效地分離了織構(gòu)效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。假設(shè)主應(yīng)力與材料對稱軸重合，平面應(yīng)力狀態(tài)下的聲彈公式為

式中，SH_ij為在面ij中傳播的SH波聲速；SH₀為兩種波速的平均值；c₄₄、c₅₅為材料的彈性常數(shù)；α（θ）為不同角度下的聲彈常數(shù)；T₂₂、T₁₁為主應(yīng)力。

1984年，Thompson R B^[65]采用傳播方向互相垂直的平面SH波分離織構(gòu)效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)，提出的表達(dá)式為

ρ（v²_ij-v²_ji）=σ_ii-σ_jj （1-2）

式中，ρ為材料密度；v_ij、v_ji為在面ij中傳播的SH波聲速；σ_ii、σ_jj為主應(yīng)力。

1984年，牛津大學(xué)的Allen D R、Sayers C M^[66]使用聚焦縱波與橫波雙折射相結(jié)合的方法分離組織影響，并在裂紋尖端殘余應(yīng)力測量中進(jìn)行了驗證。1992年，Rokhlin S I^[67]提出了GAO技術(shù)，使用兩種橫波和一種縱波，在橫波偏振角度和應(yīng)力之間建立了關(guān)系。2001年，Bray Don E^[68]等人用表面波評估了鋼板中的表面應(yīng)力。2002年，法國機械工業(yè)技術(shù)中心^[69]使用臨界折射縱波，考慮了熱影響區(qū)和焊縫區(qū)組織效應(yīng)對檢測結(jié)果的影響，對對接平板焊接縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量，結(jié)果與小孔法比較吻合很好。2008年，同濟大學(xué)的李勇攀、王寅觀^[70]等人采用反射縱波法對鋼軌中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了檢測。2015年，筆者所在的課題組^[71]使用瑞利波檢測激光熔覆層表面應(yīng)力，結(jié)合塑性變形理論分析了各向異性微觀組織對檢測結(jié)果的影響，提出了削弱組織效應(yīng)影響，提高檢測結(jié)果可靠性的方法，并通過實驗進(jìn)行了驗證。上述研究極大地推動了各向異性材料應(yīng)力超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，具有較強的借鑒意義，但其探索分離組織效應(yīng)的方法存在一定盲目性，沒有將超聲傳播理論與材料的微觀形貌相結(jié)合，深入分析組織效應(yīng)影響應(yīng)力檢測結(jié)果的機理，在分離組織效應(yīng)的同時做出令人信服的解釋。

通常情況下金屬材料的聲彈效應(yīng)很微弱，100MPa應(yīng)力導(dǎo)致的速度變化約為0.1%（鋁）和0.01%（鋼）^[72]，因此，聲彈效應(yīng)表征參量的精確測量是超聲應(yīng)力檢測技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。隨著科技的發(fā)展，聲彈效應(yīng)表征參量的檢測精度逐步提高，這主要得益于兩方面的改善：①提高了檢測儀器的精度，例如基于壓電超聲換能器的脈沖干涉法、脈沖疊加法、脈沖回波技術(shù)、連續(xù)波技術(shù)等^[73-74]；②采用了現(xiàn)代信號處理技術(shù)，如閾值法、互相關(guān)函數(shù)法、基于分?jǐn)?shù)低階協(xié)方差法及互功率譜相位法等^[75-77]，提取表征聲彈關(guān)系的特征參量（如聲時差）。目前，非接觸超聲技術(shù)也得到發(fā)展，包括電磁超聲技術(shù)、激光超聲技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)和空氣耦合超聲技術(shù)，可以實現(xiàn)不接觸測量，提高檢測效率，避免了耦合狀態(tài)引起的測量誤差，測量重復(fù)性好。

利用超聲波測量應(yīng)力的主要途徑有：利用聲速與應(yīng)力的關(guān)系；超聲波振幅衰減程度與應(yīng)力的關(guān)系；超聲波非線性特性與應(yīng)力之間的關(guān)系；瑞利波入射角與應(yīng)力的關(guān)系；回波功率譜與應(yīng)力之間的關(guān)系；應(yīng)力影響聲束相互作用的情況等，其中聲速與應(yīng)力關(guān)系^[78]是當(dāng)前研究的熱點。由于激光熔覆層通常為各向異性材料，材料中的織構(gòu)、夾雜物、缺陷必然會引起超聲應(yīng)力檢測表征參量的某種波動，進(jìn)而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。因此提高應(yīng)力檢測結(jié)果可靠性的首要問題就是明確向超聲波在各向異性材料中的傳播規(guī)律，找到定量檢測應(yīng)力大小的最佳聲透信道。

相比于實驗研究，數(shù)值模擬在模型“制作”、參數(shù)選取和變動及對模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方面，更為靈活和方便，能夠突出實驗中不易觀察的某些細(xì)節(jié)。以聲場分析和缺陷回波預(yù)測為研究目標(biāo)的超聲檢測數(shù)值模擬技術(shù)近年來獲得了迅速發(fā)展，其應(yīng)用主要包括：①不同類型缺陷散射及回波預(yù)測^[79]；②各向同性及各向異性材料中超聲傳播及探頭輻射聲場分析^[80-81]；③超聲成像模擬^[82]。針對各向異性材料應(yīng)力的超聲檢測，尚未發(fā)現(xiàn)有其他學(xué)者采用數(shù)值模擬技術(shù)開展相關(guān)研究工作的報道。

目前提高超聲應(yīng)力檢測結(jié)果可靠性研究目標(biāo)的途徑主要有三種：①通過嘗試性實驗^[83-84]探索檢測系統(tǒng)參數(shù)（溫度、耦合方式、表面粗糙度等）對應(yīng)力檢測結(jié)果的影響規(guī)律，提出修正誤差方法；②提高超聲應(yīng)力檢測特征參量（如超聲波速度、振幅等）的檢測精度；③結(jié)合彈塑性變形理論、超聲波傳播理論推導(dǎo)有效分離或削弱各向異性材料組織效應(yīng)的理論公式，并通過實驗進(jìn)行驗證。通過嘗試性實驗探索誤差修正方法時，由于缺乏理論支持，一旦檢測對象和實驗條件發(fā)生變化，又需要進(jìn)行多次實驗才能找到修正誤差的方法。采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)^[85-88]可以在某種程度上提高應(yīng)力檢測結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，但仍然局限于檢測儀器許可的精度范圍之內(nèi)。針對超聲應(yīng)力檢測技術(shù)中，各向異性材料組織效應(yīng)的分離，目前國內(nèi)學(xué)者提出的方法局限性較強。例如通過理論推導(dǎo)得到的公式比較復(fù)雜，難以在實際中推廣應(yīng)用。實驗研究提出的方法，僅停留在實驗觀測水平，不具有普遍適用性。由于沒有全面掌握各向異性材料中超聲傳播的細(xì)節(jié)信息，所以無法深入揭示組織效應(yīng)影響應(yīng)力檢測結(jié)果的機理，從而找到分離組織效應(yīng)的有效方法并做出令人信服的解釋。更為重要的是上述幾種方法均存在一定的盲目性，缺乏優(yōu)化檢測方法和提高檢測結(jié)果可靠性的指導(dǎo)性、系統(tǒng)性方法。因此，有關(guān)各向異性材料應(yīng)力超聲檢測的研究尚處于經(jīng)驗、模糊層面，相關(guān)的理論及實驗研究有待進(jìn)一步深化。

1.1.3 涂層性能檢測

隨著無損檢測方法的不斷進(jìn)步，無損檢測也正朝著無損評價的方向發(fā)展。國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，Lian D和Suga Y^[89]等人利用超聲反射波強度或超聲波在涂層中的傳播速度來評價界面結(jié)合強度，結(jié)果表明反射波強度越高，界面結(jié)合強度越低，建立了超聲波反射強度和界面強度之間的關(guān)系。Kawas和Cox R L^[90]等人研究了超聲波在涂層中傳播時的衰減，發(fā)現(xiàn)涂層組織結(jié)構(gòu)、氣孔率與衰減系數(shù)之間有一定的相關(guān)性。Haines^[91]等人對鋁表面噴涂的環(huán)氧樹脂層進(jìn)行了研究，借助反射系數(shù)譜得出了涂層中的聲速、密度和衰減系數(shù)。大連理工大學(xué)的林莉、李喜孟、趙揚^[92]采用強流脈沖離子束（High Intensity Pulsed Ion Beams，HIPIB）輻照方式獲得了特性（孔隙率、微裂紋及致密度）不同的Cr₂O₃陶瓷涂層，對原始試樣和輻照次數(shù)不同的試樣，分別進(jìn)行超聲檢測，試驗結(jié)果表明，隨著輻照次數(shù)的增加，聲速越來越大，聲速提高表明涂層彈性性能增強。涂層經(jīng)輻照后孔隙及裂紋減少，涂層變得致密，同時其表面顯微硬度提高。超聲試驗結(jié)果與理論分析一致，因此利用聲速能夠?qū)IPIB改性的Cr₂O₃陶瓷涂層進(jìn)行超聲表征。

再制造零件的涂層厚度不僅是表征涂層本身幾何尺寸的一個參量，而且與涂層的使用壽命、涂層材料消耗及再制造的生產(chǎn)成本等問題直接相關(guān)，因而，對涂層厚度的無損測量就成為再制造涂層質(zhì)量評價中至關(guān)重要的參數(shù)之一。由于超聲檢測技術(shù)在測量涂層厚度中的優(yōu)勢，國內(nèi)外很多研究人員采用該項技術(shù)進(jìn)行了涂層厚度的檢測。意大利的Lakestain Fereydoun^[39]等人利用表面波法測量了等離子噴涂金屬涂層的厚度。Moreno Eduardo Acevedo Pedro^[93]等人利用蘭姆波法實現(xiàn)了復(fù)合材料表面薄層的厚度測量。目前涂層厚度的超聲測量方法大體上可分為脈沖反射法、共振法、干涉法三種。三種方法在涂層測厚中都有各自的局限性，如脈沖反射法不適合測量比較薄且界面不規(guī)則的涂層厚度，因為這種情況下，超聲波在涂層內(nèi)發(fā)生多重反射，基體/涂層界面產(chǎn)生的回波相互干涉疊加，難以從接收的回波信號中分離出涂層界面回波信號；共振法不適合測量涂層厚度變化超過20%或聲波半波長的情況；超聲干涉法可以用來檢測薄涂層厚度，但由于基體及涂覆層種類繁多，基體與薄涂層之間的性質(zhì)可能彼此接近，也可能相差懸殊，某些情況下會導(dǎo)致干涉信號幅度變化過小、反射系數(shù)譜極值位置難以判斷，從而造成薄層厚度測量誤差偏大。

隨著計算機、數(shù)字信號處理技術(shù)及人工智能的發(fā)展，采用數(shù)字信號處理與人工智能結(jié)合的方法測量涂層厚度在實際應(yīng)用中越來越普及。大連理工大學(xué)的徐志輝、林莉^[94]等人為了解決脈沖反射法測量薄涂層厚度時，表面涂層介質(zhì)中不同界面的超聲回波相互疊加，無法直接讀取對應(yīng)界面回波的時間延遲這一問題，他們通過對混疊信號干涉規(guī)律的分析，利用歸一化功率譜分析技術(shù)實現(xiàn)了對鎳基高溫合金基體上ZrO₂涂層的厚度測試，并通過金相分析驗證了該方法的有效性；北京工業(yè)大學(xué)的杜晶晶、李曉延^[95]等人選用Mexh小波對采集到的超聲波回波信號進(jìn)行連續(xù)小波變換，對熱噴涂涂層厚度進(jìn)行了測量，并通過試驗驗證了理論結(jié)果。采用上述這些信號處理方法雖然可以解決涂層厚度測量中的許多問題，但也有許多問題需要進(jìn)一步探索，例如小波變換雖然具有對信號的自適應(yīng)處理及良好的時頻分析能力，特別適用于非平穩(wěn)信號（超聲波）的檢測，但目前對小波基的選擇還沒有嚴(yán)格的準(zhǔn)則和成熟的方法，只是依靠經(jīng)驗來選取，而不同的小波基選取會極大地影響超聲波信號分析的結(jié)果。因此，提高小波函數(shù)的理論水平并拓展其在超聲檢測中的應(yīng)用將是需要進(jìn)一步探索、研究的問題。