基于涡流法的复合材料涂层厚度测量研究

基于涡流法的复合材料涂层厚度测量研究

1非磁性金属基复合材料涂层厚度涡流法测量纤维碳化合物（rcc化合物）广泛应用于航空航天、军事和民用工业部门。为了防止复合材料在空气中高速运行被氧化,通常需要在碳-碳基体表面镀一层碳化硅材料(厚度约50～600μm)。若覆层太薄,满足不了零部件表面性能的要求;若覆层太厚,不仅浪费了材料,还会造成覆层内应力过大,降低覆层的结合强度。因此其表面覆层厚度的检测就显得十分重要。对于涂镀层的测量,有许多方法可以实现,如磁感应法、射线法、红外检测法、超声法、电涡流法等。其中,电涡流法是实施这类超薄型涂层厚度测量的最佳方法之一。近年来,国内外的研究人员对涡流法测厚进行了深入的研究并取得了一定的成果,李长青和YaronDanon针对薄层非铁磁性金属厚度的涡流法检测进行研究,得出该方法适合测量电导率低的薄层金属厚度及其厚度变化。楼敏珠等人针对铁磁性基体材料上非铁磁性薄涂镀层厚度测量的问题,研制了一种能很好地满足薄涂镀层厚度测量要求的高精度涡流测厚仪。F.Roper通过采用高频涡流法对超薄金属薄片进行厚度测量,测量范围达到10～200μm。可以看出目前测量对象主要为非磁性或磁性金属基体上的绝缘层厚度,有时也应用在某些非磁性金属基体上的金属(与基体电导率差异很大)镀层厚度测量的特殊场合。而带涂层碳纤维复合材料的基体和涂层的材质都有一定的导电性能,虽可列入非磁性金属基体上金属涂层范畴,但其材质不同于一般金属,属于超低电导率的范畴,并且电导率的分布不均匀。因此,针对此类材料开展的非磁性非均匀超低电导率金属基体上涂镀层厚度涡流测量方法的研究已成为亟待解决的研究课题。本文主要探讨利用提离效应实施碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量的可行性。首先,结合被测材料特有的材料属性,利用ANSYS软件,采用电导率混合分块赋值的方法建立涡流检测线圈阻抗的二维模型,并在此基础上对不同激励频率进行数值模拟计算,得到非磁性金属基体上金属涂层厚度变化的涡流检测线圈的归一化阻抗图;然后结合实验验证分析了涡流法涂层测厚仿真的准确性。2检测频率的影响涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法,当把一块导体置于交变磁场之中,在导体中就有感应电流存在,即产生涡流。也产生一个与原磁场方向相反的相同频率的磁场,从而导致检测线圈阻抗发生变化。而影响涡流的强度与分布的因素,如金属导体的电阻率ρ、相对磁导率μ、金属导体的厚度h、线圈激励频率f以及线圈与金属导体间的距离dis等参数有关,如图1所示。仿真和实验结果来看,在选择最佳的检测频率条件下提离距离与涂层厚度有良好的相关性。电涡流法测量涂层厚度时,在保持其他参数不变的情况下,通过提离效应就能实现涂层厚度的高精度测量。3实际工程中应用ANSYS有限元分析软件有着强大的分析及处理、求解功能,因而在实际工程中得到了广泛的实际应用。利用ANSYS有限元分析一般分为:建模、定义参数、划分网格、加载求解、后处理等几个步骤。3.1双摆头式的简化模型由于所建模型是一个涡流检测线圈放置于带一定涂层厚度的金属圆柱平板上的简化模型,考虑到其具有对称性,只需要对它的一半进行建模;而且为了更好地模拟实际待测材料电导率不均匀性的特点,可对材料模型进行分块处理,如图2、图3所示。3.2几何尺寸及材料参数的确定模拟分析之前,需要实际测量的材料参数及尺寸,由于碳纤维复合材料及其涂层材料存在电导率不均匀的特性,故通过多次测量取平均值的方法得出各自电导率,在定义线圈和被检工件的几何尺寸及材料参数,仿真中用到的具体参数如表1所示。3.3材料比的责任关系混合分块赋值是基于所建基体材料和涂层材料的分块模型,以实验所测得的涂层材料和基体材料平均电阻率为基准,仿真电阻率随之上下浮动0.2E-06Ω·m对其依次从左到右进行循环分块赋值。这种方法能比较真实地反映现实被检材料电导率不均匀的属性。本次实验所用标准试块测得的数据为:基体材料电导率的平均值为1.778%IACS(即电阻率0.97E-06Ω·m),涂层材料电导率的平均值为0.826%IACS(即电阻率2.0873E-06Ω·m)。下表分别是基体材料和涂层材料平均电阻率上下浮动0.2E-06Ω·m时的电导率换算数据。根据表2及表3数据从左到右依次循环对混合分块模型进行电阻率的赋值。4检测频率对线圈抗压强度的影响仿真检测频率分别从100kHz开始每次递增100kHz直到2MHz的条件下,,膜层厚度从1μm开始每次3μm逐步增加到160μm时检测线圈阻抗的变化。根据被检涂层的检测要求,因为待测涂层厚度约在60μm左右,可选择30μm到90μm膜层厚度范围内检测线圈的阻抗进行作图,得到不同频率阻抗图结果如图4所示。由上述阻抗图可以粗略得出线圈阻抗值与检测频率之间的关系(即采用不同测量频率时,其线圈阻抗值之间的线性相关程度及分辨力不一样)。一般地说,随着检测频率的递增,线圈阻抗值之间的线性相关程度越来越低,并不利于膜层厚度的测量,但线圈阻抗值之间的分辨力却有所提高。为了更清晰地反映线圈阻抗值与测量频率之间的关系,可以对所测得的数据作进一步分析。1计算变量质量的量首先,采用数值分析方法的线性相关分析对仿真数据进行相关性分析,以得出不同检测频率下的测量线圈阻抗值的线性程度。在分析时,通常采用线性相关系数R来表示多个变量之间线性关系强度的数值度量,该系数可反映一个变量的变化对于另外一个变量具有的影响的大小R的计算公式为:R=∑(x−x¯)(y−y¯)(n−1)SxSy(1)R=∑(x-x¯)(y-y¯)(n-1)SxSy(1)式中:SxSy是x和y的标准差。通过计算,得出的不同检测各个频率条件下,线圈阻抗图的线性相关系数如图5所示。通常,当线性程度要求达到0.001时,数据的相关性比较好,即:1≥|R|≥0.999由图可知,随着频率的增加,R的绝对值越来越小。其中,当频率为100kHz≤f≤600kHz时,可满足上述要求,而当频率超出这个范围,数据的线性相关度变小。2检测频率对圈辨力的影响在分析时,可采用分辨力系数S来反映一组数据之间的可分辨能力。对于涡流测厚来说,求其线圈阻抗数据的分辨力,即求线圈阻抗数据所有数据点之间的间隔之和的平均值。当有一组线圈阻抗数据:(x1、y1)(x2、y2)…(xi、yi)…(xn、yn)。S的计算公式为:S=∑n=1n(xj+1−xj)2+(yi+1−yi)2√n−1(2)S=∑n=1n(xj+1-xj)2+(yi+1-yi)2n-1(2)通过计算,可得出各个频率条件下,线圈阻抗图的数据分辨力,结果如图6所示。由图6可以很直观地看出随着频率的增加,线圈阻抗数据的分辨力在不断增加,即采用较高的检测频率,能提高检测的分辨能力,有利于提高涂层测厚的准确性。综上所述,结合数据相关性及其分辨力与检测频率的关系可知当检测频率在600kHz左右时为最佳检测频率,这时探头线圈阻抗与涂层厚度有着很好的线性相关性和检测分辨率。5结果与分析1示例碳纤维复合材料(基底)和带有SiC涂层的基底试块各一块。22仪器和检测EEC智能涡流检测仪、D-P式平面涡流探头。3涡流信号检测频率的确定如图7所示,利用提离效应测量在基底试块和带有涂层试块上的涡流信号,比较不同试块上测量所得涡流信号的差异,并且通过反复调节,寻找使得两者信号幅值差异最大时的测量工作频率,即最佳检测频率。4测试频率对幅值差的影响为了方便观察,所有实验均通过调节相位使涡流信号的提离方向处于水平,增益均为30dB,平衡点均位于阻抗图中心点,图8为测试频率为100kHz时幅值差测试结果,图中A为幅值差值。按照以上方法,分别测量不同频率条件下的幅值差并作图,如图9所示。由图9可以直观地看出随着频率的递增,基底与带有涂层试块上的涡流信号的幅值差先递增后递减,在600kHz到700kHz之间达到最大值,即在此区间内存在最佳检测频率。6复合涂层的检测频率本文采用涡流检测技术对碳纤维复合材料涂层厚度的测量进行了研究并针对碳纤维复合材料上涂层的材料电导率不均匀性的属性,利用电导率混合分块赋值法进行仿真并进行了实验验证,通过分析可以得出以下结论:1)采用混合分块赋值仿真模拟能很好地仿真材料电导率不均匀性的特点,提高了仿真的准确度,由在此基础上得到的仿真结果可以看出,在一定的检测频率范围内探头线圈阻抗与涂层厚度有着很好的线性相关性和检测分辨率,有利于提高涡流测厚的精确度;2)实验表明采用涡流法进行碳纤维复合材料涂层测厚是可行的,而且通过选