轴类涂层结构力学性能超声显微评价方法研究

表面工程既是先进制造技术，也是再制造工程的关键技术。其涂层技术作为重要的材料表面强化技术和复合技术，在航空航天、机械、核电及发电机等领域的表面工程中已得到广泛应用，尤其对机器中非常重要又极易产生局部磨损的轴类部件如：航空发动机轴颈、汽车曲轴等的抗磨损涂层和尺寸恢复的应用更为普遍。涂层的重要性能，如厚度、质量密度、弹性常数等，对于保证涂层结构的完整性起着至关重要的作用，同时受加工工艺及磨损腐蚀所致的基体材料的氢脆- - 氢致力学性能劣化更具危险性。因此，研究轴类结构部件的涂层和基底力学性能变化是一个倍受关注的热点问题。本项目针对轴类涂层结构部件提出一种超声无损检测综合测试技术，研究涂层结构部件涂层弹性常数和基底材料弹性常数变化与氢浓度关系的表征方法，解决氢致金属力学性能劣化速度和氢脆程度的测定问题。该技术对于航空、船舶和汽车等领域在役轴类涂层结构部件的力学性能检测和寿命评估具有巨大的应用价值。

涂层技术作为表面工程的关键技术，在众多领域关键部件表面强化中被广泛应用，尤其对局部磨损严重的轴类部件表面抗磨损涂层及再制造工程尺寸修复方面的应用更为瞩目。弹性常数作为涂层力学性能的重要指标，对评价涂层结构的完整性至关重要，同时受加工工艺及磨损腐蚀所致的基体材料的氢脆引起的氢致力学性能劣化也极具危险性，因此，研究轴类涂层结构部件的涂层和基底力学性能变化具有重要的科学意义和应用价值。轴类涂层结构因其几何形状的殊特性，较之板类超声检测难度更大，但其研究成果对板、块类涂层结构完全适用，因此，本着立足发展一种材料力学性能超声显微无损检测新技术及多参数反演新方法的宗旨，研究工作从理论研究、数值计算、设备研制、换能器制作、实验研究、参数反演等方面开展了系统深入的研究，建立了一套完整的基于超声显微镜技术的材料声学性能、力学性能和电学性能的超声无损检测综合评价系统。主要研究内容和成果包括：.1. 建立了不同性能材料的声学、力学及电学特征的多特性多参量波动力学理论模型。对各向同性//异性材料的声学特性开展数值仿真与实验研究，实现了6个弹性常数、4个压电常数、2个介电常数的实验测量与反演表征，为新型功能材料力学及电学参数评价提供了理论基础。.2. 建立了一套基于模拟退火的粒子群优化反演算法(PS-B-SA)。提出了基于频散方程系数矩阵行列式的新型目标函数，结合多模态实验频散曲线，实现了材料性能多维参数的联合反演，并提高了材料性能参量反演的精确性。.3. 提出了一种轴类涂层结构中波的传播特性及弹性常数无损检测新方法。建立了轴类涂层结构声传播的理论模型，提出了相位互相关拟合获取表面声波实验频散曲线的新方法，实现了多种材质不同直径轴类镀层材料弹性常数超声表征。.4. 开发了一种新型胶体耦合介质实现了超声显微非水浸散焦测量。利用自主研制的高频超声探头和可移动式高精度超声显微测量系统，实现了大型板材和厚壁管非水浸超声检测，为其工程化应用提供了新手段。.5. 提出了一种利用表面声波表征材料氢损伤的新方法。利用自主研制的专用PVDF窄膜线聚焦超声探头，对不同渗氢试件氢损伤程度进行表面声波精确测量，其超声测量结果与硬度和金相显微检测结果相一致，为早期氢损伤无损检测与评价提供了新技术。