《Optics & Laser Technology》：Quantitative visual characterization of thickness distribution in thermal barrier coatings using laser spatially resolved acoustic spectroscopy
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Zihao Dong|Xuan Li|Shijun Wang|Lishuai Liu|Yanxun Xiang•通过自适应融合相速度与色散斜率提升检测灵敏度。•联合参数可实现全微米尺度范围内的厚度映射线性化。•最优因子可确保在实测干扰条件下仍能实现稳定线性拟合。•基于群速度的斜率
Zihao Dong|Xuan Li|Shijun Wang|Lishuai Liu|Yanxun Xiang
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通过自适应融合相速度与色散斜率提升检测灵敏度。
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联合参数可实现全微米尺度范围内的厚度映射线性化。
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最优因子可确保在实测干扰条件下仍能实现稳定线性拟合。
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基于群速度的斜率提取方法无需进行密集的空间扫描。
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可实现非均匀热障涂层厚度分布的可视化定量分析。
引言
由于出色的隔热性能和高温稳定性，热障涂层被广泛应用于航空发动机及燃气轮机的高温部件中[1]、[2]。通常通过空气等离子喷涂法制备的陶瓷顶层涂层厚度，直接影响热障涂层的耐热性能和使用安全性[3]。在服役过程中，热应力与机械应力的共同作用可能导致陶瓷涂层变薄、界面氧化甚至剥落，从而威胁到部件的完整性[4]。因此，准确评估涂层厚度至关重要，但传统的无损检测方法存在诸多局限：涡流检测法对涂层的导电性较为敏感[5]，而太赫兹信号则易受微观结构不均匀性以及设备成本过高的影响[6]。
声波的传播特性对材料厚度和微观结构十分敏感，其传播速度、衰减特性及色散特性均可用于材料表征。操作简单的脉冲回波技术可通过界面处频率依赖的反射系数来确定涂层厚度[7]、[8]。然而，热障涂层的多孔结构会导致强烈的声波衰减，且在较薄的涂层中还会出现回波重叠现象，这些因素都限制了该方法的测量精度[9]。与体波相比，表面声波主要在距材料表面大约一到两个波长的深度内传播，因此无需考虑界面回波的影响。表面声波具有传播衰减小、能量集中的优点。激光超声技术能够高效激发表面声波，并实现非接触式测量，从而避免了传统超声检测中超声耦合剂可能造成的表面污染，同时还具备较高的空间分辨率。正因如此，近年来大量研究致力于利用激光激发表面声波的速度、色散等声学特性，建立其与膜层厚度、塑性损伤等关键参数之间的内在关联[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
在实际检测中，采用飞行时间法测量厚度时会受到表面声波色散特性的影响而产生一定误差。SRAS方法通过使用固定间距的激光线阵来激发特定波长的窄带表面声波，能够从波包的中心频率便捷地获取局部表面声波速度信息，进而便于厚度测量。此外，该方法还能将宽频激光超声能量集中在窄带频谱范围内，从而显著提升信噪比[16]、[17]。激光SRAS技术可通过狭缝掩模[18]或微透镜阵列[19]来实现，但由于掩模法会阻挡部分光路以形成激发线阵，其激发效率低于微透镜阵列。鉴于该方法具备强大的抗干扰能力，且能够快速准确地确定窄带表面声波的速度，已被应用于晶粒尺寸测量[20]、金属表面硬度空间分布映射[21]、裂纹特征分析[22]以及涂层脱粘缺陷检测[23]等领域。由于热障涂层中陶瓷顶层涂层的厚度不同，其表面声波的色散特性也存在显著差异，现有研究已利用激光声谱学激发的窄带表面声波，通过测量相速度直接表征陶瓷顶层涂层的厚度[24]、[25]。但在实际检测中发现，表面声波的二阶模式在时域上容易与高阶模式发生重叠，难以单独提取波形进行分析。若仅利用基模的相速度来表征陶瓷顶层涂层的厚度，当表面声波波长为500微米时，一旦涂层厚度超过约250微米，基模的相速度就会趋于饱和，同时检测灵敏度也会大幅下降。因此，仅依靠单一波速特征很难全面、准确地表征涂层厚度信息。
热障涂层中陶瓷顶层涂层的厚度不仅会影响表面声波的速度，还会显著改变其色散曲线的形状。先前的研究已经表明，声波的色散特性被广泛用于材料各种力学性能的定量表征，比如反演弹性常数[26]、评估涂层与基体之间的界面结合性能[27]，以及测定增材制造钛合金试件的厚度[28]。Ospitia等人[29]研究了孔隙对水泥基材料超声色散特性的影响，并建立了色散曲线最大斜率与孔隙缺陷大小之间的定量关系。
在涂层结构中，激光激发的表面声波也表现出明显的色散特性，而色散曲线的斜率信息能够反映其色散行为的关键特征。为了解决仅依靠单一相速度在涂层厚度表征中信息不足的问题，本文提出了一种基于联合表征参数的新方法。通过将基模的相速度与对应的色散曲线斜率相结合，构建出一种自适应的联合参数，从而实现微米级涂层厚度的精确测量以及厚度分布的空间可视化。与现有方法相比，该方法仅需利用能量最强且最易于获取的基模信息。通过构建线性最优因子，即可得到该联合参数，并与整个涂层厚度范围建立线性关系，从而有效克服传统单参数方法在测量较厚涂层时灵敏度不足的问题。同时，该线性因子还可通过优化算法实现自适应优化，使其在工业现场检测环境中具备更好的线性表征性能。首先，对典型涂层结构中表面声波的传播特性进行了理论分析，推导出了联合表征参数与涂层厚度之间的解析关系。随后，利用有限元仿真模型获取激光激发的窄带表面声波信号，并通过频数域方法提取色散曲线，以验证所提模型的可行性和准确性。最后，搭建了激光超声SRAS测量系统，对具有三种不同厚度陶瓷顶层涂层的试件进行了实验，研究了联合参数与涂层厚度之间的线性映射关系。该方法为非接触式、高精度的涂层厚度测量提供了一种新的途径。
章节节选
理论与方法
图1展示了所提方法的整体框架。由于热障涂层中表面声波的相速度在涂层厚度较大时会趋于饱和并丧失灵敏度，因此仅依靠相速度无法在整个厚度范围内实现线性表征。为克服这一限制，本研究引入色散曲线斜率作为辅助特征，即便相速度出现饱和趋势，该特征仍能对厚度变化保持灵敏度。
热障涂层的有限元模型
为验证所提方法的可行性及其在涂层厚度测量中的准确性，我们使用COMSOL Multiphysics 6.2构建了不同厚度的二维热障涂层模型。图5（a）和（b）展示了热障涂层模型及其对应的超声场示意图，相应的材料参数列于表1中。基体为尺寸为12.5毫米×3毫米的镍基超合金，而BC层则由NiCoCrAlY组成。
实验装置与试样
如图9（a）和（c）所示，在激光SRAS实验中，脉冲激光信号由Q开关Nd:YAG激光器（Dawa-200，Beamtech Optronics Co., Ltd.公司生产）产生，该激光器的初始激发光斑直径为6毫米，输出波长为1064纳米，脉宽不超过8纳秒，最大脉冲重复频率为10赫兹。初始激发光束垂直入射到阵列间距为500微米的圆柱形微透镜阵列上，随后穿过二向色镜，
结论
本文提出了一种用于热障涂层厚度测量的自适应联合表征参数方法，可实现整个厚度范围内的精确线性表征。需要说明的是，此处所说的整个厚度范围指的是实验中所使用的表面声波波长范围内的厚度，这也是热障涂层的典型厚度范围。由于激光SRAS激发的窄带表面声波的相速度在涂层厚度较大时会趋于饱和并丧失灵敏度，
CRediT作者贡献说明
Zihao Dong：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论，研究，数据整理，概念构思。Xuan Li：可视化，验证，方法论，研究，概念构思。Shijun Wang：可视化，验证，方法论，研究，概念构思。Lishui Liu：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，资源协调，方法论，研究，概念构思。Yanxun Xiang：监督，方法论，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1606600）的支持。
Zihao Dong于2024年在中国上海的华东理工大学获得机械设计、制造及自动化工程学士学位，目前他正在该校机械与动力工程学院攻读机械工程硕士学位。
他的当前研究兴趣包括激光超声检测与机器学习领域。
