1.1 超声检测技术的应用领域
1.1.1 缺陷检测
材料的缺陷总体来分有表层缺陷和内部缺陷，无论是表层缺陷还是内部缺陷都会给材料、结构带来严重的力学性能下降，因此缺陷的无损评价一直是无损检测领域重点研究的问题之一，超声检测技术是目前应用最为广泛、最为成熟的缺陷无损检测方法。目前的缺陷检测技术越来越好，但在缺陷评定与评价方面存在相当的不足，例如缺陷的等级评定只重视大小、长度，不重视高度和深度[40]；零件检测执行中忽视经济效益，重工艺，轻评价[41]。无损检测与评价是一个多领域、多层次的综合技术，每种技术都有特定的应用范围和优缺点，随着再制造工程的不断发展，包含涂层及基体的再制造零件缺陷评价也逐渐成为超声无损评价领域中的研究热点。研究表明，相比于轧制或锻造材料而言，这类零件超声波信号信噪比低，影响缺陷评价结果的因素较多，在现有的条件下，很难同时兼顾效率、安全、成本、质量等多方位要求，研究人员要做的就是不断丰富无损检测的理论与技术，将最新的技术应用于生产实际。
针对材料内部缺陷的无损评价，目前实验研究主要采用的是体波（纵波和横波）。采用最常用的脉冲反射法（体波）检测时，由于检测仪阻塞时间和始脉冲宽度的影响，存在着检测盲区[42]（盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离，表征系统的近距离分辨能力）。对于表层缺陷的检查，目前实验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个波长之内，检查表层缺陷灵敏度极高。但是，要想同时检测出材料表层和内部缺陷，就需要更换检测探头（将表面波探头更换为纵波或横波探头），非常不方便。
针对上述问题，国内外很多学者提出了各自的解决方案，北京航天材料及工艺研究所的吴时红、陈颖[43]等人针对特种涂层内部缺陷的检测设计了涂层专用超声显微检测系统，该套系统的表面/亚表面成像原理[43]如图1-3所示，入射纵波以θR（瑞利波入射角）入射到样品表面激发出瑞利波。内部成像原理[43]如图1-4所示，入射纵波在样品内部沿着与入射纵波对称的路径返回透镜。采用该系统对特种涂层的内部质量进行检测后的结果表明，该系统能检测出涂层内部的裂纹、气孔和涂层与基体脱粘等缺陷。采用超声瑞利波声透镜，可有效检测出涂层表面及亚表面的缺陷。清华大学的姜宇、张华堂[44]等人利用可调节聚焦深度的超声显微成像技术，将聚焦声束投射到物质表面或穿透到内部，从而实现对材料表层、亚表层和内部缺陷的检测。
图1-3 表面/亚表面成像原理
图1-4 内部成像原理
再制造零件内部小缺陷（如小裂纹）的发现对提高零部件的服役寿命非常重要，对于处于萌芽状态的表层小缺陷，及时采用表面工程技术进行修复可显著提高零部件的服役寿命。近年来，国内外已经有采用非线性检测方法检测微裂纹、微小缺陷及胶接层质量的报道[45-47]，利用超声波的非线性效应能够实现材料早期损伤的无损表征。非线性超声检测的原理为：超声波在传播过程中与材料微观结构（包含纤维增强层合板中的纤维基体，各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区）相互作用，并经过界面的多次反射与波形转换后被换能器接收，对接收到的波形信号进行分析，提取一个能反映材料力学性能的参量，称为应力波因子。美国RITEC RAM-5000 SNAP非线性高能超声测试系统是世界上第一套专门用于材料无损评估的非线性效应研究的超声测试系统，性能非常优越。
1.1.2 应力检测
激光熔覆是再制造工程中常用的表面工程技术之一，实践表明，再制造涂层中的应力会显著影响再制造零件的性能。因此对激光熔覆层应力进行检测及评价就成为保证其质量的重要手段和方法。
现有的应力检测方法主要有弯曲法、钻孔法[48-49]、X射线衍射法、中子衍射法[50]、拉曼光谱法[51-52]和云纹干涉法[53-55]等。每种检测方法的检测原理、特点及使用范围都各不相同。
弯曲法的特点是不破坏原有涂层，但只能测量厚度方向上的平均残余应力。英国剑桥大学的Tsui Y C、Doyle C和Clyne T W[55]等人采用原位曲率检测法实现了对等离子喷涂层全过程应力的监测。钻孔法的特点是检测方法简单、可靠，缺点是由于要在被测零件上钻孔，会破坏零件的整体结构，另外，钻孔过程常常会引起材料的损伤和屈服，影响测量效果。清华大学工程力学系的戴福隆教授等人将云纹干涉法与钻孔法相结合[56]，在残余应力检测方面做了大量有效的工作。中子衍射法可以检测零件更大深度范围内的残余应力，但中子源的流强度较弱，需要的测量时间比较长，另外中子源的建造和运行费用昂贵，因此中子衍射法检测残余应力还未在实际中得到广泛应用。
超声波检测应力的方法是以声弹理论和非线性超声理论为基础建立的[57]。声弹理论的应用基于一系列假设条件的成立，例如物体具有连续性、均匀性，物体是超弹性的，声波的小扰动叠加在物体的有限变形上，变形过程等熵等。非线性超声应力检测是基于超声波在固体介质（应力作用下）中传播时表现出的非线性特性。非线性超声波检测应力的研究还比较少。2009年，美国加州大学的Ivan B[58]等人采用非线性超声导波对混凝土结构中预应力钢筋的应力进行了检测，发现某相邻绞线之间的接触应力与超声导波的非线性效应密切相关。2010年，Liu M[59]等人利用非线性瑞利波检测了喷丸处理过的铝合金表面残余应力，结果表明瑞利波非线性系数与应力大小呈线性比例关系。2016年，北京理工大学的徐春广[60]课题组对2024铝合金拉伸过程中表面波的非线性系数进行了测量，发现二阶与三阶非线性系数对拉伸应力具有不同的灵敏度，三阶非线性系数更为敏感。上述针对各向异性材料应力超声检测的研究，具有较强的新颖性和借鉴意义，但不容忽视的是，上述研究大多停留在实验观察的层面，缺乏深层次的理论分析。
国内外基于声弹理论检测应力的理论和实验研究较多。激光熔覆层通常为各向异性组织，并且在涂层制备过程中材料会发生弹塑性变形，完全与之符合的声弹理论有待进一步发展。美国、日本、英国的一些大学和科研机构从20世纪80年代开展了一系列相关的研究，并且取得了一些有意义的成果。1981年，Johnson George C[61]以Green的弹塑性连续介质模型为基础，推导了弹塑性条件下的声弹公式，由于公式中包括弹性应变、塑性应变、主拉伸率和强作硬化参数，通过弹塑性实验才能确定这些复杂参数的值，所以很难在实际中推广应用；同年，Kenichi Okada[62]在微各向异性材料的非线性弹性本构假设下，推导出弱正交各向异性材料的声弹公式；1983年，Johnson George C进一步发展了弹塑性条件下的声弹公式，显著的进步是声弹公式中不包含塑性应变，常数取恒定值，应力可以直接与速度关联；1985年，Yih-Hsing Pao[63]推导了具有初始应力、正交各向异性材料介质中的声弹公式。上述研究成果都是对弹塑性变形条件下，各向异性材料中声弹理论的有益探索，但这些研究成果大都只停留在理论推导的层面，距实际应用还很远。
鉴于声弹理论研究工程应用进展缓慢，相关的大学和科研机构更多地开展了实验研究。1983年，King R B[64]采用斜入射水平方向偏振剪切波（SH波）实现了微弱正交异性条件下平面应力状态的测定，此方法有效地分离了织构效应和应力效应。假设主应力与材料对称轴重合，平面应力状态下的声弹公式为
式中，SHij为在面ij中传播的SH波声速；SH0为两种波速的平均值；c44、c55为材料的弹性常数；α（θ）为不同角度下的声弹常数；T22、T11为主应力。
1984年，Thompson R B[65]采用传播方向互相垂直的平面SH波分离织构效应和应力效应，提出的表达式为
ρ（v2ij-v2ji）=σii-σjj （1-2）
式中，ρ为材料密度；vij、vji为在面ij中传播的SH波声速；σii、σjj为主应力。
1984年，牛津大学的Allen D R、Sayers C M[66]使用聚焦纵波与横波双折射相结合的方法分离组织影响，并在裂纹尖端残余应力测量中进行了验证。1992年，Rokhlin S I[67]提出了GAO技术，使用两种横波和一种纵波，在横波偏振角度和应力之间建立了关系。2001年，Bray Don E[68]等人用表面波评估了钢板中的表面应力。2002年，法国机械工业技术中心[69]使用临界折射纵波，考虑了热影响区和焊缝区组织效应对检测结果的影响，对对接平板焊接纵向残余应力进行了测量，结果与小孔法比较吻合很好。2008年，同济大学的李勇攀、王寅观[70]等人采用反射纵波法对钢轨中的残余应力进行了检测。2015年，笔者所在的课题组[71]使用瑞利波检测激光熔覆层表面应力，结合塑性变形理论分析了各向异性微观组织对检测结果的影响，提出了削弱组织效应影响，提高检测结果可靠性的方法，并通过实验进行了验证。上述研究极大地推动了各向异性材料应力超声检测技术的发展，具有较强的借鉴意义，但其探索分离组织效应的方法存在一定盲目性，没有将超声传播理论与材料的微观形貌相结合，深入分析组织效应影响应力检测结果的机理，在分离组织效应的同时做出令人信服的解释。
通常情况下金属材料的声弹效应很微弱，100MPa应力导致的速度变化约为0.1%（铝）和0.01%（钢）[72]，因此，声弹效应表征参量的精确测量是超声应力检测技术的关键环节之一。随着科技的发展，声弹效应表征参量的检测精度逐步提高，这主要得益于两方面的改善：①提高了检测仪器的精度，例如基于压电超声换能器的脉冲干涉法、脉冲叠加法、脉冲回波技术、连续波技术等[73-74]；②采用了现代信号处理技术，如阈值法、互相关函数法、基于分数低阶协方差法及互功率谱相位法等[75-77]，提取表征声弹关系的特征参量（如声时差）。目前，非接触超声技术也得到发展，包括电磁超声技术、激光超声技术、超声显微镜技术和空气耦合超声技术，可以实现不接触测量，提高检测效率，避免了耦合状态引起的测量误差，测量重复性好。
利用超声波测量应力的主要途径有：利用声速与应力的关系；超声波振幅衰减程度与应力的关系；超声波非线性特性与应力之间的关系；瑞利波入射角与应力的关系；回波功率谱与应力之间的关系；应力影响声束相互作用的情况等，其中声速与应力关系[78]是当前研究的热点。由于激光熔覆层通常为各向异性材料，材料中的织构、夹杂物、缺陷必然会引起超声应力检测表征参量的某种波动，进而影响检测结果的准确性、可靠性。因此提高应力检测结果可靠性的首要问题就是明确向超声波在各向异性材料中的传播规律，找到定量检测应力大小的最佳声透信道。
相比于实验研究，数值模拟在模型“制作”、参数选取和变动及对模拟结果的数据处理方面，更为灵活和方便，能够突出实验中不易观察的某些细节。以声场分析和缺陷回波预测为研究目标的超声检测数值模拟技术近年来获得了迅速发展，其应用主要包括：①不同类型缺陷散射及回波预测[79]；②各向同性及各向异性材料中超声传播及探头辐射声场分析[80-81]；③超声成像模拟[82]。针对各向异性材料应力的超声检测，尚未发现有其他学者采用数值模拟技术开展相关研究工作的报道。
目前提高超声应力检测结果可靠性研究目标的途径主要有三种：①通过尝试性实验[83-84]探索检测系统参数（温度、耦合方式、表面粗糙度等）对应力检测结果的影响规律，提出修正误差方法；②提高超声应力检测特征参量（如超声波速度、振幅等）的检测精度；③结合弹塑性变形理论、超声波传播理论推导有效分离或削弱各向异性材料组织效应的理论公式，并通过实验进行验证。通过尝试性实验探索误差修正方法时，由于缺乏理论支持，一旦检测对象和实验条件发生变化，又需要进行多次实验才能找到修正误差的方法。采用现代信号处理技术[85-88]可以在某种程度上提高应力检测结果的可靠性、准确性，但仍然局限于检测仪器许可的精度范围之内。针对超声应力检测技术中，各向异性材料组织效应的分离，目前国内学者提出的方法局限性较强。例如通过理论推导得到的公式比较复杂，难以在实际中推广应用。实验研究提出的方法，仅停留在实验观测水平，不具有普遍适用性。由于没有全面掌握各向异性材料中超声传播的细节信息，所以无法深入揭示组织效应影响应力检测结果的机理，从而找到分离组织效应的有效方法并做出令人信服的解释。更为重要的是上述几种方法均存在一定的盲目性，缺乏优化检测方法和提高检测结果可靠性的指导性、系统性方法。因此，有关各向异性材料应力超声检测的研究尚处于经验、模糊层面，相关的理论及实验研究有待进一步深化。
1.1.3 涂层性能检测
随着无损检测方法的不断进步，无损检测也正朝着无损评价的方向发展。国内外很多学者进行了相关的研究工作，Lian D和Suga Y[89]等人利用超声反射波强度或超声波在涂层中的传播速度来评价界面结合强度，结果表明反射波强度越高，界面结合强度越低，建立了超声波反射强度和界面强度之间的关系。Kawas和Cox R L[90]等人研究了超声波在涂层中传播时的衰减，发现涂层组织结构、气孔率与衰减系数之间有一定的相关性。Haines[91]等人对铝表面喷涂的环氧树脂层进行了研究，借助反射系数谱得出了涂层中的声速、密度和衰减系数。大连理工大学的林莉、李喜孟、赵扬[92]采用强流脉冲离子束（High Intensity Pulsed Ion Beams，HIPIB）辐照方式获得了特性（孔隙率、微裂纹及致密度）不同的Cr2O3陶瓷涂层，对原始试样和辐照次数不同的试样，分别进行超声检测，试验结果表明，随着辐照次数的增加，声速越来越大，声速提高表明涂层弹性性能增强。涂层经辐照后孔隙及裂纹减少，涂层变得致密，同时其表面显微硬度提高。超声试验结果与理论分析一致，因此利用声速能够对HIPIB改性的Cr2O3陶瓷涂层进行超声表征。
再制造零件的涂层厚度不仅是表征涂层本身几何尺寸的一个参量，而且与涂层的使用寿命、涂层材料消耗及再制造的生产成本等问题直接相关，因而，对涂层厚度的无损测量就成为再制造涂层质量评价中至关重要的参数之一。由于超声检测技术在测量涂层厚度中的优势，国内外很多研究人员采用该项技术进行了涂层厚度的检测。意大利的Lakestain Fereydoun[39]等人利用表面波法测量了等离子喷涂金属涂层的厚度。Moreno Eduardo Acevedo Pedro[93]等人利用兰姆波法实现了复合材料表面薄层的厚度测量。目前涂层厚度的超声测量方法大体上可分为脉冲反射法、共振法、干涉法三种。三种方法在涂层测厚中都有各自的局限性，如脉冲反射法不适合测量比较薄且界面不规则的涂层厚度，因为这种情况下，超声波在涂层内发生多重反射，基体/涂层界面产生的回波相互干涉叠加，难以从接收的回波信号中分离出涂层界面回波信号；共振法不适合测量涂层厚度变化超过20%或声波半波长的情况；超声干涉法可以用来检测薄涂层厚度，但由于基体及涂覆层种类繁多，基体与薄涂层之间的性质可能彼此接近，也可能相差悬殊，某些情况下会导致干涉信号幅度变化过小、反射系数谱极值位置难以判断，从而造成薄层厚度测量误差偏大。
随着计算机、数字信号处理技术及人工智能的发展，采用数字信号处理与人工智能结合的方法测量涂层厚度在实际应用中越来越普及。大连理工大学的徐志辉、林莉[94]等人为了解决脉冲反射法测量薄涂层厚度时，表面涂层介质中不同界面的超声回波相互叠加，无法直接读取对应界面回波的时间延迟这一问题，他们通过对混叠信号干涉规律的分析，利用归一化功率谱分析技术实现了对镍基高温合金基体上ZrO2涂层的厚度测试，并通过金相分析验证了该方法的有效性；北京工业大学的杜晶晶、李晓延[95]等人选用Mexh小波对采集到的超声波回波信号进行连续小波变换，对热喷涂涂层厚度进行了测量，并通过试验验证了理论结果。采用上述这些信号处理方法虽然可以解决涂层厚度测量中的许多问题，但也有许多问题需要进一步探索，例如小波变换虽然具有对信号的自适应处理及良好的时频分析能力，特别适用于非平稳信号（超声波）的检测，但目前对小波基的选择还没有严格的准则和成熟的方法，只是依靠经验来选取，而不同的小波基选取会极大地影响超声波信号分析的结果。因此，提高小波函数的理论水平并拓展其在超声检测中的应用将是需要进一步探索、研究的问题。