一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法

2018-03-07，，，，

无损检测 2018年2期

关键词：铁磁性覆盖层镀层

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(中国核动力研究设计院，成都 610041)

基体金属涂镀有薄的涂层时，测量薄涂镀层的厚度是非常重要的。

涂镀层的电导率与基体金属明显不同时(比如基体金属和涂渡层金属两者中，其中一种金属的电导率至少是另外一种金属电导率的1.5倍)，涂镀层厚度的测量是用一般方法进行的，例如相敏涡流方法。

但在涂镀某些金属时，基体金属与涂镀层金属的电导率只有较小的差别(例如基体金属和涂渡层金属两者中，其中一种金属的电导率不大于另外一种金属电导率的1.5倍)，例如用锆金属涂镀锆锡合金管材就是这种情况。

电导率差别很小时，涂镀层厚度的测量很困难。另外，在某些特殊应用中，除基体与涂镀层金属的电导率有很小的差别外，还允许基体金属电导率在一定范围内发生变化，涂镀层的测量就更加困难。

笔者在分析基体金属和涂镀层金属电导率(差别很小的情况下)的幅值和相位变化规律的基础上，提出了一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法。该方法尤其适用于基体金属和涂镀层金属电导率相近时，涂镀层厚度的测量。试验结果表明，该方法的测量误差≤0.03 mm，满足工程应用的需求。

1 检测原理

当施加于铝、黄铜和铅等基体材料上的银镀层厚度增加时，探头线圈阻抗会呈现一定的规律[1]，如图1所示。其中试验频率为30 kHz。

图1 探头线圈阻抗平面图(铝、黄铜和铅等基体银镀层厚度增加时)

图1为各种基体材料上的银镀层厚度对检测线圈阻抗的影响曲线。其中，轨迹线P0,P1,P2,…,Ag表示在没有基体金属时，银层厚度与检测线圈阻抗变化的曲线。“P0”点是检测线圈空载时的归一化阻抗。“Ag”点是当银层“无限厚”(当进一步增加银层厚度时，不再影响检测线圈阻抗)时，检测线圈阻抗值。“Al”点、“黄铜”点和“Pb”点分别是铝、黄铜和铅“无限厚”时，检测线圈的阻抗值。

从图中可以看出，当在Al上镀银时，从“Ag”点到不同“Ag”镀层(95,50,20,10 μm)的检测线圈阻抗值连线的相位角不同，相位角随银镀层厚度单调增加。同样地，在黄铜或者铅上镀银时，也呈现出与Al上镀银时相同的规律。而且，从“Ag”点到基体金属是“黄铜”的区间，随着基体金属电导率的不断减小，阻抗点上移；在一定的基体金属电导率范围内，不同“Ag”覆盖层(从10～95 μm)的相位不同，但同一覆盖层的相位基本相等。而且覆盖层金属电导率和基体金属电导率愈接近，同一覆盖层厚度的阻抗点连线愈接近一条直线，也就是说阻抗点相位愈接近。在图1中，Al和Ag的电导率相差43%，基体金属电导率在Al(61.05%IACS)和Ag(108%IACS)电导率之间时，同一Ag覆盖层厚度的阻抗点相位基本相同。

由上述规律，可以得到下述两点：

(1) 当基体金属和覆盖层金属的电导率相近时，可以利用覆盖层厚度和涡流信号相位之间的单调关系，测量覆盖层厚度；

(2) 在覆盖层金属相同，基体金属电导率在一定范围内变化的情况下(≤43%)，可以利用覆盖层厚度和涡流信号相位之间的关系，测量覆盖层金属厚度。

据此，笔者提出了一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法(以下简称“相位法”)，申报了国家发明专利(2016109389828)。

2 试验及验证

2.1 覆盖层金属电导率和基体金属电导率分析

被检对象的覆盖层金属是锆合金，电导率4.3%IACS；基体金属为Zr-2合金，电导率为2.8%IACS。覆盖层金属和基体金属的电导率相差35%。根据第1节中的原理分析，满足“相位法”的检测条件。

2.2 检测频率分析

根据图1，当测量的银覆盖层最大厚度在0.095 mm≈0.1 mm时，采用的频率为30 kHz。涡流检测中，对非铁磁性材料，电导率和频率乘积的平方根和渗透深度成反比[2]，由此计算覆盖层最大厚度为0.5 mm时，采用的合理检测频率。

根据计算，覆盖层厚度在0.5 mm时，所用的检测频率在30 kHz左右。经过试验，在该频率下信号分辨力较好，故在后续工作中，均采用该频率。

2.3 标准样板制作

采用不同厚度的覆盖层金属和基体金属组合，进行热轧和冷轧，然后进行热处理后，制成编号分别为15，16，17，19的样板。

采用“相位法”对这些试板进行检测，在每个样板上找出相位相等的两点，解剖其中的一点，得到其覆盖层厚度，以其作为另一点的覆盖层厚度。

根据检测结果，检测点15#-11(横杠前面的数字表示样板的编号，横杠后面的数字表示该样板上的检测点的序号)和15#-12、16#-10和16#-11、16#-8和16#-16、17#-11和17#-12、19#-3和19#-4，相位两两相等。相位相等的两点中，选其中的一点进行解剖，其覆盖层厚度作为另一点的覆盖层厚度。故选取了15#-11、16#-10、16#-8、17#-11、19#-3进行解剖验证，而15#-12、16#-11、16#-16、17#-12、19#-4作为对应的标准包壳厚度留存。表1是其解剖结果。

表1 样板解剖点的覆盖层厚度及其对应的标准样点

2.4 标定曲线制作

完成标准样板制作后，使用标准样板对检测系统进行了标定。标定时所采用的检测参数为：频率，30 kHz;增益,43.5 dB，相位90°;前置增益,25 dB;驱动,8 V。对各标准样点进行检测，采用插值法，得到的标定曲线如图2所示。

图2 检测标准样点得到的标定曲线

由图2可看出：随着覆盖层厚度的增加，相位单调增加，覆盖层和相位之间呈一一对应关系。

2.5 方法验证

2.5.1 基体材料相同时的覆盖层厚度测量

标定曲线制作完成后，采用和标定状态相同的参数，对编号为C1、C3、C4、3#、5#的样品板，在其上各取一个点进行覆盖层厚度测量，然后对该点进行金相解剖，验证“相位法”的可靠性。上述样品板的覆盖层材料和基体材料同标准样板的材料，制造时覆盖层厚度控制在设计范围内(0.3～0.5 mm)。验证结果见表2。

表2 基体材料相同时的覆盖层厚度测量验证结果 mm

由表2可见，该方法最大测量偏差为0.03 mm，满足该种板材覆盖层厚度测量的技术要求。

2.5.2 基体材料电导率轻微变化时的覆盖层厚度测量

在制造标准样板所用的基体材料中，添加不同含量的杂质(杂质含量体积比≤18%)，经过热轧、冷轧及热处理工艺，制造出三块基体材料电导率轻微变化的样品板D1、D2、D3。D1、D2、D3的覆盖层材料同标准样板，制造时覆盖层厚度控制在设计范围内(0.3～0.5 mm)。验证前，对基体材料的电导率进行测量，其值在2.9%IACS～3.0%IACS之间，满足“相位法”应用条件。在三块板上各取一个点进行覆盖层厚度测量，然后对该点进行金相解剖，验证“相位法”测量的准确性。验证结果见表3。