专利名称：用于测定各种材料上的超声掠面纵波速度的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及无损测量技术，更具体涉及测定各种材料上的超声掠面纵波速度和/或基于其上的超声掠面(surface skimming)纵波速度测定各种材料的晶体取向。
背景技术：
最近，某些燃气轮机元件上的裂缝是由具有比预期更偏离
轴线的初级晶粒取向的定向结晶晶粒所造成的。因此需要能无损测定定向结晶和单晶体材料中的初级晶粒取向，从而确保初级晶粒取向落在预定晶轴的一定限度内。
一种测定单晶材料的晶体取向的传统无损方法，通常称作的Laue方法，包括使X-射线射到材料上，在材料上被反射和/或穿过材料并被捕获形成X射线衍射图，接着可以分析该衍射图以测定所述材料的晶体取向。所述Laue方法，虽然能测定单晶材料的初级和二级晶粒取向，但耗时并且不易用于测定飞行(on-wing)或生产环境等中的各种燃气轮机元件的晶体取向，此外，Laue方法不能用于柱状晶粒材料(即，定向结晶材料)，因为相对于堆轴重新定向材料以测定其中每个单独晶粒的晶体取向太昂贵并且麻烦。
因此，想要改进的系统和方法，用于准确和无损地测定定向结晶和/或单晶体材料的晶体取向。如果基于其上的超声掠面纵波的测量速度，可以测定所述材料的晶体取向将是理想的。如果这种系统和方法能够易于用于各种环境中(即，飞行中、生产环境、机修车间等)，也将是理想的。如果这些速度测定系统和方法能够用于其它用途，例如将各种材料分类等，将是更加理想的。
发明内容
上面指出的现有用于测定材料的晶体取向的系统和方法的缺点被本发明的实施方案所克服，其涉及用于无损测量材料上的超声掠面纵波速度的系统和方法。所测量的速度之后可以用于各种目的，例如测定材料的晶体取向，将各种材料分类等。
本发明的实施方案包括测定材料上超声掠面纵波的速度的方法。所述方法可以包括在材料的第一位置上产生超声掠面纵波；在材料的第二位置检测至少部分超声掠面纵波；以及测定超声掠面纵波在第一位置和第二位置之间的速度。一旦测定所述速度，所述方法可以进一步包括基于所述速度测定材料的至少一种晶体取向；基于所述速度将多种材料彼此分类等。
本发明的实施方案也包括测定材料的一种或几种晶体取向的方法。所述方法可以包括在材料的第一位置产生超声波；在材料的第二位置检测至少部分超声波；由检测到的超声波测定材料的至少一种晶体取向。检测步骤可以包括测量超声波的飞行时间；根据第一位置和第二位置之间的距离和超声波的飞行时间测定材料的纵向速度；利用材料的纵向速度测定材料的至少一种晶体取向。这些超声波可以包括具有取决于材料的初级晶体取向但不取决于材料的二级晶体取向的纵向速度的掠面纵波，。
本发明的实施方案包括用于测量材料上的超声掠面纵波速度的系统。这些系统可以包括；超声波发射器；超声波检测器；以及用于测定材料上的超声掠面纵波的速度的装置。所述系统可以进一步包括利用超声掠面纵波的速度测定材料的至少一种晶体取向的装置。超声波发射器应能相对于材料的表面以预定的角度发射超声波。超声波检测器应能检测预定位置的至少部分超声掠面纵波。
本发明的实施方案可以用于定向结晶材料、单晶体材料和/或多晶体材料。这些材料可以包括各种燃气轮机元件，例如，但不局限于，燃气轮机叶片、燃烧室衬板，叶片外气封等。
本发明的实施方案可以在各种环境下使用，例如但不限于(a)元件处于飞行中；(b)元件位于生产环境中；(c)元件位于机修工厂；(d)元件位于物资回收工厂；和/或(e)元件位于再加工工厂。
本发明的系统和方法可以利用接触结构，浸入结构和/或起泡(bubbler)结构。
通过下面的说明，本发明进一步的细节对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。
参照各个附图描述本发明的实施方案，其中全部附图中相同的附图标记表示相同的部件。其中 图1是利用具有投捕(pitch-catch)超声波结构的接触技术的本发明的实施方案的示意图； 图2是显示利用具有投捕(pitch-catch)超声波结构的浸入技术的本发明的实施方案的示意图； 图3是显示利用具有投捕(pitch-catch)超声波结构的起泡技术的本发明的实施方案的示意图。
具体实施例方式为了促进理解本发明，将参考如图1-3描述的本发明的一些实施方案，和用于描述所述实施方案的特定术语。这里使用的术语是为了说明的目的而非限定。这里公开的特定的结构和功能细节不应被解释为限定，而仅仅是作为教导本领域技术人员的基础从而多方面利用本发明。本领域技术人员通常能够想到的对描述的结构和方法的任何改进或变化，以及对这里描述的本发明的原理的进一步应用，被认为在描述和要求的本发明的精神和范围之内。
本发明涉及用于测量各种材料上的超声掠面纵波的速度的系统和方法。这些系统和方法的实施方案可以根据测定的超声掠面纵波的速度、用于无损测定各种材料的至少一种晶粒取向(即初级和/或二级等)。这些实施方案可以用于任何材料的单晶粒(即，定向结晶材料的柱状晶粒，单晶体材料的单晶粒，和/或多晶体材料的单晶粒)，只要晶粒大到足以允许发射器和检测器彼此适当定位。本发明的实施方案也可以用于其它目的，例如，用于将各种材料进行分类的目的，用于材料只有一个表面可用于评价的任何目的，和/或可使用纵向速度测量的任何目的等。本发明的系统可以小并且紧凑到足以在各种环境的几乎任何地点，例如生产环境、飞行、机修工厂、物质回收或重新加工工厂等中使用。
本发明的实施方案采用了如图1所示具有投捕(pitch-catch)超声波结构的接触技术。以预定角30位于接触换能器50内的发射器10在材料40内产生超声剪切波16和超声压缩波17。当包括沿材料40表面42传播的波的压缩波17以一定角度折射时，产生掠面纵波18。通常这意味着入射波14应接近如Snell定律定义的接触换能器50、60的楔形物材料和待分析材料40的第一临界角。掠面纵波18是一种从材料40的表面42发射漏超声波能量19的漏波。当检测器20与材料40的表面42直接接触时，该漏超声波能量19传送至检测器。位于接触换能器60内的检测器20检测漏超声波19，由此可以测定掠面纵波18在点A和B之间的飞行时间。掠面纵波18和相关的漏超声波19首先到达检测器20，因为它们比剪切波16及其任何反射部分传播快。掠面纵波18的飞行时间表示材料40的纵向速度，其根据材料的初级晶粒取向进行变化。
发射器10可以包括能发射适宜的超声波的任何超声波发射器。检测器20可以包括能检测期望的超声波的任何超声波检测器。在实施方案中，超声波的频率可以为大约5-15MHz，但也可能是众多其它适宜的频率，本发明不限定任何特定的频率范围。
操作时，可以任何适宜的角度30调节发射器10发射超声波，例如而非限定至从法线到材料40表面42大约为22-28°，从而以接近材料40的平均速度的纵向临界角的角度产生压缩波17。
利用具有已知速度(分别为V1和V2)的两个标准样品可以容易地测定点A和B的确切位置，从而校准换能器50和60，换能器50和60彼此保持在固定距离。首先，可以测量两个参考样品的每一个上的掠面纵波18的飞行时间(分别为TOF1和TOF2)。接着可测定超声波的两个未知量(点A和B之间的表面距离，SD，以及接触换能器50，60内的时间，TW)。可通过下面等式测定表面距离SD。
SD＝(TOF1-TOF2)*(V2*V1)/(V2-V1)可通过下面等式测定由于超声波在接触换能器50，60内花费的时间产生的飞行时间。
TW＝TOF1-SD/V1一旦知道SD和TW的值，就可以通过测定其上的超声掠面纵波的飞行时间(TOFunk)以及在下列等式中利用TOFunk测定未知材料的速度(Vunk)。
Vunk＝SD/(TOFunk-TW)其后，由于纵向波速度变量取决于初级晶粒取向，可以测定材料40的初级晶粒取向。
可通过各种方法测定材料40的初级晶粒取向。在一些实施方案中，可通过将材料40的测定/计算的纵向速度与具有已知晶粒取向和已知纵向速度的样品进行比较，测定材料40的初级晶粒取向。在另外的实施方案中，可以根据单晶体弹性常数通过理论计算测定材料40的初级晶粒取向。
也可以测定材料40的二级晶粒取向。通过将接触换能器对50，60置于与二级取向相平行的方向以及进行与测定初级取向相同的计算可以进行上述测定。对于初级取向，首先从飞行时间测量推导出速度，接着可以由测量或计算的值测定相关的取向。
本发明的实施方案也可以利用图2所示的具有投捕(pitch-catch)超声波结构的浸入技术。该浸入技术可以在液槽200中在任何适宜的流体介质100例如但不限于水、油等中进行。浸入技术除了没有接触换能器50，60，而替换成在发射器10和检测器20之间有一固定流体通道之外，该浸入技术与上述接触技术相似。发射器10和材料40的表面42之间，以及检测器20和材料40的表面42之间也有固定的流体通道。在浸入实施方案中，漏超声波能量19会传送至检测器20，也可被发送到流体介质100中。在浸入技术中，和接触技术一样，发射器10和检测器20之间的距离固定，发射器10和检测器20被置于固定的位置，因此点A和B之间的距离恒定。浸入技术的计算和测量的其它方面与上述讨论的接触技术相似。
本发明的实施方案也可以利用图3所示具有投捕(pitch-catch)超声波结构的起泡技术。起泡技术与上述接触技术相似，但在起泡技术中，可以使用任何适宜的流体(即水，油等)将超声波从发射器10传送到材料40，以及从材料40传送至检测器20。可使用管道或其它适宜的起泡换能器11，21来传送流体，从而在发射器10和材料40之间以及检测器20和材料40之间保持流体通道。在起泡实施方案中，漏超声波能量19通过起泡换能器21内的流体被传送至检测器20。起泡技术的计算和测量的其它方面与上面讨论的接触技术相似。
本发明可以用于测定很多定向结晶或单晶材料，例如基于燃气轮机元件在飞机和/或陆地中使用的那些材料的晶体取向。可以和本发明一起被使用的一些示例性元件包括但不限于，高压叶片，低压叶片，燃烧室衬板，叶片外气封等。
本发明可以用于各种目的。除了利用掠面纵波18的速度测定各种材料的晶粒取向外，掠面纵波18的速度也可以用于其它目的，例如将各种材料彼此分类，测定纵向速度，该纵向速度然后可用于厚度测量等。因为不同的材料具有不同的速度，各种材料可以彼此被分类。
利用不同的接触、浸入和起泡技术验证本发明的可行性和准确性。观察和测量各种多晶体、定向结晶和单晶材料包括各种镍合金、钛合金、铝合金和铜合金的超声掠面纵波。
在实施方案中，接触技术采用由Perspex材料制成的锲形物，锲形物中嵌入5-15MHz换能器。从法线到材料40的表面42，检测的入射角30在大约25-30°变化。几个样品包括单晶材料，因此可以检测取决于初级晶粒取向的速度。也可在特定取向测量各种材料的整体纵向速度，因此可以进行掠面纵波速度的比较。
在实施方案中，浸入技术利用10MHz换能器和水。对具有已知速度的各种材料进行几次测量。一些实施方案使用脉冲/回波模式的单换能器，并且获得来自边缘的反射信号的飞行时间的测量。其它实施方案采用了固定装置中的投/捕(pitch/catch)结构内的两个浸入换能器，换能器之间具有一已知的间隔，并获得超声掠面纵波的飞行时间的测量。
在实施方案中，起泡技术利用了将小起泡换能器11，21置于固定位置的固定装置，并获得超声掠面纵波的飞行时间的测量。
将具有未知晶粒取向的样品的超声掠面纵波的速度与预先通过LaueX-射线技术测定晶粒取向的具有已知晶粒取向的样品的速度进行比较。在其表面的不同位置及取向(即，整个360°)对未知样品进行上述速度测量，由此测定晶粒取向。发现采用本发明方法得到的晶粒取向与采用Laue技术得到的晶粒取向在+/-1°内相匹配。
虽然超声波(即纵波和剪切波)已经被用于检查多晶体材料的表面下反射体，超声波(即瑞利(Rayleigh)表面波)已经被用于测量/检查各种多晶体材料的表面不规则，然而超声波(即掠面纵波)还没有被用于测定各种材料的速度，从而测定定向结晶或单晶材料的晶粒取向和/或将各种材料分类等。当超声纵波和剪切波用于检查多晶体材料的表面下反射体时，可以使用反射超声波的振幅和飞行时间检测和评价材料体积内的特征。当使用超声瑞利表面波测量/检查各种多晶体材料的表面不规则时，可使用瑞利表面波的不规则评价材料的表面缺陷。其中，当使用超声掠面纵波时，可使用超声掠面纵波沿材料表面传播的速度测定材料的晶粒取向。这是三种非常不同的技术，其测量不同类型材料上的感兴趣的非常不同的项目。
如上所述，本发明提供一种无损测定各种材料的掠面纵波的速度的系统和方法。有利的是，本发明的系统和方法可以容易和经济地用于各种环境中(即飞行中，生产环境、机修工厂、物质回收工厂或再加工工厂等)。此外，本发明的系统和方法可以用于各种目的(即，测定各种材料的晶粒取向，将各种材料分类，可以使用纵向速度测量的任何目的等)。除了能在Laue技术不能使用的环境中使用本发明的系统和方法，也可以在很多情况使用本发明替代Laue技术并且比Laue技术更容易。很多其它的优点对相关领域的技术人员来讲是显而易见的。
已经在本发明符合的各种需要中描述了本发明的各种实施方案。这些实施方案仅仅是本发明各种实施方案的原理的示例性说明。许多改进和改变对本领域技术人员来说是显而易见的，没有偏离本发明的精神和范围，因此本发明意欲覆盖任何在附加的权利要求及其等价物范围内的适宜的改进和变化。
权利要求
1.一种测定材料上的超声掠面纵波的速度的方法，包括在材料的第一位置产生超声掠面纵波；在材料的第二位置检测至少部分超声掠面纵波；以及测定超声掠面纵波在第一位置和第二位置之间的速度。
2.权利要求1的方法，其中所述方法包括下列中的至少一种接触技术、浸入技术和起泡技术。
3.权利要求1的方法，其中一旦测定速度，所述方法进一步包括下列中的至少一项基于所述速度测定材料的至少一种晶体取向；以及基于所述速度将多种材料彼此分类。
4.一种测定材料的至少一种晶体取向的方法，包括在材料的第一位置产生超声波；在材料的第二位置检测至少部分超声波；由检测到的超声波测定材料的至少一种晶体取向。
5.权利要求4的方法，其中所述测定步骤包括测量超声波的飞行时间；根据第一位置和第二位置之间的距离和超声波的飞行时间测定材料的纵向速度；以及利用材料的纵向速度测定材料的至少一种晶体取向。
6.权利要求4的方法，其中所述超声波包括具有纵向速度的掠面纵波，其取决于材料的初级晶体取向，但不取决于材料的二级晶体取向。
7.权利要求4的方法，其中所述材料包括定向结晶材料、单晶体材料以及多晶体材料中的至少一种。
8.权利要求4的方法，其中所述材料包括燃气轮机元件。
9.权利要求8的方法，其中所述燃气轮机元件包括燃气轮机叶片、燃烧室衬板和叶片外气封中的至少一种。
10.权利要求4的方法，其中通过(a)元件处于飞行中；(b)元件位于生产环境中；(c)元件位于机修工厂；(d)元件位于物资回收工厂；和(e)元件位于再加工工厂中的至少一种利用所述方法。
11.权利要求4的方法，其中通过接触技术、浸入技术和起泡技术中至少一种方法测定至少一种晶体取向。
12.一种测量材料上的超声掠面纵波的速度的系统，包括超声波发射器；超声波检测器；以及用于测定材料上的超声掠面纵波的速度的装置。
13.权利要求12的系统，进一步包括利用超声掠面纵波的速度测定材料至少一种晶体取向的装置。
14.权利要求12的系统，其中所述超声波发射器能相对于材料的表面以预定的角度发射超声波。
15.权利要求12的系统，其中所述超声波检测器能在预定位置检测至少部分超声掠面纵波。
16.权利要求12的系统，其中所述装置包括接触结构、浸入结构和起泡结构中的至少一种。
17.一种测定材料上超声掠面纵波的速度的方法，包括提供权利要求12的系统；以及使用所述系统测定材料上超声掠面纵波的速度。
18.一种测定材料的至少一种晶体取向的方法，包括提供权利要求12的系统；以及使用所述系统测定材料的至少一种晶体取向。
全文摘要
在此描述了用于测定各种材料上的超声掠面纵波速度的系统和方法。在实施方案中，在材料的第一位置产生掠面纵波，在材料的第二位置检测至少部分所述波，测定所述波在第一位置和第二位置之间的飞行时间，之后测定所述波的速度。之后可以基于所述速度测定材料的一种或几种晶体取向。
文档编号G01N29/04GK101063669SQ20061008205
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者J·A·昂巴奇, K·D·史密斯, R·布鲁斯·汤普森 申请人:联合工艺公司, R·布鲁斯·汤普森