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方案

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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专利技术的实施方案所克服，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。本专利技术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。本专利技术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，。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。附图说明 参照各个附图描述本专利技术的实施方案，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专利技术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专利技术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专利技术的实施方案的示意图。具体实施例方式为了促进理解本专利技术，将参考如图1-3描述的本专利技术的一些实施方案，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专利技术。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专利技术的原理的进一步应用，被认为在描述和要求的本专利技术的精神和范围之内。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：JA昂巴奇，KD史密斯，R布鲁斯汤普森，
申请(专利权)人：联合工艺公司，R布鲁斯汤普森，
类型：发明
国别省市：US[美国]