热障涂层无损检测技术进展.pdf

c 唧龇。曲附哪。础吣砌删啪复合材料无损检测技术 热障涂层无损检测技术进展 刘战伟，朱文颖，石文雄，谢惠民 ( 北京理工大学宇航学院，北京1 0 0 0 8 1 ) 【摘要】热障涂层( T B C ) 是航空航天发动机涡轮叶片的主要防护材料，对其进行表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷的无 损检测具有重大意义。对热障涂层的传统检测方法( 如渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测等) ，以及新型红外 热成像方法在内的无损检测方法进行了介绍和归纳，重点介绍了光激励、涡流激励和超声激励3 种主动式红外热成 像无损检测技术。其中，对激光扫描热成像法进行了详细介绍，该方法具有非接触、操作简单、灵敏度高、全场范围内 检测快速的优点，能够实现宽度为1 0 i x m 以上的裂纹和直径为l m m 以上脱粘缺陷的无损检测；透射式涡流热成像 具有识别小于l m m 脱粘缺陷的能力。 关键词：热障涂层( T B C ) ；激光扫描热成像法；涡流热成像法；超声热成像法；后处理方法 D O I ：1 0 1 6 0 8 0 j i s s n l 6 7 1 8 3 3 x 2 0 1 6 0 4 0 4 3 刘战伟 北京理工大学宇航学院教授、博 导，长期从事试验力学和无损检测技 术研究。2 0 0 8 年以居里学者身份赴英 国T W I 无损检测部开展2 年合作。发表 S C I E I 论文5 0 余篇。授权国家发明专利 1 2 项。获教育部技术发明一等奖1 项。 涡轮发动机是航空飞行器和工 业燃气轮机的关键核心部件 1 - 2 1 ，涡 轮发动机的主要材料是镍基合金，其 耐高温度为1 0 0 0 ，不能满足工作 * 基金项目：国家自然科学基金( 1 1 2 3 2 0 0 8 1 1 3 7 2 0 3 7 ) ： 需求。为保护发动机，发展了热障涂 层( T B C ) 。涂覆T B C 的发动机叶片 能在1 6 0 0 高温下运行，提高发动 机6 0 以上的热效率，有效地增加 推重比【3 】，这使得T B C 逐渐应用在核 反应堆、航空发动机等许多领域 4 - 6 o 然而，T B C 是一种由基底、粘结层及 陶瓷层组成的多层结构系统，各层有 明显不同的物理、热、机械性能，复杂 的结构和苛刻的工作环境使得T B C 在使用过程中易产生表面裂纹缺陷 和界面脱粘缺陷，而T B C 的一些固 有特性( 如多孑L 性、较薄的厚度) 使 传统无损检测方法存在技术和检测 效率的局限。因此，发展T B C 试件 缺陷的无损检测技术具有重大意义。 传统的无损检测方法主要有渗 透检测、涡流检测、超声或超声显微 检测、声发射技术等。渗透检测技术 通过将某些特制的液体渗透进被测 构件来实现对构件表面裂纹的位置、 大小和形状进行检测l ”。涡流检测 技术以电磁感应为基础，利用不同材 料在交变磁场作用下产生的不同振 幅和相位实现检测 8 - 1 0 1 。超声检测 和超声显微检测技术近年来发展较 快，超声波经耦合剂传播到被检构件 时，构件内部缺陷会阻碍超声波的传 播，而无缺陷的位置超声波的传播不 受影响”1 - 1 3 1 ，但是由于T B C 具有多 空隙的结构特点，超声检测或超声显 微检测不适合T B C 的无损检测。声 发射技术利用材料变形或产生裂纹 时释放的应变能产生的应力波来检 测出裂纹信息，是直接检测裂纹的主 要方法之一，但由于该技术需在加载 过程中进行，检测的是动态缺陷，而 不是静态缺陷，因而属于被动检测方 法 1 4 - 1 5 1 0 渗透检测技术会使液体等 进入试件内部，不能够形成非接触。 复阻抗谱通过电路模型测量电阻、电 容等性质的变化来分析T B C 的厚度、 微观结构、缺陷的生长特征。但是， 由于陶瓷层中的孔洞和裂纹及界面 形状的不规则性对测试等效电路产 生影响，带来了结果的不确定性 1 6 - 1 7 1 。 传统无损检测技术的检测灵敏度低， 准确度不高，检测速度慢且操作复 杂，加之对检测试件的限制条件，不 能够实现对T B C 试件的定量无损检 测。 为避免传统无损检测中传感器 2 0 1 6 年第4 期航空制造技术4 3 万方数据 接收信号这一接触式测量方式，传统 的无损检测方法结合了红外热成像 无损检测技术，实现对T B C 的高灵 敏度、非接触、全场快速的简便无损 检测技术。红外热成像技术吣。2 川作 为一种新兴的无损检测手段，具有检 测面积大、检测结果直观、检测速度 快、非接触以及使用简单等优点。热 波成像法最早在1 9 8 4 年由英国国家 无损检测中心M I L N E 等障”率先推 出，1 9 9 6 年日本学者I T O H 等口2 1 开 始了使用热波成像法研究T B C 脱粘 裂纹，2 0 0 5 年由N E W A Z 等【2 引采用 热波成像技术研究了界面脱粘和其 剩余寿命的关系，近年来得到了广泛 的研究和应用。2 0 1 2 年，P T A S Z E K 等f 2 4 1 开始开展红外热波成像用于 T B C 界面脱粘的标定工作。 红外热成像技术可以分为主动 式和被动式 2 5 o 被动式是热像仪接 收试件自身的红外辐射并将其转化 为电信号获得热图像的技术，主动式 是通过加载外部激励的方式使被检 零件表面温度发生变化，并由热像仪 采集图像的技术。目前，无损检测中 的主动式红外热成像无损检测方法 主要有光激励热成像法、涡流热成像 法和超声热成像法。 T B C 检测的光激励热成像法 根据光激励信号的不同，将光激 励热成像法分为光脉冲热成像法和 光锁相热成像法。根据光激励光源 的不同，又分为灯光激励热成像法和 激光扫描热成像法。下面将介绍这 两种方法在T B C 无损检测中的应用。 1 灯光激励热成像法 灯光激励热成像法是一种新型 的脉冲红外热成像无损检测技术f 2 6 1 ， 包括热激励系统、热成像系统及红外 图像序列处理系统。原理具体过程 为：采用大功率的灯光激励热源对 含有缺陷的试件表面进行热激励，试 件表面被加热，热流在试件内部进行 热传导( 采用一维热传导模型进行分 4 4 航空制造技术2 0 1 6 年第4 期 析) 。若试件内部存在缺陷，则热传 导受到阻碍，形成稳态或瞬态不均匀 的温度场，最终导致试件表面温度分 布不均匀，利用红外热成像系统采集 表面温度信号的图像序列，分析并提 取热图像中的信息，获得含有缺陷信 息的热响应特征。2 0 1 4 年，唐庆菊口7 1 在其博士论文中对该方法进行了验 证。采用长为1 5 0 m m 、宽为1 0 4 m m 、 厚为6 r a m 的S i C 涂层一高温合金基 体及S i C 涂层一C C 基体作为试验材 料，在试件上制造不同孔径大小的盲 孔缺陷，能够检测出直径为l m m 、深 为2 r a m 的盲孔缺陷。 灯光激励热成像法口8 1 具有操 作简便，灵敏度高的特点，能够实现 T B C 试件全场大范围、非接触的快速 无损检测。对于径深比在1 2 ，4 0 、 深度在1 0 2 5 m m 的缺陷，其深度和 直径预测误差处于4 1 0 左右。 2 激光扫描热成像法 激光扫描热成像法是一种对表 面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷进行无 损检测的新型方法。激光束在T B C 试件表面汇聚成特定直径的激光点， 选择一定的脉冲宽度，优化控制快速 移动的线激光作为热源激励。激光 的优势是可控性高、定向性好以及光 散度小，在微小区域内可以形成均匀 的光照强度。由于激光光源的特殊 性，利用激光作为光源的光激励热成 像法适用于T B C 的无损检测。 2 0 1 1 年，B U R R O W S 等昭刎利用 扫描点激光的方法，根据扫描过程中 表面裂纹处温度升高的原理，检测出 不锈钢和纯铝构件上的表面裂纹。 同年，L I 等 3 叫根据表面裂纹的热阻 碍现象，用靠近裂纹的激光点形成的 点热源检测了奥氏体不锈钢的表面 裂纹。2 0 1 3 年，A N 等【3 1 同样利用 裂纹处的热阻现象，结合锁相温度振 幅的后处理方法，对金属构件上的疲 劳裂纹进行了检测。 根据以上描述的点激光扫描热 成像法对金属试件的检测，2 0 1 5 年， 石文雄等f 3 习将激光扫描热成像法 应用于T B C 试件，优化设计T B C 试 件的多模式扫描热成像无损检测系 统，激光扫描热成像系统示意图如 图1 所示。对于表面裂纹缺陷检测， 控制直径为微米量级的激光点快速 移动形成线状热源，将一个线状热源 在T B C 试件表面沿着垂直裂纹、倾 斜裂纹和平行裂纹3 个方向移动，利 用裂纹与线热源相交位置的温度达 到最大值这个特征来发展阈值分割 累加后处理方法，根据3 个方向得到 的处理结果综合对比，确定裂纹形状 和位置信息，能够快速识别宽度约为 6 0 I x m 以上的裂纹缺陷。针对不能 够分析的疑似缺陷，进行重新的点激 光扫描检测，计算全场温度梯度场和 温度对数梯度场，进行阈值分割，细 化之后将处理后的结果累加，再次取 阈值，得到反映扫描微小范围区域内 的裂纹形状位置结果图像，能够识别 出宽度为9 5 m 以上的裂纹缺陷。 对于界面脱粘缺陷的检测，用 盲孑L 缺陷模拟脱粘缺陷。采用直径 为3 0 m m 、厚度为2 5 m m 、含有3 个 孔径的T B C 试件进行试验，孑L 径直 径分别为3 m m 、2 m m 和l m m ，孔深 为1 9 m m ，厚度为2 m m 厚的镍基合 金，0 1 m m 厚的粘结层，以及0 4 r a m 厚的氧化锆涂层。当扫描速度足够 快且做线状移动时，激光点可以作为 线激光。当该线激光以垂直于移动 方向扫捕时，即构成线激光激励。该 g 瓯脯机 图1 激光扫描热成像系统示意图 F i g 1D i a g r a mo fl i n e a rl a s e rs c a n n i n g t h e r m o g r a p h ys y s t e m 万方数据 c 。删刚。眦。删。矧啷M 删。，复合材料无损检测技术 线状热源在含有盲孑L 缺陷的T B C 试 件表面全场大范围快速扫描，成为粗 扫描阶段。对红外热像仪采集到的 热图像，经过构造载波温度场、三时 刻加窗求振幅、自适应变权重滤波 等 3 1 后处理方法处理后，得到直径 在2 m m 以上的盲孑L 缺陷。对疑似缺 陷的微区域，在小范围进行扫描作为 细扫描阶段，对微区域范围的热图像 采用脉冲热成像，即在时间序列上进 行傅里叶变换，得到微区域范围内的 振幅图和相位图，可以识别出直径在 l m m 以上的盲孔缺陷。 激光扫描热成像法是一种全场 范围内快速高效、高灵敏度的检测方 法，与其他方法相比，该方法更适用 于表面裂纹缺陷检测，能够检测出裂 纹宽度约为1 0 t x t n 的缺陷；当检测 界面脱粘缺陷时，通过粗扫阶段和细 扫阶段的分阶段扫描，能够实现盲孑L 直径为1 m i l l 的缺陷检测。 T B C 检测的涡流热成像法 涡流热成像法是新型的红外热 波无损检测方法p3 1 ，根据涡流激励的 时间不同，可以分为脉冲涡流热成像 和锁相涡流热成像。脉冲涡流热成 像检测的基本原理如图2 所示。当 交变电流通过感应线圈后会产生磁 通量的改变，靠近待测试件时，在试 件表面产生感应涡流；若试件存在 缺陷，材料内部的涡流分布会发生改 变，产生高密度区和低密度区，根据 焦耳热定律，在材料内部产生高温区 和低温区。对于界面脱粘缺陷，根据 一维热传导方程，由于空气导热率远 小于金属导热率，热传导中受到阻碍， 脱粘缺陷处温度明显低于正常区域， 通过热图像后处理分析算法，实现了 材料缺陷信息的热响应特征提取。 涡流热成像法具有检测效率高， 灵敏度高，操作简便，成本低，全场范 围等优点。按照感应线圈与红外相 机的相对位置分类，可分为透射式涡 流热成像法和反射式涡流热成像法， 两种方法已经成功 应用于金属试件的 缺陷检测，能够检测 出长度为0 4 m m 、深 度为0 1 2 m m 量级的 金属裂纹缺陷。对 于T