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熱障涂層無損檢測技術(shù)進展

文檔作者：劉戰(zhàn)偉朱文穎石文雄謝惠民文檔來源：北京理工大學(xué)宇航學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月17日
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c唧齜。№曲附哪。。礎(chǔ)吣砌刪啪復(fù)合材料無損檢測技術(shù)
熱障涂層無損檢測技術(shù)進展
劉戰(zhàn)偉，朱文穎，石文雄，謝惠民
(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081)
【摘要】熱障涂層(TBC)是航空航天發(fā)動機渦輪葉片的主要防護材料，對其進行表面裂紋缺陷和界面脫粘缺陷的無
損檢測具有重大意義。對熱障涂層的傳統(tǒng)檢測方法(如滲透檢測、渦流檢測、超聲或超聲顯微檢測等)，以及新型紅外
熱成像方法在內(nèi)的無損檢測方法進行了介紹和歸納，重點介紹了光激勵、渦流激勵和超聲激勵3種主動式紅外熱成
像無損檢測技術(shù)。其中，對激光掃描熱成像法進行了詳細介紹，該方法具有非接觸、操作簡單、靈敏度高、全場范圍內(nèi)
檢測快速的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)寬度為10ixm以上的裂紋和直徑為lmm以上脫粘缺陷的無損檢測；透射式渦流熱成像
具有識別小于lmm脫粘缺陷的能力。
關(guān)鍵詞：熱障涂層(TBC)；激光掃描熱成像法；渦流熱成像法；超聲熱成像法；后處理方法
DOI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．04．043
劉戰(zhàn)偉
北京理工大學(xué)宇航學(xué)院教授、博
導(dǎo)，長期從事試驗力學(xué)和無損檢測技
術(shù)研究。2008年以居里學(xué)者身份赴英
國TWI無損檢測部開展2年合作。發(fā)表
SCI／EI論文50余篇。授權(quán)國家發(fā)明專利
12項。獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項。
渦輪發(fā)動機是航空飛行器和工
業(yè)燃氣輪機的關(guān)鍵核心部件[1-21，渦
輪發(fā)動機的主要材料是鎳基合金，其
耐高溫度為1000℃，不能滿足工作
*基金項目：國家自然科學(xué)基金(11232008
11372037)：
需求。為保護發(fā)動機，發(fā)展了熱障涂
層(TBC)。涂覆TBC的發(fā)動機葉片
能在1600℃高溫下運行，提高發(fā)動
機60％以上的熱效率，有效地增加
推重比【3】，這使得TBC逐漸應(yīng)用在核
反應(yīng)堆、航空發(fā)動機等許多領(lǐng)域[4-6]o
然而，TBC是一種由基底、粘結(jié)層及
陶瓷層組成的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，各層有
明顯不同的物理、熱、機械性能，復(fù)雜
的結(jié)構(gòu)和苛刻的工作環(huán)境使得TBC
在使用過程中易產(chǎn)生表面裂紋缺陷
和界面脫粘缺陷，而TBC的一些固
有特性(如多孑L性、較薄的厚度)使
傳統(tǒng)無損檢測方法存在技術(shù)和檢測
效率的局限。因此，發(fā)展TBC試件
缺陷的無損檢測技術(shù)具有重大意義。
傳統(tǒng)的無損檢測方法主要有滲
透檢測、渦流檢測、超聲或超聲顯微
檢測、聲發(fā)射技術(shù)等。滲透檢測技術(shù)
通過將某些特制的液體滲透進被測
構(gòu)件來實現(xiàn)對構(gòu)件表面裂紋的位置、
大小和形狀進行檢測l”。渦流檢測
技術(shù)以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，利用不同材
料在交變磁場作用下產(chǎn)生的不同振
幅和相位實現(xiàn)檢測[8-101。超聲檢測
和超聲顯微檢測技術(shù)近年來發(fā)展較
快，超聲波經(jīng)耦合劑傳播到被檢構(gòu)件
時，構(gòu)件內(nèi)部缺陷會阻礙超聲波的傳
播，而無缺陷的位置超聲波的傳播不
受影響”1-131，但是由于TBC具有多
空隙的結(jié)構(gòu)特點，超聲檢測或超聲顯
微檢測不適合TBC的無損檢測。聲
發(fā)射技術(shù)利用材料變形或產(chǎn)生裂紋
時釋放的應(yīng)變能產(chǎn)生的應(yīng)力波來檢
測出裂紋信息，是直接檢測裂紋的主
要方法之一，但由于該技術(shù)需在加載
過程中進行，檢測的是動態(tài)缺陷，而
不是靜態(tài)缺陷，因而屬于被動檢測方
法[14-1510滲透檢測技術(shù)會使液體等
進入試件內(nèi)部，不能夠形成非接觸。
復(fù)阻抗譜通過電路模型測量電阻、電
容等性質(zhì)的變化來分析TBC的厚度、
微觀結(jié)構(gòu)、缺陷的生長特征。但是，
由于陶瓷層中的孔洞和裂紋及界面
形狀的不規(guī)則性對測試等效電路產(chǎn)
生影響，帶來了結(jié)果的不確定性[16-171。
傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的檢測靈敏度低，
準(zhǔn)確度不高，檢測速度慢且操作復(fù)
雜，加之對檢測試件的限制條件，不
能夠?qū)崿F(xiàn)對TBC試件的定量無損檢
測。
為避免傳統(tǒng)無損檢測中傳感器
2016年第4期·航空制造技術(shù)43
萬方數(shù)據(jù)
接收信號這一接觸式測量方式，傳統(tǒng)
的無損檢測方法結(jié)合了紅外熱成像
無損檢測技術(shù)，實現(xiàn)對TBC的高靈
敏度、非接觸、全場快速的簡便無損
檢測技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)吣。2川作
為一種新興的無損檢測手段，具有檢
測面積大、檢測結(jié)果直觀、檢測速度
快、非接觸以及使用簡單等優(yōu)點。熱
波成像法最早在1984年由英國國家
無損檢測中心MILNE等障”率先推
出，1996年日本學(xué)者ITOH等口21開
始了使用熱波成像法研究TBC脫粘
裂紋，2005年由NEWAZ等【2引采用
熱波成像技術(shù)研究了界面脫粘和其
剩余壽命的關(guān)系，近年來得到了廣泛
的研究和應(yīng)用。2012年，PTASZEK
等f241開始開展紅外熱波成像用于
TBC界面脫粘的標(biāo)定工作。
紅外熱成像技術(shù)可以分為主動
式和被動式[25]o被動式是熱像儀接
收試件自身的紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化
為電信號獲得熱圖像的技術(shù)，主動式
是通過加載外部激勵的方式使被檢
零件表面溫度發(fā)生變化，并由熱像儀
采集圖像的技術(shù)。目前，無損檢測中
的主動式紅外熱成像無損檢測方法
主要有光激勵熱成像法、渦流熱成像
法和超聲熱成像法。
TBC檢測的光激勵熱成像法
根據(jù)光激勵信號的不同，將光激
勵熱成像法分為光脈沖熱成像法和
光鎖相熱成像法。根據(jù)光激勵光源
的不同，又分為燈光激勵熱成像法和
激光掃描熱成像法。下面將介紹這
兩種方法在TBC無損檢測中的應(yīng)用。
1 燈光激勵熱成像法
燈光激勵熱成像法是一種新型
的脈沖紅外熱成像無損檢測技術(shù)f261，
包括熱激勵系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)及紅外
圖像序列處理系統(tǒng)。原理具體過程
為：采用大功率的燈光激勵熱源對
含有缺陷的試件表面進行熱激勵，試
件表面被加熱，熱流在試件內(nèi)部進行
熱傳導(dǎo)(采用一維熱傳導(dǎo)模型進行分
44航空制造技術(shù)·2016年第4期
析)。若試件內(nèi)部存在缺陷，則熱傳
導(dǎo)受到阻礙，形成穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)不均勻
的溫度場，最終導(dǎo)致試件表面溫度分
布不均勻，利用紅外熱成像系統(tǒng)采集
表面溫度信號的圖像序列，分析并提
取熱圖像中的信息，獲得含有缺陷信
息的熱響應(yīng)特征。2014年，唐慶菊口71
在其博士論文中對該方法進行了驗
證。采用長為150mm、寬為104mm、
厚為6ram的SiC涂層一高溫合金基
體及SiC涂層一C／C基體作為試驗材
料，在試件上制造不同孔徑大小的盲
孔缺陷，能夠檢測出直徑為lmm、深
為2ram的盲孔缺陷。
燈光激勵熱成像法口81具有操
作簡便，靈敏度高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)
TBC試件全場大范圍、非接觸的快速
無損檢測。對于徑深比在1．2，4．0、
深度在1．0—2．5mm的缺陷，其深度和
直徑預(yù)測誤差處于4％～10％左右。
2激光掃描熱成像法
激光掃描熱成像法是一種對表
面裂紋缺陷和界面脫粘缺陷進行無
損檢測的新型方法。激光束在TBC
試件表面匯聚成特定直徑的激光點，
選擇一定的脈沖寬度，優(yōu)化控制快速
移動的線激光作為熱源激勵。激光
的優(yōu)勢是可控性高、定向性好以及光
散度小，在微小區(qū)域內(nèi)可以形成均勻
的光照強度。由于激光光源的特殊
性，利用激光作為光源的光激勵熱成
像法適用于TBC的無損檢測。
2011年，BURROWS等昭刎利用
掃描點激光的方法，根據(jù)掃描過程中
表面裂紋處溫度升高的原理，檢測出
不銹鋼和純鋁構(gòu)件上的表面裂紋。
同年，LI等[3叫根據(jù)表面裂紋的熱阻
礙現(xiàn)象，用靠近裂紋的激光點形成的
點熱源檢測了奧氏體不銹鋼的表面
裂紋。2013年，AN等【31]同樣利用
裂紋處的熱阻現(xiàn)象，結(jié)合鎖相溫度振
幅的后處理方法，對金屬構(gòu)件上的疲
勞裂紋進行了檢測。
根據(jù)以上描述的點激光掃描熱
成像法對金屬試件的檢測，2015年，
石文雄等f3習(xí)將激光掃描熱成像法
應(yīng)用于TBC試件，優(yōu)化設(shè)計TBC試
件的多模式掃描熱成像無損檢測系
統(tǒng)，激光掃描熱成像系統(tǒng)示意圖如
圖1所示。對于表面裂紋缺陷檢測，
控制直徑為微米量級的激光點快速
移動形成線狀熱源，將一個線狀熱源
在TBC試件表面沿著垂直裂紋、傾
斜裂紋和平行裂紋3個方向移動，利
用裂紋與線熱源相交位置的溫度達
到最大值這個特征來發(fā)展閾值分割
累加后處理方法，根據(jù)3個方向得到
的處理結(jié)果綜合對比，確定裂紋形狀
和位置信息，能夠快速識別寬度約為
60Ixm以上的裂紋缺陷。針對不能
夠分析的疑似缺陷，進行重新的點激
光掃描檢測，計算全場溫度梯度場和
溫度對數(shù)梯度場，進行閾值分割，細
化之后將處理后的結(jié)果累加，再次取
閾值，得到反映掃描微小范圍區(qū)域內(nèi)
的裂紋形狀位置結(jié)果圖像，能夠識別
出寬度為9．5¨m以上的裂紋缺陷。
對于界面脫粘缺陷的檢測，用
盲孑L缺陷模擬脫粘缺陷。采用直徑
為30mm、厚度為2．5mm、含有3個
孔徑的TBC試件進行試驗，孑L徑直
徑分別為3mm、2mm和lmm，孔深
為1．9mm，厚度為2mm厚的鎳基合
金，0．1mm厚的粘結(jié)層，以及0．4ram
厚的氧化鋯涂層。當(dāng)掃描速度足夠
快且做線狀移動時，激光點可以作為
線激光。當(dāng)該線激光以垂直于移動
方向掃捕時，即構(gòu)成線激光激勵。該
◆ g
甌脯機
圖1激光掃描熱成像系統(tǒng)示意圖
Fig．1 Diagram of linear laser scanning
thermography system
萬方數(shù)據(jù)
c。刪剛。眥。刪。矧啷M刪。。，復(fù)合材料無損檢測技術(shù)
線狀熱源在含有盲孑L缺陷的TBC試
件表面全場大范圍快速掃描，成為粗
掃描階段。對紅外熱像儀采集到的
熱圖像，經(jīng)過構(gòu)造載波溫度場、三時
刻加窗求振幅、自適應(yīng)變權(quán)重濾波
等"31后處理方法處理后，得到直徑
在2mm以上的盲孑L缺陷。對疑似缺
陷的微區(qū)域，在小范圍進行掃描作為
細掃描階段，對微區(qū)域范圍的熱圖像
采用脈沖熱成像，即在時間序列上進
行傅里葉變換，得到微區(qū)域范圍內(nèi)的
振幅圖和相位圖，可以識別出直徑在
lmm以上的盲孔缺陷。
激光掃描熱成像法是一種全場
范圍內(nèi)快速高效、高靈敏度的檢測方
法，與其他方法相比，該方法更適用
于表面裂紋缺陷檢測，能夠檢測出裂
紋寬度約為10txtn的缺陷；當(dāng)檢測
界面脫粘缺陷時，通過粗掃階段和細
掃階段的分階段掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)盲孑L
直徑為1mill的缺陷檢測。
TBC檢測的渦流熱成像法
渦流熱成像法是新型的紅外熱
波無損檢測方法p31，根據(jù)渦流激勵的
時間不同，可以分為脈沖渦流熱成像
和鎖相渦流熱成像。脈沖渦流熱成
像檢測的基本原理如圖2所示。當(dāng)
交變電流通過感應(yīng)線圈后會產(chǎn)生磁
通量的改變，靠近待測試件時，在試
件表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流；若試件存在
缺陷，材料內(nèi)部的渦流分布會發(fā)生改
變，產(chǎn)生高密度區(qū)和低密度區(qū)，根據(jù)
焦耳熱定律，在材料內(nèi)部產(chǎn)生高溫區(qū)
和低溫區(qū)。對于界面脫粘缺陷，根據(jù)
一維熱傳導(dǎo)方程，由于空氣導(dǎo)熱率遠
小于金屬導(dǎo)熱率，熱傳導(dǎo)中受到阻礙，
脫粘缺陷處溫度明顯低于正常區(qū)域，
通過熱圖像后處理分析算法，實現(xiàn)了
材料缺陷信息的熱響應(yīng)特征提取。
渦流熱成像法具有檢測效率高，
靈敏度高，操作簡便，成本低，全場范
圍等優(yōu)點。按照感應(yīng)線圈與紅外相
機的相對位置分類，可分為透射式渦
流熱成像法和反射式渦流熱成像法，
兩種方法已經(jīng)成功
應(yīng)用于金屬試件的
缺陷檢測，能夠檢測
出長度為0．4mm、深
度為0．12mm量級的
金屬裂紋缺陷。對
于TBC試件，嘗試使
用透射式渦流熱成
像法進行檢測，能夠
廠——]
l計算機I 【．．．．．．．．．一
圖2渦流熱成像試驗原理
Fig．2 Experimental principle of eddy current thermography
檢測m直徑在1mm以下的TBC盲0．1～0．15mm。
孔缺陷。然而采取反射式渦流熱成
像法檢測TBC試件，還未能獲得較
好的結(jié)果。
通過對比光激勵熱成像法和渦
流熱成像法可以發(fā)現(xiàn)：光激勵熱成
像法更適用于表面裂紋缺陷檢測，能
夠達到裂紋寬度為10“m量級的檢
測，對界面脫粘缺陷則需要粗掃描和
細掃描兩次測量才能夠達到直徑為
lmm盲孑L缺陷檢測的較好結(jié)果。然
而，渦流熱成像法則更適用于界面脫
粘缺陷檢測，只需要一次短時間的檢
測，便能夠達到lmm以下的缺陷檢
測。然而，渦流熱成像對TBC裂紋
缺陷的檢測，還需要進一步研究。
TBC檢測的超聲熱成像法
超聲熱成像法是新型的脈沖紅外
熱波無損檢測方法之一m】，根據(jù)超聲
激勵的時間不同，可以分為脈沖超聲
熱成像和鎖相超聲熱成像。超聲熱成
像利用特定的超聲波作用在不同材料
或結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生機械振動，超聲波在缺
陷處因熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)135】導(dǎo)致
聲能衰減而釋放熱量，機械能轉(zhuǎn)化為
熱能并傳遞至試件表面，引起試件表
面裂紋局部發(fā)熱并被紅外熱像儀采
集，缺陷本身可視為熱源進行熱波傳
遞。對含有長度為52mm裂紋的鋁
板試件使用超聲熱成像法進行檢測，
檢測結(jié)果如圖3所示[341。
2013年，南昌航空大學(xué)孫穎在
碩士論文p6】《渦流葉片熱障涂層結(jié)
構(gòu)狀態(tài)超聲檢測方法研究》中，對
TBC厚度進行測量，測量厚度達到
f]岡圖
囡曰口
圖3超聲熱成像法檢測結(jié)果
Fig．3 Detection results of ultrasonic
thermography
熱圖像的后處理方法
對于采集到的原始熱圖像，由于
環(huán)境或熱激勵不均等噪聲的存在，
導(dǎo)致熱圖像的缺陷信息不容易觀察。
為了得到信噪比較高的熱圖像，采用
新型的熱圖像的后處理方法，能夠清
晰得到包含缺陷信息的熱圖像，常用
的后處理方法包括【3“溫度對比、時
間導(dǎo)數(shù)、信號變換和矩陣分解等。
溫度對比是指利用試件中缺陷
區(qū)域和非缺陷區(qū)域的溫差來判別缺
陷。對比方式包括絕對對比、遞進對
比、歸一化對比、標(biāo)準(zhǔn)對比、差分絕對
對比和改進差分絕對對比【381等。采
用有缺陷的熱源激勵熱圖像減去正
常的熱源激勵熱圖像，得到最終含有
2016年第4期·航空制造技術(shù)45
萬方數(shù)據(jù)
缺陷響應(yīng)的結(jié)果圖。
時間導(dǎo)數(shù)中的多項式擬合時間
微分一相關(guān)系數(shù)法[2卅是指對紅外熱
圖序列處理，具體步驟為：首先對溫
度隨時間的對數(shù)變換曲線進行多項
式擬合，實現(xiàn)對原始溫度信號的重
構(gòu)，然后對各像素點的重構(gòu)信號與參
與信號之間的逼近程度進行評估，根
據(jù)求得的相關(guān)系數(shù)對缺陷與正常區(qū)
域進行評估。
信號變換中的代表方法為脈沖
相位法，在時間序列上對熱圖像進行
傅里葉變換，即可得到振幅場和相位
場，通過分析即可得到缺陷區(qū)域與正
常區(qū)域的不同。處理脈沖相位法，
廣泛應(yīng)用的還有有小波變換p9】和
Hough變換【加】。
矩陣分解中的代表方法為主成
分分析法Ⅲ塒】，主成分法是將采集到
的原始熱圖像和采集時間共同構(gòu)造
矩陣，通過構(gòu)造協(xié)方差矩陣進行奇異
值分解，求得特征值，對特征值中占
有重要部分的值進行提取，得到增強
信噪比的熱圖像。
結(jié)束語
本文介紹了TBC無損檢測中的
傳統(tǒng)方法，如滲透檢測、渦流檢測、超
聲檢測、超聲顯微檢測、聲發(fā)射技術(shù)
等和紅外熱成像方法以及熱圖像后
處理算法，特別是對非接觸、全場范
圍的快速主動式紅外熱成像方法進
行了具體的介紹，包括光激勵熱成像
法、渦流熱成像法和超聲熱成像法，
通過文獻調(diào)研和試驗分析，可以發(fā)
現(xiàn)：由于受到TBC多空隙等結(jié)構(gòu)的
限制，傳統(tǒng)無損檢測方法靈敏度不
高；光激勵中的激光掃描熱成像法
對TBC表面裂紋缺陷有較好靈敏度，
能夠識別裂紋寬度約為10“m的缺
陷，渦流熱成像法對TBC界面脫粘
及盲孑L缺陷有較好靈敏度，能夠識別
直徑為lmm以下的缺陷，而超聲熱
成像法對TBC缺陷的檢測能力還需
要進一步研究。
46航空制造技術(shù)·2016年第4期
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Progress in the Nondestructive Testing of Thermal Barrier Coatings
LIU Zhanwei，ZHU Wenying，SHI Wenxiong，XIE Huimin
(School ofAerospace Engineering，Beijing Institiute ofTechnology,Beijing 100081，China)
【ABSTRACTJ Thermal barrier coating(TBC)is the main protective material of engine turbine blade in the aerospace．It
is of great significance of nondestructive testing of surface crack defects and interfacial disbonding defects．The traditional
nondestructive testing of thermal barrier coatings is introduced and summarized，including penetration testing，eddy current
testing ultrasound or ultrasound microscopic detection and new nondestructive testing of infrared thermography,focusing
on the optical excitation，the eddy current excitation and the ultrasonic excitation．The laser scanning thermographic method
is introduced in detail among them，This method has the advantages of non．contact，simple operation，high sensitivity and
rapid detection in the whole field．It can achieve detection ability that the width of crack defect is above 1 01．tm and the di．．
ameter of disbonding defect is above l mm．And the eddy current thermography has the ability to identify disbonding defect
which is less than l mm．
Keywords：Thermal barrier coating(TBC)；Laser scanning thermography；Eddy current thermography；Ultrasound thermography；
Post—processing method (責(zé)編谷雨)

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