再制造毛坯涂層下基體疲勞裂紋超聲紅外熱像檢測

郭　偉， 董麗虹， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

再制造毛坯涂層下基體疲勞裂紋超聲紅外熱像檢測

郭偉， 董麗虹， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

摘要：為了探索超聲紅外熱像檢測技術對涂層下基體疲勞裂紋識別和評估的可行性，在Q235不銹鋼試樣中預置了拉伸疲勞裂紋，并采用火焰噴涂方法在試樣表面制備了3Cr13合金涂層，使用25 kHz低頻脈沖超聲波從涂層表面進行激勵，研究了激勵過程中涂層表面溫度場的瞬態響應過程，以及裂紋區和非裂紋區的溫度變化趨勢；分析了表面噴涂層對基體裂紋開口處的生熱機制的影響，提出了裂紋識別的最佳時間；通過二值化處理，基于MATLAB軟件的數字圖像處理功能，從熱圖中提取了裂紋骨架，并計算了裂紋長度。結果表明：超聲紅外熱像法可實現對再制造毛坯涂層下基體疲勞裂紋的定性識別和定量檢測。

關鍵詞：再制造毛坯; 疲勞裂紋; 紅外熱像檢測; 圖像處理

再制造工程作為一門新的工程學科，因其顯著的資源、環境和社會效益而得到了快速發展[1]。它可對服役的廢舊產品進行高技術修復，但在修復前必須對其損傷形式和程度進行系統檢測和評估[2-3]。對于表面帶有涂層的零件，服役過程中涂層下基體材料受各種載荷作用可能會產生疲勞裂紋，裂紋擴展到涂層表面之前無法通過肉眼發現，也無法采用傳統的滲透、磁粉等方法進行檢測。典型的再制造毛坯損傷評估技術有磁記憶技術、超聲檢測技術和渦流檢測技術等[4-5]，但只適用于特定材料種類，普遍適用性受到限制。因此，涂層下基體裂紋檢測是目前再制造毛坯壽命評估中的一個難點[6-7]。

超聲紅外熱像檢測技術是將低頻超聲波(頻率范圍為20～40 kHz)輸入檢測對象，超聲波在材料缺陷處衰減并產生熱量堆積，熱量擴散導致缺陷處表面溫度異常升高，使用紅外熱像儀采集表面溫度分布圖(簡稱熱圖)，從而實現對材料內部缺陷的分析和反求[8]。該技術適用于檢測材料表面和近表面缺陷，尤其適用于表面和表面下裂紋的檢測，在航空零件檢修、復合材料缺陷檢測等方面獲得了實際應用[9-10]。缺陷的聲阻越大，超聲波在缺陷處產生的熱量越多，該處異常熱信號也越強，如：板狀金屬材料中的疲勞裂紋和復合材料沖擊損傷等接觸界面類缺陷[11-12]。國內外學者對低頻超聲波在金屬材料疲勞裂紋處的生熱機理進行了研究，認為其主要生熱機制為受超聲波振動激勵后裂紋兩側材料相互摩擦產生熱量[13]，并從理論和實驗2方面證實了摩擦生熱機制的存在[14]，此外還存在碰撞、局部塑性變形等生熱機制[15]。然而，目前對于再制造工程中經常面臨的涂覆層下金屬基體疲勞裂紋檢測問題少見報道，表面涂覆層的存在使入射超聲波和裂紋異常熱信號的傳導均受到影響。因此，與均勻金屬平板疲勞裂紋相比，其檢測難度更大。

筆者采用低頻脈沖超聲波對帶有涂層下基體疲勞裂紋的試樣進行激勵，通過試樣表面溫度場響應過程研究了涂層下基體疲勞裂紋的發熱規律，通過表面熱圖對比研究了最佳檢測時間等參數，基于MATLAB軟件的數字圖像處理功能，對采集到的表面熱圖進行處理，提取了裂紋的熱圖特征，并定量計算了裂紋的長度。

1實驗設備與材料

1.1實驗設備

圖1　超聲紅外熱像檢測系統

實驗所采用超聲紅外熱像檢測系統如圖1所示，主要包括超聲波激勵裝置、熱圖像采集設備和數據存儲處理裝置，其中：超聲波激勵裝置為Ywy-2012實驗用超聲波主動激勵系統，超聲振動頻率為25 kHz，激勵方式為方波脈沖激勵，脈沖長度為0.5 s。選用脈沖激勵方式的原因為：金屬材料導熱較快，激勵時間過長會使裂紋處堆積熱量快速擴散，導致其表面異常熱信號與周圍正常結構表面的對比度下降，不利于裂紋的識別和定量表征。實驗時，在超聲波激勵頭和試樣之間加耐高溫膠帶，以避免2種金屬材料直接接觸，增強耦合效果。熱圖采集設備使用NEC Avio R300型紅外熱像儀，其溫度分辨率≥0.03 ℃，測溫范圍為-20～500 ℃，圖像采集頻率最高為60 Hz。熱圖后期濾波、特征分析、邊緣提取等處理主要基于MATLAB軟件的數字圖像處理功能進行。

1.2試樣制備

試樣制備步驟為：1)在尺寸為300 mm×50 mm×5 mm的Q235不銹鋼板材中心位置預置一個扁平缺口，如圖2所示；2)使用WDW-E100D型萬能材料試驗機在帶中心缺口的鋼板兩端施加交變拉伸載荷F，使其沿預置缺口兩端產生長約0.5 cm的疲勞裂紋,如圖3所示；3)在預置好的疲勞裂紋的鋼板表面,采用火焰噴涂方法制備3Cr13涂層(工程實際中常被作為一種低成本、大面積的防護涂層用在大型結構和設備表面)，保證無法通過肉眼發現基體中存在的疲勞裂紋，如圖4所示；4)在中心缺口一側切取15 mm×15 mm的方塊，方塊中要包含帶涂層的完整裂紋區域。

圖2　不銹鋼板材中心預置的扁平缺口

圖3　預制缺口兩端產生的疲勞裂紋

圖4　預制疲勞裂紋鋼板涂層表面形貌

采用Quanta200型環境掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察涂層和裂紋截面的微觀形貌，裂紋寬度約0.2 mm處涂層與裂紋截面形貌如圖5所示。可以看出：正常區域的火焰噴涂層厚度約為0.4 mm，該處部分涂層材料嵌入基體裂紋開口中，使涂層厚度大于其他區域，但其與周圍基體材料界面結合并不緊密，可以觀察到明顯的間隙。這是由于在噴涂過程中涂層材料進入裂紋開口處凝固時冷卻收縮所導致，理論上這種松散的結合狀態可使受激后材料間的相互摩擦作用得到增強，增加裂紋處的發熱量。

圖5　裂紋寬度0.2 mm處涂層與裂紋截面形貌

2表面溫度場瞬態響應過程

表面覆蓋有涂層的裂紋試樣，從涂層表面無法發現涂層下的基體疲勞裂紋。將低頻超聲波從試樣非裂紋區域涂層表面輸入，采用紅外熱像儀記錄整個過程中試樣表面溫度場瞬態響應過程。圖6為1個脈沖周期內試樣表面溫度場瞬態響應過程，超聲波脈沖激勵能量從0 s開始加載，到0.5 s結束。由圖6可見：當施加超聲波載荷后，裂紋表面溫度出現異常升高，而非裂紋區域表面熱圖未見明顯變化；隨著激勵能量持續輸入，裂紋處與非裂紋區熱圖差異持續加大；0.5 s后在表面輻射效應和熱量橫向傳導雙重作用下裂紋區表面溫度迅速下降，到1 s時已經很難從熱圖中直接分辨出裂紋位置。

圖6　1個脈沖周期內試樣表面溫度場瞬態響應過程

研究[16]表明：均勻平板金屬材料疲勞裂紋受激后摩擦效應存在于裂紋尖端，在裂紋開口區域由于2個裂紋面不接觸，并無摩擦效應，因此只有裂紋尖端會產生明顯的溫度異常信號。而圖6的結果表明：在低頻超聲波激勵下，涂層下基體疲勞裂紋開口區域也產生了明顯的溫度異常，這是因為噴涂過程中部分涂層材料嵌入基體裂紋開口處，在受振動激勵后與裂紋面產生了摩擦作用。實際零件的涂層下基體疲勞裂紋中不會出現該類結構，但基體開裂時會導致裂紋開口附近的涂層/基體界面產生裂紋，受低頻超聲激勵時，同樣可能產生異常溫度信號。與該實驗效果相似，這一機制還有待進一步驗證。

在裂紋中心處取點A，在非裂紋區取點B，2點處涂層表面溫度在連續3個激勵周期內的變化過程如圖7所示，此時環境溫度為29.8 ℃。由圖7可以看出：在激勵過程中，A點溫度持續升高，大致可以分為2個階段，約0～0.3 s范圍內曲線斜率較大、升溫較快，約0.3～0.5 s范圍內曲線斜率明顯低于前者，升溫減緩；激勵結束后，A點溫度迅速下降，經過約0.5 s降溫過程后其溫度水平與B點相當；而B點溫度在整個過程中變化并不明顯；另外，A、B兩點之間的表面溫度差在脈沖激勵結束時刻(每次脈沖開始后0.5 s時刻)達到最大值，最大溫差值約為2 ℃。

圖7　連續3個激勵周期內A、B點涂層表面溫度變化過程

裂紋表面A點溫度激勵升溫時存在速率有所減緩是因為：在激勵過程中，裂紋區熱量不斷堆積，溫度上升，材料熱輻射率和熱擴散率均有所增大，熱量散失速度加快，而生熱速率不變。B點溫度在整個激勵周期內無明顯變化，說明低頻超聲波激勵并未導致非裂紋區域材料溫度明顯升高。在一個激勵周期內，激勵結束時刻2點溫差最大，表明通過表面溫度進行裂紋定性識別的最佳時間是單個超聲脈沖激勵結束時刻。

3熱圖處理與裂紋特征提取

二值化是一種常用的數字圖像處理方法，即按一定規律將圖像中所有像素點灰度值設置為0或255。首先，將圖6中1個脈沖周期所有熱圖轉化為灰度圖，其灰度值范圍為0～200；然后，進行二值化處理，經調整對比，閾值設置為150時的二值化圖像中裂紋區域特征最為明顯，如圖8所示。可以看出：超聲波激勵施加前裂紋區域為黑色；激勵施加后裂紋區域立刻由黑色變為白色；之后隨著激勵持續，裂紋區域圖像特征范圍不斷擴大；激勵結束后，裂紋區域邊界開始變模糊。整個激勵周期內裂紋區域邊界不斷擴大甚至模糊，是由基體疲勞裂紋處堆積熱量向周圍材料擴散所致，熱擴散效應增加了裂紋定量表征的難度。

圖8　二值化處理后1個脈沖周期內試樣表面熱圖響應過程

為了更加精確地提取裂紋特征，將圖6中0.1 s時刻的熱圖像與熱激勵前的背景熱圖像(0 s時刻)相減，得到如圖9(a)所示的去除背景熱量后的圖像，該圖中各點的灰度值與試件表面對應點在激勵過程中的溫度變化量成正比，從圖中可較為清晰地觀察到基體疲勞裂紋走向。為了進一步定量分析裂紋特征，將圖9(a)進行二值化處理，結果如圖9(b)所示，其中白色區域代表基體疲勞裂紋，該圖像中裂紋區域的邊緣特征更加清楚。

基于MATLAB圖像骨架提取功能，使用bwmorph命令[17]提取上述二值化裂紋圖像中的裂紋骨架，結果如圖9(c)所示。軟件自動計算所提取裂紋骨架長度為5.3 mm，與圖3所示的實際測量結果相符。這一結果表明：超聲紅外熱像方法可實現對涂層下再制造毛坯基體疲勞裂紋的定量檢測。

圖9　表面熱圖中裂紋特征提取過程

4結論

通過研究低頻脈沖超聲波激勵過程中再制造毛坯試樣涂層表面溫度場瞬態響應過程，探索了基于表面熱圖的涂層下基體疲勞裂紋定性識別和定量表征技術。結果表明：帶有表面噴涂層的再制造毛坯試樣受到低頻超聲波激勵后，基體疲勞裂紋處涂層表面溫度在迅速升高，無裂紋區域溫度不會明顯升高；在超聲波脈沖激勵結束時刻，裂紋表面與非裂紋區域表面溫度差值達到最大，該時刻為裂紋識別的最佳時刻；基體裂紋受激后產生的熱量在向涂層表面傳導過程中，會發生橫向擴散，對裂紋的定量檢測有不利影響，基于激勵過程中試樣表面熱圖可實現基體裂紋長度的定量檢測。另外，還提出了涂層材料與基體裂紋開口相互作用下的生熱機制，后續研究將通過理論模擬和試驗手段進一步驗證該生熱機制，并總結涂層材料種類和涂層厚度等因素對基體裂紋生熱機制的影響規律。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Ultrasonic Infrared Thermal Imaging Detection of Fatigue Cracks of the Substrate under Remanufacturing Blanks Coating

GUO Wei, DONG Li-hong, XU Bin-shi

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：To explore the practicability of fatigue cracks testing and evaluation in the substrate by ultrasonic infrared thermal image technology, tensile fatigue cracks are prefabricated in Q235 stainless steel substrate, and 3Cr13 alloy coating is prepared on the surface of the sample by means of flame spray low-frequency ultrasonic with frequency of 25 kHz is employed to excite the specimen from coating surface. Transient response of coating surface temperature field in exciting process is researched, temperature variation trend in crack area and non-crack area are compared; effect of themogenesis theory in crack branching area caused by coating is analyzed, and the optimum time for crack recognition is put forward. Skeleton path of the under-coating crack is extracted from binary thermal images with digital image processing of MATLAB software, and the crack length is calculated. The results show that ultrasonic infrared thermography can realize qualitative identification and quantitative detection of fatigue cracks of the subtrate under remanufacturing blank coatings.

Key words:remanufacturing blank coatings; fatigue cracks; infrared thermal image detection; image processing

文章編號：1672-1497(2016)02-0089-05

收稿日期：2015-12-25

基金項目：國家“973”計劃項目(2011CB13401)

作者簡介：郭偉(1988-)，男，博士研究生。

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.018