激光掃描熱波無損檢測技術在航空發動機涂層中的應用

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(1.南京諾威爾光電系統有限公司，南京 210046；2.中國南方航空工業有限公司，株洲 412002)

隨著科學技術的不斷發展，航空發動機的技術性能不斷提高，其中起關鍵作用的就是涂層技術的應用。涂層技術通常是指將有機、無機、混合涂層，通過刷涂、浸泡、噴涂的方式涂覆在材料表面，進而改善材料表面性能的一門技術。涂層技術作為航空發動機的核心技術，對航空發動機起著防護的作用，不同種類的涂層發揮著隔熱、防護、抗磨、抗沖擊、減震的作用，從而提高航空發動機的最高工作溫度，減少燃油消耗，降低與空氣的摩擦，延長航空發動機的使用壽命，保障航空發動機的安全可靠運行[1]。因此，涂層技術在航空發動機中得到了廣泛的應用[2]。

涂層厚度不均勻、黏接質量、厚度超標都將影響涂層的性能。在制作過程中，涂層和基體材料黏接不牢甚至脫黏；在使用過程中，涂層產生裂紋或者涂層與基體脫黏分離，都將嚴重影響航空發動機的運行安全，因此對涂層缺陷的檢測十分重要。

航空發動機涂層缺陷的檢測技術主要有紅外熱波無損檢測、激光散斑技術、微波技術等。散斑技術的加載方式分為機械加載與熱源方式加載兩種，一般用于脫黏缺陷的檢測，不適合于涂層內部細微裂紋的檢測[3-5]。

紅外熱波無損檢測技術是一種數字化新型無損檢測技術，具有非接觸、非破壞、檢測面積大、檢測速度快、便于在線在役檢測、結果直觀易懂等優點，受到越來越多研究人員的關注。

謝興盛等[6]采用紅外熱波技術，利用熱風激勵方式對渦輪葉片上的熱障涂層損傷區進行了檢測。馮馳等[7]采用紅外熱波技術，利用電磁爐加熱方式對渦輪葉片熱障涂層脫落區域進行了檢測。劉穎韜[8]采用紅外熱波技術，利用閃光燈熱激勵對航空發動機涂層進行了檢測研究，可以檢測出直徑為0.8 mm、深度為0.5 mm的盲孔缺陷，通過對涂層試片熱循環過程進行跟蹤，可記錄缺陷產生、發展、脫落的演變過程，通過紅外熱波檢測結果識別出了通過表面觀察不到的微裂紋。唐慶菊等[9]采用閃光燈激勵紅外熱波檢測技術檢出了耐熱合金涂層結構板材的內部缺陷，為此類缺陷的檢測提供了一定參考依據。

紅外熱波成像技術屬于主動紅外熱成像技術，與被動紅外熱成像的區別在于其是主動施加熱激勵。目前，國際上主流采用高功率閃光燈進行熱激勵，但是閃光燈電源體積龐大而且笨重，閃光燈熱均勻性差，只能近距離進行熱激勵。為此筆者采用激光掃描紅外熱波技術，利用線狀連續激光束在試件表面進行掃描，形成高功率密度的脈沖熱激勵，實現試件表面的熱激勵。

1 檢測基本原理

1.1 激光掃描熱波成像基本原理

紅外熱波無損檢測技術主動采用熱激勵源對材料表面進行加熱，形成的熱波向材料內部進行傳播，材料內部的缺陷如裂紋、脫黏、損傷等會形成熱阻而影響熱波的傳播，從而引起材料表面溫度場的變化。利用紅外熱像儀記錄材料表面的溫度變化，從而可以檢測到材料內部的缺陷信息。紅外熱波無損檢測技術的必要條件是材料內部的溫度梯度，而脈沖熱激勵則是產生這種溫度梯度的有效方法[10]。脈沖熱激勵主要包括閃光燈和激光。

近年來，半導體激光器的發展非常迅速，由于其功率高、價格低、體積小，在工業領域得到了廣泛的應用。半導體激光器功率可以達到很高，但半導體激光器的輸出一般是點光源，功率密度很高，容易損傷材料表面，不適合直接作為紅外熱波無損檢測技術的熱激勵源。為此筆者提出采用線型激光束掃描方式，其激光器功率很高，功率密度低，可在材料表面形成短周期的脈沖加熱，而不會損傷材料表面。圖1所示的是激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術示意，高功率激光器的光束經透鏡整形，形成一均勻線型光斑照射在試件表面上，數據采集處理系統通過掃描控制裝置，根據試件的特性來調節振鏡和熱像儀的掃描時序關系，從而實現對試件內部缺陷的檢測。

圖1 激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術示意

1.2 熱波無損檢測理論基礎

激光掃描紅外熱波無損檢測技術采用激光掃描方式進行熱激勵，系統通過“延遲校正”[11]后，類似于激光對整個試件表面同時進行熱激勵，試件表面熱傳導呈現一維分布。

由熱傳導理論中一維熱傳導方程得，無缺陷區域表面溫度變化函數和有限厚度d處表面溫度變化函數分別為

(1)

(2)

式中：C=Q/(ρ·cv)，為施加在表面單位面積的熱量與單位體積存儲熱量的比值;Q為熱激勵能量;ρ為材料密度;cv為材料比熱;a為材料熱擴散率;t為熱激勵后降溫時間。

分別對式(1)，(2)取自然對數，得到

(3)

(4)

對式(3)，(4)中ln(t)求導數得到

(5)

(6)

從而可以得到，無缺陷區域雙對數時間變化是一條與材料特征無關的斜率為-0.5的直線；缺陷區域曲線在某個時刻會發生偏離，并不是直線，圖2所示為重建信號雙對數曲線。從圖2中可看出，雙對數曲線一階導數曲線與熱激勵能量無關，僅與缺陷熱導率、缺陷深度有關。

圖2 試件表面溫度隨時間的變化關系(對數坐標)

2 檢測試驗及結果分析

2.1 激光掃描熱波成像檢測系統

試驗采用的激光掃描熱波無損檢測設備(見圖3)的技術參數如表1所示，其主要由計算機、掃描控制單元、測試平臺等部分組成。測試平臺包括激光器及冷卻系統、掃描振鏡、熱像儀及光路系統等，其采用激光對試件表面進行掃描與采集紅外圖像。掃描控制單元用于控制熱像儀和激光掃描振鏡之間的同步。計算機系統用于硬件控制、系統監測、圖像分析與處理等。

圖3 激光掃描紅外熱波無損檢測設備外觀

激光掃描熱波無損檢測系統中的關鍵技術在于激光掃描與采集之間的同步關系，確保激光一進入到紅外熱像儀視場就開始同步采集，對于后續圖像處理是非常有好處的。激光掃描的快慢根據試件導熱率決定，導熱率快的試件采用快的掃描速度，導熱率慢的試件采用慢的掃描速度，一般掃描速度在6～30 mm·s-1之間。

表1 激光掃描熱波成像系統部分技術參數

2.2 缺陷檢測結果

通常工件表面的涂層越厚，其溫度梯度就越大，可以有效保護基體；涂層越薄，溫度梯度越小，隔熱效果越差。但隨著涂層厚度的增加，涂層和基體界面的彈性應變能也會增加，從而導致界面裂紋擴展或者涂層與基體黏接。文中制作了不同厚度的涂層試件，進行了兩組試驗。

2.2.1 試件1

在一塊尺寸(長×寬×厚)為70 mm×30 mm×2 mm的不銹鋼板上(稱為試件1)，制作了厚度約為0.5 mm的特殊涂層，其中包括了一些人工缺陷，其實物外觀如圖4所示。在制作涂層時，試件表面僅噴涂了2/3區域。

圖4 涂層試件1外觀

圖5 試件1的熱波檢測結果

檢測時，熱波圖像的采集幀頻為50 Hz，采集時間為10 s，激光掃描時間為6 s，熱波成像的檢測結果如圖5所示。由圖5中可以明顯看到一個點狀缺陷和一塊狀缺陷。塊狀缺陷為人為制作而成，制作時對該區域的表面進行了特別的處理，而亮點(點狀缺陷)則是噴涂過程中產生的氣孔。其點狀缺陷水平方向長度約為0.8 mm，塊狀缺陷水平方向長度約為26.8 mm。右邊近1/3的黑色代表無涂層區，此處激光吸收小，溫升低。

為了驗證上述檢測結果的準確性，對該涂層試件進行了金相分析。當涂層經打磨后，可以清晰地看到塊狀及氣孔缺陷的存在，如圖6所示。圖7為該試件的金相剖面檢測結果，圖中可看到點狀影像部位無底層形貌，點狀長度為0.75 mm，且該部位面層涂層與基體存在分離現象;塊狀影像部位整個截面層涂層與基體之間均未見底層形貌，且該部位面層涂層與基體之間存在不連續的分離現象，塊狀影像部位水平方向長度約為26 mm。

圖6 試件1的金相檢測結果

圖7 試件1影像部位涂層與基體的結合情況

激光掃描熱波無損檢測技術采用激光掃描對試件進行熱激勵，產生的熱波向試件內部傳播，然后用紅外熱像儀采集試件表面熱波信號。熱波在試件內部傳播時，由于三維熱擴散作用，會逐漸發生衰減且擴散，從而使得缺陷尺寸測量結果偏大，偏差誤差在2%～5%之間。所以，從金相檢測的驗證結果來看，激光掃描熱波無損檢測技術能對涂層缺陷進行可靠檢測。

2.2.2 試件2

某航空發動機的真實部件為一直徑約150 mm，寬度約30 mm的環形金屬件，基體為合金鋼，外表面的涂層厚度為1 mm。為了進行對比，分別制作了含分層缺陷和無缺陷的兩個試件，外表看起來沒有任何區別，如圖8所示。

圖8 環形金屬試件的光學圖像

檢測時采集幀頻為50 Hz，采集時間為10 s，激光掃描時間為6 s，試件距離熱像儀約為500 mm，熱波檢測結果如圖9所示。

圖9 環形金屬試件熱波檢測結果

圖9(a)所示為含分層缺陷的涂層試件的檢測結果，測量得到圖9(a)所示缺陷水平方向的長度約為24.6 mm，熱波圖像中可看到的一個紅色區域為脫黏區域，說明此區域無缺陷涂層和基體材料結合差，熱阻抗大，熱波信號發生反射而反射回表面，使得該區域表面溫度較高，屬隔熱性缺陷。圖9(b)所示為無缺陷涂層試件的檢測結果，此時試件各點的熱波在涂層內部正常傳播，表面溫度大體無差異。

為了確認上述熱波檢測結論的正確性，對這兩個試件進行了金相解剖以驗證試驗結果。對缺陷試件的涂層進行打磨，可以看到一個方形塊狀缺陷的存在，形狀與熱波圖像完全吻合，如圖10所示，涂層與基體存在長度約23.7 mm的分離，無底層涂層。對缺陷試件的該分層區域進行剖面形貌分析，可以清晰看到在涂層和基材結合部位有一個明顯的裂隙，如圖11(a)所示。同樣對無缺陷試件進行了剖面形貌分析，如圖11(b)所示，其涂層和基材結合部位界面光滑，沒有任何裂隙存在。

圖10 缺陷試件的金相檢測結果

圖11 含缺陷涂層試件與無缺陷涂層試件的剖面形貌

3 結論

采用激光掃描進行熱激勵，對多個航空發動機涂層試件進行紅外熱波檢測，成功檢測出涂層試件中的多種人工缺陷，包括塊狀缺陷與氣孔，顯示了該技術對涂層缺陷的檢測能力。最后，采用金相技術對試件進行了解剖分析，驗證了激光掃描熱波無損檢測的結果，表明該技術可對航空發動機涂層缺陷進行可靠地檢測。