渦輪葉片熱障涂層減薄缺陷的微波掃頻定量檢測*

王若男,李 勇,2,回沛林,2,郭 威,陳振茂,武永卓

(1.西安交通大學 航天航空學院 機械結構強度與振動國家重點實驗室 陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術研究中心,陜西 西安 710049；2.無損檢測技術福建省高校重點實驗室 福建技術師范學院,福建 福清 350300；3.斯坦德檢測集團股份有限公司,山東 青島 266000)

0 引 言

在航空發動機和燃氣輪機中,渦輪葉片的工作壞境惡劣、應力狀態復雜,尤其是工作溫度極高,因此,提高渦輪葉片耐高溫能力尤為重要。提高耐熱性能的主要手段之一是在葉片表面采用熱障涂層技術,所制備獲得的熱障涂層系統包括陶瓷表面涂層(top coating,TC)、粘接層(bond coa-ting,BC)和合金基體(alloying body)。其中,陶瓷表層和中間粘接層構成的“熱障涂層(thermal barrier coating,TBC)”是渦輪葉片的關鍵熱障結構之一,能夠顯著提升渦輪葉片的耐高溫性、抗腐蝕性、斷裂韌性以及熱端部件的換熱效率[1],其制備技術多為等離子噴涂與物理氣相沉積技術[2]。熱障涂層減薄缺陷是由環境沉積物顆粒在航空發動機運行時被吸入發動機內部,對渦輪葉片表面沖刷侵蝕所形成[3],該缺陷是造成熱障涂層結構過早失效的典型成因之一。因此,對熱障涂層減薄缺陷實施定期有效的無損檢測手段對保證航空發動機結構完整性及正常工作，避免重大安全事故具有極為重要的意義。現今,對熱障涂層進行無損檢測的主要無損檢測技術有：超聲檢測技術[4],聲發射技術[5],紅外熱成像技術[6]等,然而,這些檢測方法對熱障涂層的實際檢測均存在著一定的局限性。例如,超聲檢測需要耦合劑、存在檢測盲區；聲發射易受機電、環境噪聲干擾；因熱障涂層的熱導率較低而造成紅外檢測精度偏低等。

在空間傳播的微波在異質界面處將發生反射、透射和散射,所形成的反射波、透射波等會隨著被測材料介電常數、磁導率和缺陷尺寸的改變而發生變化。微波檢測是通過測量和分析微波變化特征量來獲取材料、結構缺陷信息的一種電磁無損檢測方法,該方法具有靈敏度高，檢測頻帶寬，穿透力強，非接觸，無污染，無電離輻射等優勢[7]。有鑒于此,國內外學者對微波檢測結構和材料缺陷進行了相關研究。回沛林等人采用Ka波段喇叭天線,實現了對玻璃纖維增強復合材料局部損傷缺陷的高精度成像[8]。微波檢測在熱障涂層缺陷的研究方面也有一定進展,文獻[9]利用X波段的矩形波導驗證了反射系數相位可對熱障涂層孔隙率進行表征。Firdaus A J K M等人利用Ka波段矩形波導對熱障涂層下的合金基體表面裂紋與孔洞進行了掃描成像[10]。此外,由微波檢測發展而來的太赫茲檢測技術也被成功應用于熱障涂層厚度預測[11]。

同軸探頭相較于喇叭天線和矩形波導的優勢包括有檢測靈敏度高、工作頻帶寬、能耗低等。Wang P等人利用同軸探頭在24.8 GHz下對蜂窩復合板中的夾雜物進行了二維掃查成像[12]。楊玉娥等人以反射系數相位差作為信號特征,仿真研究了同軸探頭對熱障涂層厚度、孔隙率等進行微波檢測的靈敏度[13]。

考慮到同軸探頭較高的檢測靈敏度,本文通過仿真和實驗研究,結合微波掃頻技術,從頻域和時域兩方面探究基于同軸探頭的微波定量檢測熱障涂層減薄缺陷的技術關鍵。

1 熱障涂層減薄缺陷的微波檢測原理與有限元仿真

熱障涂層減薄缺陷的微波檢測原理示意圖如圖1所示。同軸探頭發射一定頻寬的微波透射進入熱障涂層的陶瓷層和粘接層,并于合金基底表面處發生反射,所形成的反射波經陶瓷層和粘接層后,由同軸探頭拾取并輸出微波檢測信號,即反射系數S11。由于熱障涂層中的陶瓷層和粘接層對微波具有一定的損耗作用,尤其當陶瓷層厚度發生變化而出現減薄缺陷時,其對微波能量耗散的不同使反射波幅值、相位等隨之變化,因此,微波反射信號與熱障涂層厚度具有強關聯性,通過分析反射信號及其特征可實現熱障涂層減薄缺陷的定量檢測。

圖1 微波檢測熱障涂層減薄缺陷示意

基于上述檢測原理,首先建立熱障涂層減薄缺陷的微波檢測有限元仿真模型,如圖2所示,包括放置于熱障涂層表面的同軸探頭以及不同厚度的熱障涂層結構。同軸探頭的尺寸參數如表1所列,探頭驅動能量為1 W,工作頻率范圍為26.5～35 GHz?？紤]實際熱障涂層各層的材料屬性,模型中陶瓷層的相對介電常數取為23.6-1.645j[14]。另外,粘接層與合金基底均為導電材料,因此陶瓷層—粘接層界面設置為完美電導體。在無減薄缺陷情況下,陶瓷層、粘接層和合金基底的標準厚度分別為：400 μm、100 μm和3 mm。

圖2 仿真模型示意

表1 同軸探頭尺寸參數 mm

為模擬熱障涂層減薄缺陷,仿真中考慮不同陶瓷層厚度h情況,h=0～400 μm,同時,粘接層和合金基體厚度保持不變。針對各缺陷情況,仿真計算其對應不同頻率下的微波反射系數S11,所獲S11幅值信號圖如圖3(a)所示。由圖可見,當熱障涂層出現減薄缺陷造成其厚度減小時,S11幅值明顯增大,體現了微波檢測熱障涂層減薄缺陷的可行性。提取S11幅值均值[15]作為信號特征,得其與涂層厚度的關聯規律如圖3(b)所示。由圖可見,S11幅值均值隨熱障涂層厚度的減小而單調遞增,表明同軸探頭拾取的反射波能量隨涂層厚度的減小而增加。這是因為熱障涂層中的陶瓷層作為典型的介電損耗材料對微波能量具有耗散作用,其厚度的減小造成對微波能量的耗散降低,同軸探頭所測量的反射波能量因此得到提升。

圖3 微波反射信號及信號特征與涂層厚度的關聯規律

為了更全面地分析檢測信號,對反射系數S11進行傅里葉逆變換以獲取不同熱障涂層厚度情況下的微波檢測時域信號,如圖4(a)所示。由圖可見,當涂層厚度由400 μm減小到300 μm時,時域信號圖與時間采樣點軸所圍的面積增加,因此提取時域信號圖面積作為信號特征,建立時域信號圖面積與涂層厚度間的映射關系,如圖4(b)所示。由圖可見,時域信號面積隨著涂層厚度的減薄而單調遞增,這是由于反射波能量隨涂層厚度的減小而增加。檢測信號在時域中的特性與其在頻域中的特性一致,表明在26.5～35 GHz頻段下所獲微波檢測頻域和時域信號均可用于對熱障涂層減薄缺陷的檢出,其信號特征可用于對缺陷尺寸的定量評估。

圖4 微波時域信號及信號特征與涂層厚度的關聯規律

2 實驗研究

2.1 微波掃頻定量檢測實驗系統

在仿真研究的基礎上進行實驗研究,搭建熱障涂層微波掃頻定量檢測實驗系統,如圖5所示。該系統主要由矢量網絡分析儀(N5224A)、同軸探頭和熱障涂層試樣構成。矢量網絡分析儀在Ka波段內(26.5～35 GHz,掃頻點數為851)驅動同軸探頭發射微波并照射熱障涂層試樣,同時測取同軸探頭所接收的回波信號,輸出不同頻率下的S11。實驗中,試樣所對應的熱障涂層厚度分別為h=150,300,330,360,400 μm。為了保證同軸探頭緊貼試樣表面,在同軸探頭開口處加裝由3D打印制成的塑料法蘭,以保證探頭整體穩定性,法蘭材質為尼龍。

圖5 微波掃頻定量檢測實驗系統

2.2 實驗結果與討論

依據仿真研究中所提信號處理方法,由實驗所得微波檢測頻域信號計算獲得不同熱障涂層試樣對應的時域信號如圖6(a)所示。由圖可見,不同涂層厚度下,實驗微波檢測時域信號幅值存在顯著變化。提取時域信號圖面積作為信號特征,進一步建立時域信號圖面積與試樣涂層厚度的映射關系,如圖6(b)所示。由圖可見,與仿真研究所獲分析結論一致,時域信號圖的面積隨著熱障涂層厚度的減小而增大,實驗研究進一步證明了以時域信號圖面積作為信號特征對涂層減薄缺陷定量評估的可行性。

圖6 微波時域信號及信號特征與涂層厚度的關聯規律

此外,實驗中還對所獲微波檢測頻域信號(如圖7(a)所示)進行了進一步分析。由圖7(a)可見,各試樣情況下的頻域信號存在明顯的最小值,即諧振頻率,且諧振頻率隨涂層厚度的變化而偏移,這表明：在Ka波段下,諧振頻率可對涂層厚度進行表征。實驗所建立的諧振頻率與熱障涂層厚度的關聯規律如圖7(b)所示。

圖7 不同涂層厚度下的諧振頻率及其與涂層厚度的關聯規律

由圖7可見,諧振頻率隨著熱障涂層厚度的減小而單調增加,呈負相關關系,且其對應關聯曲線的線性度優于圖6(b)所示時域信號圖面積與涂層厚度的映射曲線。仿真和實驗研究均表明,利用微波檢測頻域和時域信號及其特征可對熱障涂層減薄缺陷實現定量檢測。同時,基于實驗所用涂層試樣(涂層厚度最小間隔30 μm),采用所搭建的微波掃頻定量檢測實驗系統可實現分辨率為30 μm的涂層減薄缺陷深度評估。

3 結 論

本文基于微波掃頻反射法,結合同軸探頭,在26.5～35 GHz頻段下細致探究了熱障涂層減薄缺陷的微波定量檢測關鍵技術。建立微波檢測熱障涂層減薄缺陷的有限元仿真模型,通過系列仿真研究發現：S11幅值均值與時域信號面積均隨著熱障涂層的減小而增加,表明采用所提兩種信號特征對熱障涂層厚度進行定量評估的可行性。同時,搭建熱障涂層微波掃頻定量檢測實驗系統,實驗研究驗證了微波檢測時域信號面積與熱障涂層厚度間的映射關系,且發現微波系統諧振頻率與涂層厚度呈線性遞減關系。仿真與實驗研究結果均表明：基于微波同軸探頭的Ka波段微波掃頻定量檢測,可有效針對熱障涂層減薄缺陷實施微米級定量評估,檢測分辨率可達30 μm。