馮馳，滑翔

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

紅外熱波技術(shù)在渦輪葉片涂層檢測(cè)上的應(yīng)用

馮馳，滑翔

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

渦輪葉片作為燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件，長(zhǎng)期在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中工作，其熱障涂層極易損壞。熱障涂層損壞會(huì)極大地影響渦輪葉片的使用壽命。紅外熱波檢測(cè)技術(shù)不同于傳統(tǒng)的紅外檢測(cè)方法，它通過(guò)主動(dòng)控制激勵(lì)熱源來(lái)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行加熱，然后利用紅外熱像儀攝取具有熱障涂層脫落情況葉片的紅外圖像，并使用偽彩色增強(qiáng)技術(shù)和邊緣檢測(cè)技術(shù)增強(qiáng)對(duì)紅外圖像中熱障涂層缺陷的分辨能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出熱障涂層脫落部分的位置及大小。

紅外熱波；無(wú)損檢測(cè)；渦輪葉片；熱障涂層；偽彩色增強(qiáng)；Canny算子

燃?xì)廨啓C(jī)自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)了70多年的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中最先進(jìn)的熱動(dòng)力裝置之一。而渦輪葉片作為燃?xì)廨啓C(jī)的主要部件，必須長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)中，這對(duì)渦輪葉片的耐高溫性能提出了更高的要求。雖然具有復(fù)雜氣道的內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)［1］可以極大地提高渦輪葉片的耐高溫能力，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到在提高進(jìn)口溫度之后對(duì)葉片耐高溫能力的需求，現(xiàn)在解決這一問(wèn)題的主要手段就是采取熱障涂層技術(shù)。熱障涂層技術(shù)［2］的基本設(shè)計(jì)思想是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕熱等性能特點(diǎn)通過(guò)涂層的方式沉積到高溫合金基體表面，以達(dá)到隔熱和降低工件表面工作溫度的目的。ZrO2（二氧化鋯）是目前較為常用的熱障涂層材料，它具有優(yōu)良的熱學(xué)和力學(xué)性能。然而熱障涂層在長(zhǎng)期的高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)下環(huán)境中也非常容易產(chǎn)生損壞。所以對(duì)熱障涂層的定期檢測(cè)是保障可以葉片長(zhǎng)期服役的必要手段。紅外熱波檢測(cè)技術(shù)［3］是一種集熱學(xué)、紅外技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理技術(shù)于一體的新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它具有適用面廣、觀(guān)測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀(guān)、單項(xiàng)非接觸等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的故障檢測(cè)中。

1 常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

由于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片都采用了性能優(yōu)異但價(jià)格十分昂貴的鎳基和鈷基超級(jí)合金材料以及復(fù)雜的制造工藝，出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，對(duì)于渦輪葉片的檢測(cè)必須采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段。常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［4］有如下幾種。

1.1 超聲檢測(cè)

一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，而材料的不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致。聲波在2種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。一般由反射回來(lái)的能量來(lái)確定物體的內(nèi)部缺陷。超聲檢測(cè)適合于對(duì)試件內(nèi)部面積型的檢測(cè)，但是對(duì)于表面面積型缺陷的檢測(cè)則靈敏度偏低。

1.2 渦流檢測(cè)

如果給一個(gè)線(xiàn)圈通入交流電，在一定條件下通過(guò)的電流是不變的。如果把線(xiàn)圈靠近被測(cè)工件，就像船在水中那樣，工件內(nèi)會(huì)感應(yīng)出渦流，受渦流影響，線(xiàn)圈電流會(huì)發(fā)生變化。由于渦流的大小隨工件有沒(méi)有缺陷而不同，所以線(xiàn)圈電流變化的大小能反映有無(wú)缺陷。渦流檢測(cè)對(duì)金屬表面或近表面的缺陷有很高的檢出靈敏度，但是對(duì)于非金屬的熱障涂層損傷卻無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)應(yīng)用液體表面張力對(duì)固體產(chǎn)生的浸潤(rùn)作用，以及液體的相互乳化作用等特性來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)將滲透劑涂于被檢試件的表面，當(dāng)表面有缺陷時(shí)，滲透劑將滲透到缺陷中，去除表面多余的部分，再涂以顯像劑，在適當(dāng)?shù)墓饩€(xiàn)下即可顯示放大了的缺陷圖像的痕跡，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開(kāi)口缺陷。滲透檢測(cè)對(duì)于表面的裂紋及涂層損傷的檢測(cè)效果比較好，但是工藝耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)效率極低，靈敏度也不高。

2 紅外熱波檢測(cè)原理

物體在被加熱后，不同的材料表面及表面下的物理特性和邊界條件（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）將影響熱波的傳輸，并以某種方式在材料表面的溫度場(chǎng)變化反映出來(lái)，通過(guò)控制熱激勵(lì)方法和利用熱像儀探測(cè)材料表面的溫度場(chǎng)變化，將可以獲取材料表面及內(nèi)部的信息，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

從每年全國(guó)征兵報(bào)名、應(yīng)征入伍的情況看，入伍人員存在男多女少的現(xiàn)象。常州五所高職院校的退役復(fù)學(xué)高職生中，男生占93.2%，女生僅占6.8%。這些退役復(fù)學(xué)高職生年齡普遍較大，一般比同年級(jí)或同班級(jí)的學(xué)生大2-3歲。而與他們同齡的高職生，要么已經(jīng)在畢業(yè)班就讀，要么已經(jīng)畢業(yè)走上了工作崗位。入伍參軍、退役求學(xué)，對(duì)退役復(fù)學(xué)高職生來(lái)說(shuō)，是寶貴的人生經(jīng)歷。一方面，年齡偏大的退役復(fù)學(xué)高職生，由于有豐富的生活經(jīng)驗(yàn)和軍營(yíng)閱歷，在關(guān)心和引導(dǎo)同學(xué)等方面，能夠起到示范作用，可以潛移默化地影響同學(xué)。另一方面，年齡偏大、獨(dú)特的軍營(yíng)生活習(xí)慣、所在班級(jí)同學(xué)已經(jīng)穩(wěn)固的人際關(guān)系，也成為他們?nèi)谌胪瑢W(xué)群體、重新適應(yīng)大學(xué)生活的阻力[1]。

紅外熱波檢測(cè)屬于主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的一種。紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)［5］一般包括脈沖熱源、紅外熱像儀、圖像分析軟件。在用熱源加熱試件時(shí)，紅外熱像儀記錄試件表面溫度場(chǎng)，數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理和分析后得到檢測(cè)結(jié)果。紅外熱波檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用于航空、航天、電力、大型機(jī)械裝備、石油管道、壓力容器等的無(wú)損檢測(cè)。

2.1 熱輻射原理

斯特藩-玻爾茲曼定律［6］指出，黑體輻射強(qiáng)度和溫度之間滿(mǎn)足如下的關(guān)系式：

式中：M（T）為黑體全波輻射出射度，T為黑體的熱力學(xué)溫度，σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。

而實(shí)際物體的輻射強(qiáng)度還和構(gòu)成物體材料的性質(zhì)和表面狀況的因素有關(guān)。其輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如下：

式中ε（T）為實(shí)際物體在溫度T下的全輻射率。

實(shí)際物體的發(fā)射率ε（T）與物體的表面狀態(tài)（包括物體表面溫度、表面粗糙度以及表面氧化層、表面雜質(zhì)或涂層的存在）有關(guān)［7］。物體的發(fā)射率通常由實(shí)驗(yàn)得出。金屬的發(fā)射率隨表面溫度的上升而增大［8］，而非金屬的發(fā)射率一般是隨表面溫度的上升而減小。通常來(lái)講金屬的發(fā)射率比非金屬的小得多。

在相同溫度的情況下，不同的發(fā)射率對(duì)于輻射強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著地影響。而隨著溫度的提升，溫度的差距也在不斷地增大。假設(shè)葉片溫度是1 000 K的話(huà)，那么按照以上的發(fā)射率來(lái)計(jì)算，有涂層部分的輻射強(qiáng)度理論上將比無(wú)涂層部分的輻射強(qiáng)度高72.7%。不同發(fā)射率造成的輻射強(qiáng)度的不同反應(yīng)到紅外圖像上將形成顯著差異，從而使判斷出缺陷部分。故障葉片紅外輻射示意圖如圖1所示。

圖1 紅外輻射示意圖

與此同時(shí)，將葉片加熱到一定溫度后，在其自然冷卻過(guò)程中，渦輪葉片熱障涂層受損部分與空氣的熱傳遞速度加快，溫度降低會(huì)加快，在紅外圖像中體現(xiàn)出與完好部位的溫度差異。

從以上2個(gè)方面來(lái)看，由于非金屬的熱障涂層比金屬的葉身發(fā)射率要高，所以相同溫度下在紅外熱像儀所攝入的紅外圖像中熱障涂層脫落部分的亮度應(yīng)該較暗。而在自然冷卻的過(guò)程中，熱障涂層損傷部分的的溫度下降比完好部分要快，所以在紅外圖像中熱障涂層損傷部分的亮度與完好部分的亮度差異會(huì)加大。

2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)激勵(lì)源從外部對(duì)渦輪葉片進(jìn)行激勵(lì)，使其初始溫度處于較高的點(diǎn)，這樣可以有效地將渦輪葉片圖像和背景相區(qū)分開(kāi)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用電磁爐對(duì)渦輪葉片進(jìn)行加熱。在加熱后的自然冷卻過(guò)程中，利用紅外熱像儀連續(xù)的記錄渦輪葉片的紅外圖像，同時(shí)使用紅外輻射測(cè)溫儀記錄對(duì)應(yīng)紅外圖像的溫度，直到渦輪葉片的紅外圖像幾乎不可見(jiàn)。然后將紅外圖像傳給計(jì)算機(jī)并使用MATLAB軟件對(duì)所得到的圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷葉片脫落區(qū)域。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)框圖

紅外熱像儀選用武漢高德公司的IR928型紅外熱像儀，其光譜范圍是8～14μm，溫度分辨率0.06℃，空間分辨率1 m rad，紅外測(cè)溫儀選用Fluke公司的561型紅外測(cè)溫儀，測(cè)溫范圍－40～550℃，顯示分辨率0.1℃。

對(duì)渦輪葉片進(jìn)行加工，制造圓形的人工缺陷來(lái)模擬熱障涂層的脫落情況。制造的人工缺陷有5處，直徑分別為?＝0.8 mm、?＝1.5 mm、?＝2.0 mm、?＝3.0mm、?＝4.0mm的圓形缺陷。渦輪葉片實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 渦輪葉片實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 紅外圖像獲取

溫度較高時(shí)，通過(guò)紅外熱像儀采集到的紅外圖像序列如圖4所示。從采集到的序列圖像可以看出，最初溫度較高時(shí)由于紅外輻射強(qiáng)度較大，無(wú)法分辨出其中的缺陷。而在葉片溫度下降的過(guò)程中，由于金屬的熱導(dǎo)率比非金屬的熱導(dǎo)率高，熱障涂層本身是絕熱的陶瓷材料，所以熱障涂層脫落部分與空氣的熱交換要比熱障涂層脫落部分要快，在同一時(shí)刻，熱障涂層脫落部分的溫度會(huì)相對(duì)偏低，所以在紅外圖像中熱障涂層損傷部分的亮度與完好部分的亮度差異會(huì)加大。從紅外圖像序列可以看出，直徑?＝4.0mm的圓形缺陷最先突顯出來(lái)，隨著溫度的下降，直徑?＝2.0mm、?＝3.0mm的圓形缺陷也逐漸顯露出來(lái)，最后葉片輻射溫度達(dá)到47.0℃時(shí)，缺陷的辨識(shí)度最高。

圖4 渦輪葉片紅外圖像

而隨著熱交換的進(jìn)行，渦輪葉片整體溫度下降，渦輪葉片的溫度更接近室溫，使葉片有缺陷部分與無(wú)缺陷部分整體的灰度值下降，這時(shí)所采集到的紅外圖像序列如圖5所示。

圖5 渦輪葉片紅外圖像灰度分布圖

可以看出的是在使用熱圖像法檢測(cè)渦輪葉片涂層脫落時(shí)，紅外圖像序列中涂層脫落部分的灰度值與未脫落部分的灰度值的差異是一個(gè)先增加后減小的過(guò)程。缺陷的最佳辨識(shí)時(shí)間是紅外熱波檢測(cè)的中間時(shí)段。在采集到的紅外圖像序列中，葉片溫度為47℃時(shí)，直徑?＝2.0 mm、?＝3.0 mm、?＝4.0 mm的3個(gè)圓形缺陷基本可以辨識(shí)清楚，?＝1.5 mm的缺陷相對(duì)來(lái)說(shuō)比較模糊，而?＝0.8 mm的缺陷基本無(wú)法辨識(shí)。熱圖像法直接生成的紅外圖像并不利于對(duì)于缺陷的辨識(shí)，對(duì)于直徑較小的缺陷辨識(shí)度不高，需要通過(guò)圖像處理手段增強(qiáng)缺陷的辨識(shí)度。

3.2 紅外圖像中缺陷辨識(shí)度增強(qiáng)

缺陷識(shí)別度增強(qiáng)選取的原始圖像為紅外圖像序列中最為清晰的葉片溫度在47℃的紅外圖像。其中脫落部分與完好部分的平均灰度差由15～60逐漸增加。

3.2.1 偽彩色圖像變換

偽彩色圖像增強(qiáng)技術(shù)利用人眼對(duì)于彩色圖像的高分辨能力，將灰度圖像按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為彩色圖像，從而提高對(duì)于圖像細(xì)節(jié)的識(shí)別能力。采用彩虹碼2對(duì)渦輪葉片原始紅外圖像進(jìn)行偽彩色編碼。編碼曲線(xiàn)如圖6所示，偽彩色增強(qiáng)效果如圖7所示。從顯示效果來(lái)看，彩虹碼增強(qiáng)了對(duì)于缺陷的識(shí)別能力，變換后所有尺寸的缺陷都清晰可見(jiàn)。

圖6 渦輪葉片紅外圖像灰度分布

圖7 彩虹碼偽彩色增強(qiáng)

3.2.2 邊緣檢測(cè)

對(duì)于渦輪葉片檢測(cè)所得的紅外圖像，其中的涂層脫落部分灰度值與未脫落部分灰度值有明顯的差異，利用邊緣檢測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)涂層脫落部分灰度值與未脫落部分中間的灰度突變，以達(dá)到增加缺陷識(shí)別度的效果。

Canny算法是Canny于1986年開(kāi)發(fā)出來(lái)的多級(jí)邊緣檢測(cè)算子，具有檢測(cè)精度高、邊緣封閉性、抗噪聲能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是性能優(yōu)異的檢測(cè)算法。Canny算法好包含許多可以調(diào)整的參數(shù)，包括高斯系數(shù)σ以及高低閾值THh、THl。較小的高斯系數(shù)σ產(chǎn)生的模糊效果也較少，這樣就可以檢測(cè)較小、變化明顯的細(xì)線(xiàn)。較大的高斯系數(shù)σ產(chǎn)生的模糊效果也較多，這樣對(duì)于檢測(cè)較大、平滑的邊緣更加有效。此外閾值對(duì)于檢測(cè)結(jié)果影響同樣顯著。Canny算法使用2個(gè)閾值，對(duì)于渦輪葉片涂層脫落缺陷的檢測(cè)，高閾值確定圖像檢測(cè)的主要邊緣，低閾值進(jìn)行補(bǔ)充，所以高閾值對(duì)于缺陷檢測(cè)的影響較大，低閾值則影響較小。圖8為高斯系數(shù)σ＝1.0、THh＝0.06、THl＝0.01的檢測(cè)效果?？梢钥闯鲈诤线m的選取Canny算法參數(shù)的情況下，使用Canny算法可以有效的檢測(cè)出渦輪葉片紅外圖像中的缺陷邊緣。

圖8 Canny算子檢測(cè)效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用紅外熱波檢測(cè)方法對(duì)渦輪葉片熱障涂層脫落進(jìn)行檢測(cè)。首先對(duì)葉片進(jìn)行加熱，通過(guò)紅外熱像儀獲取葉片的紅外圖像序列，使用偽彩色圖像增強(qiáng)以及邊緣檢測(cè)技術(shù)增加對(duì)于缺陷的識(shí)別度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本檢測(cè)方法最小可以分辨?＝0.8 mm的熱障涂層脫落，基本可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中的檢測(cè)需求。同時(shí)紅外熱波檢測(cè)手段具有檢測(cè)速度快，準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于渦輪葉片熱障涂層損傷的自動(dòng)檢測(cè)發(fā)展具有十分重要的意義。

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App lications of the infrared thermal wave technology in thermal barrier coating testing

FENG Chi，HUA Xiang
College of Information and Communications Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A gas turbine blade is alwaysworking in a high temperature，high pressure and high speed rotating envi-ronment.The thermal barrier coating of the turbine blade is easy to be broken.If thermal barrier coating falls off，it will have a great influence on the service life of the turbine blade.The infrared thermal inspection technology is dif-ferent from the traditional infrared inspectionmethods.Itactively controls and drives the heat source to heat the tur-bine blade.Then the infrared image with thermal barrier fell off can be got by infrared thermal imager.And in the mean time the pseudo-colorenhancement technology and edge detection technology are used to enhance the capabil-ities of distinguishing thermal barrier coating defect in the infrared image.The experimental results show that this technology can fastly and accurately ascertain the size and location where the thermal barrier coating falls off.

infrared thermalwave；non-destructive testing；turbine blade；thermal barrier coating；pseudo-color en-hancement；Canny operator

TM461

：A

：1009-671X（2015）01-015-04

10.3969／j.issn.1009-671X.2013120007

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150118.1255.001.htm l

2013-12-17.

日期：2015-01-18.

馮馳（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師；滑翔（1989-），男，碩士研究生.

馮馳，E-mail：fengchi＠hrbeu.edu.cn.