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）

劉戰(zhàn)偉

北京理工大學(xué)宇航學(xué)院教授、博導(dǎo)，長(zhǎng)期從事試驗(yàn)力學(xué)和無損檢測(cè)技術(shù)研究。2008年以居里學(xué)者身份赴英國(guó)TWI無損檢測(cè)部開展2年合作，發(fā)表SCI/EI 論文50余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利12項(xiàng)，獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是航空飛行器和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵核心部件[1-2]，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料是鎳基合金，其耐高溫度為1000℃，不能滿足工作需求。為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)展了熱障涂層（TBC）。涂覆TBC的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片能在1600℃高溫下運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)等許多領(lǐng)域[4-6]。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(jī)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（如多孔性、較薄的厚度）使傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法存在技術(shù)和檢測(cè)效率的局限。因此，發(fā)展TBC試件缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)具有重大意義。

傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法主要有滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲或超聲顯微檢測(cè)、聲發(fā)射技術(shù)等。滲透檢測(cè)技術(shù)通過將某些特制的液體滲透進(jìn)被測(cè)構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件表面裂紋的位置、大小和形狀進(jìn)行檢測(cè)[7]。渦流檢測(cè)技術(shù)以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，利用不同材料在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的不同振幅和相位實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[8-10]。超聲檢測(cè)和超聲顯微檢測(cè)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(shí)，構(gòu)件內(nèi)部缺陷會(huì)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[11-13]，但是由于TBC具有多空隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，超聲檢測(cè)或超聲顯微檢測(cè)不適合TBC的無損檢測(cè)。聲發(fā)射技術(shù)利用材料變形或產(chǎn)生裂紋時(shí)釋放的應(yīng)變能產(chǎn)生的應(yīng)力波來檢測(cè)出裂紋信息，是直接檢測(cè)裂紋的主要方法之一，但由于該技術(shù)需在加載過程中進(jìn)行，檢測(cè)的是動(dòng)態(tài)缺陷，而不是靜態(tài)缺陷，因而屬于被動(dòng)檢測(cè)方法[14-15]。滲透檢測(cè)技術(shù)會(huì)使液體等進(jìn)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(cè)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(zhǎng)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(duì)測(cè)試等效電路產(chǎn)生影響，帶來了結(jié)果的不確定性[16-17]。傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度低，準(zhǔn)確度不高，檢測(cè)速度慢且操作復(fù)雜，加之對(duì)檢測(cè)試件的限制條件，不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TBC試件的定量無損檢測(cè)。

為避免傳統(tǒng)無損檢測(cè)中傳感器接收信號(hào)這一接觸式測(cè)量方式，傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法結(jié)合了紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)TBC的高靈敏度、非接觸、全場(chǎng)快速的簡(jiǎn)便無損檢測(cè)技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)[18-20]作為一種新興的無損檢測(cè)手段，具有檢測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀、檢測(cè)速度快、非接觸以及使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。熱波成像法最早在1984年由英國(guó)國(guó)家無損檢測(cè)中心MILNE等[21]率先推出，1996年日本學(xué)者ITOH等[22]開始了使用熱波成像法研究TBC脫粘裂紋，2005年由NEWAZ等[23]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[24]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(dòng)式和被動(dòng)式[25]。被動(dòng)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(hào)獲得熱圖像的技術(shù)，主動(dòng)式是通過加載外部激勵(lì)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(cè)中的主動(dòng)式紅外熱成像無損檢測(cè)方法主要有光激勵(lì)熱成像法、渦流熱成像法和超聲熱成像法。

TBC檢測(cè)的光激勵(lì)熱成像法

根據(jù)光激勵(lì)信號(hào)的不同，將光激勵(lì)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(lì)光源的不同，又分為燈光激勵(lì)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(cè)中的應(yīng)用。

1 燈光激勵(lì)熱成像法

燈光激勵(lì)熱成像法是一種新型的脈沖紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)[26]，包括熱激勵(lì)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(lì)熱源對(duì)含有缺陷的試件表面進(jìn)行熱激勵(lì)，試件表面被加熱，熱流在試件內(nèi)部進(jìn)行熱傳導(dǎo)（采用一維熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行分析）。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(chǎng)，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(hào)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[27]在其博士論文中對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。采用長(zhǎng)為150mm、寬為104mm、厚為6mm的SiC涂層-高溫合金基體及SiC涂層-C/C基體作為試驗(yàn)材料，在試件上制造不同孔徑大小的盲孔缺陷，能夠檢測(cè)出直徑為1mm、深為2mm的盲孔缺陷。

燈光激勵(lì)熱成像法[28]具有操作簡(jiǎn)便，靈敏度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)TBC試件全場(chǎng)大范圍、非接觸的快速無損檢測(cè)。對(duì)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(cè)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(duì)表面裂紋缺陷和界面脫粘缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)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(diǎn)，選擇一定的脈沖寬度，優(yōu)化控制快速移動(dòng)的線激光作為熱源激勵(lì)。激光的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)度。由于激光光源的特殊性，利用激光作為光源的光激勵(lì)熱成像法適用于TBC的無損檢測(cè)。

2011年，BURROWS等[29]利用掃描點(diǎn)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(cè)出不銹鋼和純鋁構(gòu)件上的表面裂紋。同年，LI等[30]根據(jù)表面裂紋的熱阻礙現(xiàn)象，用靠近裂紋的激光點(diǎn)形成的點(diǎn)熱源檢測(cè)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(duì)金屬構(gòu)件上的疲勞裂紋進(jìn)行了檢測(cè)。

根據(jù)以上描述的點(diǎn)激光掃描熱成像法對(duì)金屬試件的檢測(cè)，2015年，石文雄等[32]將激光掃描熱成像法應(yīng)用于TBC試件，優(yōu)化設(shè)計(jì)TBC試件的多模式掃描熱成像無損檢測(cè)系統(tǒng)，激光掃描熱成像系統(tǒng)示意圖如圖1所示。對(duì)于表面裂紋缺陷檢測(cè)，控制直徑為微米量級(jí)的激光點(diǎn)快速移動(dòng)形成線狀熱源，將一個(gè)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(gè)方向移動(dòng)，利用裂紋與線熱源相交位置的溫度達(dá)到最大值這個(gè)特征來發(fā)展閾值分割累加后處理方法，根據(jù)3個(gè)方向得到的處理結(jié)果綜合對(duì)比，確定裂紋形狀和位置信息，能夠快速識(shí)別寬度約為60μm以上的裂紋缺陷。針對(duì)不能夠分析的疑似缺陷，進(jìn)行重新的點(diǎn)激光掃描檢測(cè)，計(jì)算全場(chǎng)溫度梯度場(chǎng)和溫度對(duì)數(shù)梯度場(chǎng)，進(jìn)行閾值分割，細(xì)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(shí)別出寬度為9.5μm以上的裂紋缺陷。

對(duì)于界面脫粘缺陷的檢測(cè)，用盲孔缺陷模擬脫粘缺陷。采用直徑為30mm、厚度為2.5mm、含有3個(gè)孔徑的TBC試件進(jìn)行試驗(yàn)，孔徑直徑分別為3mm、2mm和1mm，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0.4mm厚的氧化鋯涂層。當(dāng)掃描速度足夠快且做線狀移動(dòng)時(shí)，激光點(diǎn)可以作為線激光。當(dāng)該線激光以垂直于移動(dòng)方向掃描時(shí)，即構(gòu)成線激光激勵(lì)。該線狀熱源在含有盲孔缺陷的TBC試件表面全場(chǎng)大范圍快速掃描，成為粗掃描階段。對(duì)紅外熱像儀采集到的熱圖像，經(jīng)過構(gòu)造載波溫度場(chǎng)、三時(shí)刻加窗求振幅、自適應(yīng)變權(quán)重濾波等[33]后處理方法處理后，得到直徑在2mm以上的盲孔缺陷。對(duì)疑似缺陷的微區(qū)域，在小范圍進(jìn)行掃描作為細(xì)掃描階段，對(duì)微區(qū)域范圍的熱圖像采用脈沖熱成像，即在時(shí)間序列上進(jìn)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(shí)別出直徑在1mm以上的盲孔缺陷。

圖1 激光掃描熱成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of linear laser scanning thermography system

激光掃描熱成像法是一種全場(chǎng)范圍內(nèi)快速高效、高靈敏度的檢測(cè)方法，與其他方法相比，該方法更適用于表面裂紋缺陷檢測(cè)，能夠檢測(cè)出裂紋寬度約為10μm的缺陷；當(dāng)檢測(cè)界面脫粘缺陷時(shí)，通過粗掃階段和細(xì)掃階段的分階段掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)盲孔直徑為1mm的缺陷檢測(cè)。

TBC檢測(cè)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(cè)方法[33]，根據(jù)渦流激勵(lì)的時(shí)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(cè)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(huì)產(chǎn)生磁通量的改變，靠近待測(cè)試件時(shí)，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(huì)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(duì)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(yuǎn)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(shí)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(cè)效率高，靈敏度高，操作簡(jiǎn)便，成本低，全場(chǎng)范圍等優(yōu)點(diǎn)。按照感應(yīng)線圈與紅外相機(jī)的相對(duì)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(cè)，能夠檢測(cè)出長(zhǎng)度為0.4mm、深度為0.12mm量級(jí)的金屬裂紋缺陷。對(duì)于TBC試件，嘗試使用透射式渦流熱成像法進(jìn)行檢測(cè)，能夠檢測(cè)出直徑在1mm以下的TBC盲孔缺陷。然而采取反射式渦流熱成像法檢測(cè)TBC試件，還未能獲得較好的結(jié)果。

通過對(duì)比光激勵(lì)熱成像法和渦流熱成像法可以發(fā)現(xiàn)：光激勵(lì)熱成像法更適用于表面裂紋缺陷檢測(cè)，能夠達(dá)到裂紋寬度為10μm量級(jí)的檢測(cè)，對(duì)界面脫粘缺陷則需要粗掃描和細(xì)掃描兩次測(cè)量才能夠達(dá)到直徑為1mm盲孔缺陷檢測(cè)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(cè)，只需要一次短時(shí)間的檢測(cè)，便能夠達(dá)到1mm以下的缺陷檢測(cè)。然而，渦流熱成像對(duì)TBC裂紋缺陷的檢測(cè)，還需要進(jìn)一步研究。

TBC檢測(cè)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(cè)方法之一[34]，根據(jù)超聲激勵(lì)的時(shí)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(jī)械振動(dòng)，超聲波在缺陷處因熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)[35]導(dǎo)致聲能衰減而釋放熱量，機(jī)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(jìn)行熱波傳遞。對(duì)含有長(zhǎng)度為52mm裂紋的鋁板試件使用超聲熱成像法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示[34]。

2013年，南昌航空大學(xué)孫穎在碩士論文[36]《渦流葉片熱障涂層結(jié)構(gòu)狀態(tài)超聲檢測(cè)方法研究》中，對(duì)TBC厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量厚度達(dá)到0.1～0.15mm。

圖2 渦流熱成像試驗(yàn)原理Fig.2 Experimental principle of eddy current thermography

由于TBC材料的多孔性，超聲波在空隙中存在熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)，導(dǎo)致非缺陷處產(chǎn)生熱量，理論分析表明，超聲熱成像法并不適用于TBC材料的無損檢測(cè)。然而目前已有文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)TBC厚度的檢測(cè)，因此超聲熱成像法能否用于TBC的缺陷檢測(cè)仍需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 超聲熱成像法檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Detection results of ultrasonic thermography

熱圖像的后處理方法

對(duì)于采集到的原始熱圖像，由于環(huán)境或熱激勵(lì)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[37]溫度對(duì)比、時(shí)間導(dǎo)數(shù)、信號(hào)變換和矩陣分解等。

溫度對(duì)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(duì)比方式包括絕對(duì)對(duì)比、遞進(jìn)對(duì)比、歸一化對(duì)比、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比、差分絕對(duì)對(duì)比和改進(jìn)差分絕對(duì)對(duì)比[38]等。采用有缺陷的熱源激勵(lì)熱圖像減去正常的熱源激勵(lì)熱圖像，得到最終含有缺陷響應(yīng)的結(jié)果圖。

時(shí)間導(dǎo)數(shù)中的多項(xiàng)式擬合時(shí)間微分-相關(guān)系數(shù)法[27]是指對(duì)紅外熱圖序列處理，具體步驟為：首先對(duì)溫度隨時(shí)間的對(duì)數(shù)變換曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始溫度信號(hào)的重構(gòu)，然后對(duì)各像素點(diǎn)的重構(gòu)信號(hào)與參與信號(hào)之間的逼近程度進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)求得的相關(guān)系數(shù)對(duì)缺陷與正常區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。

信號(hào)變換中的代表方法為脈沖相位法，在時(shí)間序列上對(duì)熱圖像進(jìn)行傅里葉變換，即可得到振幅場(chǎng)和相位場(chǎng)，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[39]和Hough 變換[40]。

矩陣分解中的代表方法為主成分分析法[41-42]，主成分法是將采集到的原始熱圖像和采集時(shí)間共同構(gòu)造矩陣，通過構(gòu)造協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解，求得特征值，對(duì)特征值中占有重要部分的值進(jìn)行提取，得到增強(qiáng)信噪比的熱圖像。

結(jié)束語

本文介紹了TBC無損檢測(cè)中的傳統(tǒng)方法，如滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、超聲顯微檢測(cè)、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(duì)非接觸、全場(chǎng)范圍的快速主動(dòng)式紅外熱成像方法進(jìn)行了具體的介紹，包括光激勵(lì)熱成像法、渦流熱成像法和超聲熱成像法，通過文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)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(cè)方法靈敏度不高；光激勵(lì)中的激光掃描熱成像法對(duì)TBC表面裂紋缺陷有較好靈敏度，能夠識(shí)別裂紋寬度約為10μm的缺陷，渦流熱成像法對(duì)TBC界面脫粘及盲孔缺陷有較好靈敏度，能夠識(shí)別直徑為1mm以下的缺陷，而超聲熱成像法對(duì)TBC缺陷的檢測(cè)能力還需要進(jìn)一步研究。

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