袁雅妮， 蘇清風(fēng)， 習(xí)小文， 江海軍， 魏益兵， 宋揚(yáng)民

（1. 中國(guó)南方航空工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；2. 南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210046）

0 引言

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展、國(guó)家航空工業(yè)的發(fā)展?jié)摿驼w科技水平的提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也在不斷提高。封嚴(yán)涂層技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，涂層在服役過(guò)程中面臨高溫、高速氣流沖擊和葉片刮削的綜合作用，封嚴(yán)涂層結(jié)合質(zhì)量直接關(guān)系到航空器的性能與安全[1-4]。封嚴(yán)涂層主要用于增強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)與固定部件之間的密封性，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，封嚴(yán)涂層一般使用溫度為300～1200 ℃，隨著新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)封嚴(yán)涂層的磨耗性、抗沖蝕性能、結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性能、高溫抗氧化性能提出了更高的要求[5]。

封嚴(yán)涂層使用熱噴涂技術(shù)在壓氣機(jī)或渦輪機(jī)機(jī)匣表面噴涂抗氧化、耐高溫、抗氣流、耐腐蝕的涂層，在工作過(guò)程中需要有足夠的強(qiáng)度抵御外部氣體或者顆粒的沖蝕、氧化、高溫灼燒，同時(shí)可形成徑向氣流間隙，獲得最大的壓差，減少氣體泄漏，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。封嚴(yán)涂層主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪等部分[6-7]。其實(shí)際工作環(huán)境非常惡劣，不僅需要承受轉(zhuǎn)子葉片高速刮削，還要承受高溫、高速氣流沖蝕，有可能對(duì)封嚴(yán)涂層表面致密性發(fā)生改變，從硬變軟，導(dǎo)致涂層的性能發(fā)生變化甚至是脫粘[8]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中新一代導(dǎo)葉支座的封嚴(yán)涂層采用聚苯脂/鋁硅（METCO 601NS）制成，涂層厚度約為1 mm，但是目前仍沒(méi)有有效的無(wú)損檢測(cè)方法。國(guó)內(nèi)主要采用外觀檢查及試樣解剖采樣金相等方法來(lái)檢測(cè)涂層質(zhì)量。張佳平等[9]采用金相顯微鏡對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層進(jìn)行了檢測(cè)，采用50/100倍放大倍數(shù)可以有效觀察封嚴(yán)面組織均勻性及結(jié)合情況。目前，僅靠外觀檢查無(wú)法保證表面無(wú)脫落、凹陷、裂紋、龜裂紋等缺陷，同時(shí)也無(wú)法對(duì)涂層結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行有效檢測(cè)。由于封嚴(yán)涂層對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要，本研究采用脈沖紅外熱成像技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層的結(jié)合質(zhì)量開(kāi)展研究，該方法可對(duì)涂層結(jié)合面質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，與傳統(tǒng)剖切驗(yàn)證方法相比可實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)涂層的全批次質(zhì)量監(jiān)控。

紅外熱波成像技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它是一門(mén)跨學(xué)科、跨應(yīng)用領(lǐng)域的通用型實(shí)用技術(shù)。紅外熱波成像技術(shù)的研究和應(yīng)用對(duì)各行各業(yè)，特別是高端領(lǐng)域具有重要意義，如航天航空、國(guó)防軍工、新材料特別是復(fù)合材料、清潔能源、軌道交通等。檢測(cè)缺陷的類型包括孔隙、裂紋、分層、脫粘、銹蝕、厚度非均勻性等[10-12]。目前，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)家已把紅外熱波成像技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量的檢測(cè)、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測(cè)[13-14]。國(guó)內(nèi)，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，紅外熱波成像技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和豐碩的成果，為該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[15-17]。紅外熱波成像技術(shù)對(duì)于不同的檢測(cè)試件、檢測(cè)環(huán)境、檢測(cè)條件，需要針對(duì)性的設(shè)計(jì)不同的熱激勵(lì)源，目前主要采用的脈沖激勵(lì)、鹵素?zé)艏?lì)、超聲激勵(lì)、電磁激勵(lì)、THz波等熱激勵(lì)方法[18-19]。

1 基本原理

1.1 脈沖紅外熱成像原理

脈沖紅外熱成像技術(shù)屬于紅外熱波成像技術(shù)的一種類型，主要是采用脈沖激勵(lì)對(duì)試件表面進(jìn)行熱激勵(lì)，打破試件表面原有的熱平衡，利用紅外熱像儀將試件表面不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成人眼可分辨的可見(jiàn)熱圖像[20]。脈沖紅外熱成像技術(shù)具有單次檢測(cè)面積大、非接觸、非破壞、檢測(cè)速度快，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬、非金屬、復(fù)合材料等試件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)采用閃光燈脈沖熱激勵(lì)源，配合高幀頻紅外熱像儀，能夠有效控制熱激勵(lì)和采集之間的同步，從而檢測(cè)出封嚴(yán)涂層中的缺陷信息。

脈沖紅外熱成像技術(shù)對(duì)試件表面進(jìn)行熱激勵(lì)，熱激勵(lì)結(jié)束后熱波(變化的溫度場(chǎng))開(kāi)始向試件內(nèi)部傳播，缺陷在熱波傳播過(guò)程中會(huì)形成“熱阻”[10,21]。當(dāng)缺陷導(dǎo)熱率大于試件本身的導(dǎo)熱率時(shí)，為導(dǎo)熱性缺陷；當(dāng)缺陷導(dǎo)熱率小于試件本身的導(dǎo)熱率時(shí)，為隔熱性缺陷。導(dǎo)熱性缺陷會(huì)加速熱波的傳播，表現(xiàn)為缺陷區(qū)域溫度比非缺陷區(qū)域溫度低；隔熱性缺陷會(huì)阻礙熱波的傳播，表現(xiàn)為缺陷區(qū)域溫度比非缺陷區(qū)域溫度高。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，一般以隔熱性缺陷為主。脈沖紅外熱成像技術(shù)使用最廣的熱激勵(lì)方式是閃光燈激勵(lì)，采用高能量閃光燈在試件表面形成一個(gè)短脈沖、大面積的熱激勵(lì)，在閃光燈激勵(lì)結(jié)束后通過(guò)紅外熱像儀采集試件表面的紅外序列圖像，通過(guò)對(duì)試件表面采集到的紅外序列圖像檢測(cè)出試件內(nèi)部的缺陷信息。該技術(shù)應(yīng)用了閃光燈、紅外熱成像、信號(hào)檢測(cè)、圖像分析等多領(lǐng)域的技術(shù)[22-23]。

脈沖紅外熱成像系統(tǒng)一般包括3部分：閃光燈激勵(lì)系統(tǒng)、紅外熱成像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)。圖1為脈沖紅外熱成像系統(tǒng)示意圖。

脈沖紅外熱成像采集過(guò)程如圖2所示，在閃光燈激勵(lì)前先采集試件表面溫度信息，主要用于圖像處理過(guò)程中減去背景干擾，僅計(jì)算閃光燈激勵(lì)后溫升部分，與基礎(chǔ)溫度無(wú)關(guān)。閃光燈激勵(lì)結(jié)束后需要通過(guò)同步觸發(fā)器觸發(fā)紅外熱像儀采集圖像，確保閃光燈熱激勵(lì)與紅外圖像采集之間的同步，兩者之間的同步非常關(guān)鍵，將有利于圖像重建與求圖像導(dǎo)數(shù)。紅外序列圖像采集過(guò)程中不能移動(dòng)與遮擋試件與紅外熱像儀，可根據(jù)試件的導(dǎo)熱率和缺陷信息采集不同的幀數(shù)。

圖1 脈沖紅檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed infrared thermography testing system

圖2 閃光燈激勵(lì)紅外檢測(cè)采集過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of acquisition process of flash excitation infrared thermography

2 脈沖紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

脈沖紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)模塊圖如圖3所示，主要分為熱像儀系統(tǒng)、閃光燈系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱像儀系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)紅外圖像采集，可對(duì)熱像儀積分時(shí)間、采集幀頻等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；閃光燈系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)試件表面熱激勵(lì)，可對(duì)閃光燈截尾時(shí)間、能量控制、回沖控制等進(jìn)行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外序列圖像采集，可對(duì)紅外熱像儀系統(tǒng)和閃光燈系統(tǒng)進(jìn)行同步觸發(fā)與通信。

脈沖紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示，閃光燈最大能量為6 kJ，可無(wú)極調(diào)節(jié)，紅外熱像儀為非制冷熱像儀，其工作波段為7～14 μm、分辨率為 384×288 pixel，采集幀頻為 100 Hz，系統(tǒng)配置12 mm焦距紅外鏡頭，單次檢測(cè)面積為300 mm×225 mm。系統(tǒng)采用一體便攜設(shè)計(jì)，集閃光燈熱激勵(lì)、紅外圖像采集、紅外圖像處理，具有輕便、簡(jiǎn)單易用、操作方便。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 圓環(huán)型零件封嚴(yán)涂層

采用圓環(huán)型不銹鋼作為基板，制作導(dǎo)葉支座封嚴(yán)涂層，如圖5所示。支座直徑為100 mm，封嚴(yán)涂層外壁直徑為77 mm，內(nèi)壁直徑為74 mm，封嚴(yán)涂層厚度為1 mm。該試件制作2個(gè)模擬涂層與基底分離的缺陷，為隔熱性缺陷，標(biāo)記為缺陷 1、缺陷 2，面積分別約為 220、240 mm2（圖5 中紅色方框處）。封嚴(yán)涂層采用的是聚苯脂/鋁硅（METCO 601NS）。封嚴(yán)涂層由于處于圓環(huán)內(nèi)壁，紅外熱像儀無(wú)法直視檢測(cè)，因而無(wú)法一次性檢測(cè)完成，實(shí)驗(yàn)中采用斜視方式，圓環(huán)形零件從平放方式傾斜45°放置，紅外熱像儀一次可大致觀察圓環(huán)型1/4有效范圍，分4次完成對(duì)導(dǎo)葉支座封嚴(yán)涂層檢測(cè)。

圖3 脈沖紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)模塊圖Fig.3 Module diagram of pulsed infrared thermography detection system

圖4 脈沖紅外熱成像檢測(cè)設(shè)備Fig.4 Pulsed infrared thermography detection equipment

圖5 導(dǎo)葉支架封嚴(yán)涂層試件Fig.5 Sealing coating test piece of guide vane bracket

實(shí)驗(yàn)采用閃光燈功率設(shè)置100%，采集時(shí)間為10 s，采集頻率為 100 Hz。由于封嚴(yán)涂層比較薄，基底材料為不銹鋼，熱激勵(lì)后有效信號(hào)會(huì)很快消失，因而需要系統(tǒng)能快速有效地采集熱激勵(lì)后紅外圖像。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配閃光與熱像儀采集之間同步，自動(dòng)采集從閃光瞬間到熱激勵(lì)結(jié)束后10 s的所有紅外圖像序列。

實(shí)驗(yàn)采集1000幀紅外圖像序列，從中選取第1、8、19、47、365、970幀數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為 0.010、0.080、0.019、0.470、3.650、9.700 s。由于圓環(huán)基底為不銹鋼存在反光現(xiàn)象，圓環(huán)型封嚴(yán)涂層試件導(dǎo)熱快，同時(shí)系統(tǒng)采用默認(rèn)AGC顯示方式，14位(最大值16 383)紅外圖像采用當(dāng)前幀最大值、最小值線性映射到8位(最大值255)，整個(gè)紅外序列圖像原始圖像都偏暗，后期時(shí)刻圖像整體亮度甚至比前期時(shí)刻圖像亮度偏亮，因而原始紅外圖像中很難看到缺陷信息。為此，對(duì)原圖像進(jìn)行處理，采用1階導(dǎo)(1-D)圖像可以明顯看到圖像缺陷信息。2個(gè)缺陷的檢測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示，由圖可見(jiàn)：在0.080 s時(shí)，缺陷信息開(kāi)始顯現(xiàn)，紅外圖像缺陷信息逐漸變清晰；從0.470 s開(kāi)始，紅外圖像逐漸變模糊。閃光燈閃光瞬間開(kāi)始采集圖像，由于封嚴(yán)涂層比較薄，熱波信號(hào)(變化的溫度場(chǎng))從封嚴(yán)涂層表面?zhèn)鞑サ饺毕萏幩俾瘦^快，遇到缺陷熱波信號(hào)從缺陷區(qū)域反射到封嚴(yán)涂層表面，此時(shí)圖像缺陷信息開(kāi)始顯現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于大約0.080 s的圖像，隨著時(shí)間的推移，熱波信號(hào)逐漸開(kāi)始三維熱擴(kuò)散，在紅外圖像上表現(xiàn)為圖像逐漸模糊，直到熱波信號(hào)消失。

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了更直觀地對(duì)比上述分析結(jié)果，取缺陷1紅外圖像序列中的A（缺陷）、B（無(wú)缺陷）位置的溫度時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比。由于共采集1000幀圖像，每一個(gè)像素點(diǎn)在采集時(shí)間內(nèi)共有1000個(gè)像素值，這1000個(gè)像素值就構(gòu)成了溫度時(shí)間曲線，如圖8所示，采用線性坐標(biāo)與雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)方式進(jìn)行表示。從閃光燈開(kāi)始激勵(lì)（熱激勵(lì)時(shí)間3 ms）時(shí)刻開(kāi)始，熱波信號(hào)便開(kāi)始下降，由于熱波信號(hào)還沒(méi)有傳播到缺陷深處，最初的幾幀時(shí)刻，A、B點(diǎn)熱波信號(hào)基本一致，此時(shí)熱波信號(hào)還沒(méi)有發(fā)生分離，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線更能反映A、B點(diǎn)分離時(shí)刻，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中時(shí)間為-2.55ln(s)，線性坐標(biāo)中時(shí)間為0.080 s即第8幀開(kāi)始發(fā)生分離，A、B點(diǎn)曲線開(kāi)始逐漸拉大差別。隨著時(shí)間的推移，三維熱擴(kuò)散，缺陷、非缺陷區(qū)域溫度開(kāi)始逐漸平衡，到最后接近10 s缺陷區(qū)域和無(wú)缺陷區(qū)域溫度趨于一致，A、B點(diǎn)的曲線基本平行相交。

圖6 缺陷 1 紅外圖像序列Fig.6 Infrared image sequence of defect 1

圖7 缺陷 2 紅外圖像序列Fig.7 Infrared image sequence of defect 2

檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在0.5 s后圖像中的缺陷信息開(kāi)始逐漸模糊，因而如果需要提取缺陷信息，需要系統(tǒng)能夠捕捉更多0.5 s內(nèi)的信息，同時(shí)，原始圖像非常不清晰，不利于找到缺陷信息；相比而言，1階導(dǎo)圖像更清晰更有利于判斷封嚴(yán)涂層缺陷信息，采用系統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)算法可快速計(jì)算出缺陷面積。缺陷提取如圖9所示，具體信息見(jiàn)表1。

從表1可以看到：缺陷1的實(shí)際面積為220 mm2，檢測(cè)面積為212 mm2，誤差為-3.8%；缺陷2的實(shí)際面積為 240 mm2，而檢測(cè)面積為 245 mm2，誤差為+2.1%。從檢測(cè)結(jié)果的誤差分析，檢測(cè)面積的誤差控制在±5%以內(nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明了該技術(shù)的可靠性，基本能滿足檢測(cè)需求。

圖9 紅外圖像缺陷面積提取Fig.9 Defect area extraction of infrared image

表1 缺陷具體信息Table 1 Defect specific information

4 結(jié)論

1）采用脈沖激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)對(duì)封嚴(yán)涂層的缺陷進(jìn)行檢測(cè)研究，使用閃光燈激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，可以有效檢測(cè)出厚度為1 mm的封嚴(yán)涂層缺陷，且缺陷面積檢測(cè)誤差控制在±5%以內(nèi)。

2）相對(duì)于原始紅外圖像序列，通過(guò)數(shù)據(jù)重建技術(shù)后的1階導(dǎo)(1-D)圖像更有利于封嚴(yán)涂層缺陷信息的處理和缺陷判斷。