激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層中的應(yīng)用

， ，，

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

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能不斷提高，其中起關(guān)鍵作用的就是涂層技術(shù)的應(yīng)用。涂層技術(shù)通常是指將有機(jī)、無(wú)機(jī)、混合涂層，通過(guò)刷涂、浸泡、噴涂的方式涂覆在材料表面，進(jìn)而改善材料表面性能的一門(mén)技術(shù)。涂層技術(shù)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起著防護(hù)的作用，不同種類(lèi)的涂層發(fā)揮著隔熱、防護(hù)、抗磨、抗沖擊、減震的作用，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作溫度，減少燃油消耗，降低與空氣的摩擦，延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行[1]。因此，涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

涂層厚度不均勻、黏接質(zhì)量、厚度超標(biāo)都將影響涂層的性能。在制作過(guò)程中，涂層和基體材料黏接不牢甚至脫黏；在使用過(guò)程中，涂層產(chǎn)生裂紋或者涂層與基體脫黏分離，都將嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，因此對(duì)涂層缺陷的檢測(cè)十分重要。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層缺陷的檢測(cè)技術(shù)主要有紅外熱波無(wú)損檢測(cè)、激光散斑技術(shù)、微波技術(shù)等。散斑技術(shù)的加載方式分為機(jī)械加載與熱源方式加載兩種，一般用于脫黏缺陷的檢測(cè)，不適合于涂層內(nèi)部細(xì)微裂紋的檢測(cè)[3-5]。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種數(shù)字化新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、非破壞、檢測(cè)面積大、檢測(cè)速度快、便于在線(xiàn)在役檢測(cè)、結(jié)果直觀(guān)易懂等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。

謝興盛等[6]采用紅外熱波技術(shù)，利用熱風(fēng)激勵(lì)方式對(duì)渦輪葉片上的熱障涂層損傷區(qū)進(jìn)行了檢測(cè)。馮馳等[7]采用紅外熱波技術(shù)，利用電磁爐加熱方式對(duì)渦輪葉片熱障涂層脫落區(qū)域進(jìn)行了檢測(cè)。劉穎韜[8]采用紅外熱波技術(shù)，利用閃光燈熱激勵(lì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層進(jìn)行了檢測(cè)研究，可以檢測(cè)出直徑為0.8 mm、深度為0.5 mm的盲孔缺陷，通過(guò)對(duì)涂層試片熱循環(huán)過(guò)程進(jìn)行跟蹤，可記錄缺陷產(chǎn)生、發(fā)展、脫落的演變過(guò)程，通過(guò)紅外熱波檢測(cè)結(jié)果識(shí)別出了通過(guò)表面觀(guān)察不到的微裂紋。唐慶菊等[9]采用閃光燈激勵(lì)紅外熱波檢測(cè)技術(shù)檢出了耐熱合金涂層結(jié)構(gòu)板材的內(nèi)部缺陷，為此類(lèi)缺陷的檢測(cè)提供了一定參考依據(jù)。

紅外熱波成像技術(shù)屬于主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)，與被動(dòng)紅外熱成像的區(qū)別在于其是主動(dòng)施加熱激勵(lì)。目前，國(guó)際上主流采用高功率閃光燈進(jìn)行熱激勵(lì)，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(jìn)行熱激勵(lì)。為此筆者采用激光掃描紅外熱波技術(shù)，利用線(xiàn)狀連續(xù)激光束在試件表面進(jìn)行掃描，形成高功率密度的脈沖熱激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)試件表面的熱激勵(lì)。

1 檢測(cè)基本原理

1.1 激光掃描熱波成像基本原理

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主動(dòng)采用熱激勵(lì)源對(duì)材料表面進(jìn)行加熱，形成的熱波向材料內(nèi)部進(jìn)行傳播，材料內(nèi)部的缺陷如裂紋、脫黏、損傷等會(huì)形成熱阻而影響熱波的傳播，從而引起材料表面溫度場(chǎng)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(cè)到材料內(nèi)部的缺陷信息。紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的必要條件是材料內(nèi)部的溫度梯度，而脈沖熱激勵(lì)則是產(chǎn)生這種溫度梯度的有效方法[10]。脈沖熱激勵(lì)主要包括閃光燈和激光。

近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展非常迅速，由于其功率高、價(jià)格低、體積小，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器功率可以達(dá)到很高，但半導(dǎo)體激光器的輸出一般是點(diǎn)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)的熱激勵(lì)源。為此筆者提出采用線(xiàn)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(huì)損傷材料表面。圖1所示的是激光掃描紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)示意，高功率激光器的光束經(jīng)透鏡整形，形成一均勻線(xiàn)型光斑照射在試件表面上，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過(guò)掃描控制裝置，根據(jù)試件的特性來(lái)調(diào)節(jié)振鏡和熱像儀的掃描時(shí)序關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

圖1 激光掃描紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)示意

1.2 熱波無(wú)損檢測(cè)理論基礎(chǔ)

激光掃描紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)采用激光掃描方式進(jìn)行熱激勵(lì)，系統(tǒng)通過(guò)“延遲校正”[11]后，類(lèi)似于激光對(duì)整個(gè)試件表面同時(shí)進(jìn)行熱激勵(lì)，試件表面熱傳導(dǎo)呈現(xiàn)一維分布。

由熱傳導(dǎo)理論中一維熱傳導(dǎo)方程得，無(wú)缺陷區(qū)域表面溫度變化函數(shù)和有限厚度d處表面溫度變化函數(shù)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(chǔ)熱量的比值;Q為熱激勵(lì)能量;ρ為材料密度;cv為材料比熱;a為材料熱擴(kuò)散率;t為熱激勵(lì)后降溫時(shí)間。

分別對(duì)式(1)，(2)取自然對(duì)數(shù)，得到

(3)

(4)

對(duì)式(3)，(4)中l(wèi)n(t)求導(dǎo)數(shù)得到

(5)

(6)

從而可以得到，無(wú)缺陷區(qū)域雙對(duì)數(shù)時(shí)間變化是一條與材料特征無(wú)關(guān)的斜率為-0.5的直線(xiàn)；缺陷區(qū)域曲線(xiàn)在某個(gè)時(shí)刻會(huì)發(fā)生偏離，并不是直線(xiàn)，圖2所示為重建信號(hào)雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)。從圖2中可看出，雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)與熱激勵(lì)能量無(wú)關(guān)，僅與缺陷熱導(dǎo)率、缺陷深度有關(guān)。

圖2 試件表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系(對(duì)數(shù)坐標(biāo))

2 檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 激光掃描熱波成像檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備(見(jiàn)圖3)的技術(shù)參數(shù)如表1所示，其主要由計(jì)算機(jī)、掃描控制單元、測(cè)試平臺(tái)等部分組成。測(cè)試平臺(tái)包括激光器及冷卻系統(tǒng)、掃描振鏡、熱像儀及光路系統(tǒng)等，其采用激光對(duì)試件表面進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于硬件控制、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、圖像分析與處理等。

圖3 激光掃描紅外熱波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備外觀(guān)

激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)在于激光掃描與采集之間的同步關(guān)系，確保激光一進(jìn)入到紅外熱像儀視場(chǎng)就開(kāi)始同步采集，對(duì)于后續(xù)圖像處理是非常有好處的。激光掃描的快慢根據(jù)試件導(dǎo)熱率決定，導(dǎo)熱率快的試件采用快的掃描速度，導(dǎo)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(tǒng)部分技術(shù)參數(shù)

2.2 缺陷檢測(cè)結(jié)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(hù)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(yīng)變能也會(huì)增加，從而導(dǎo)致界面裂紋擴(kuò)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(jìn)行了兩組試驗(yàn)。

2.2.1 試件1

在一塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為70 mm×30 mm×2 mm的不銹鋼板上(稱(chēng)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(shí)物外觀(guān)如圖4所示。在制作涂層時(shí)，試件表面僅噴涂了2/3區(qū)域。

圖4 涂層試件1外觀(guān)

圖5 試件1的熱波檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)時(shí)，熱波圖像的采集幀頻為50 Hz，采集時(shí)間為10 s，激光掃描時(shí)間為6 s，熱波成像的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5中可以明顯看到一個(gè)點(diǎn)狀缺陷和一塊狀缺陷。塊狀缺陷為人為制作而成，制作時(shí)對(duì)該區(qū)域的表面進(jìn)行了特別的處理，而亮點(diǎn)(點(diǎn)狀缺陷)則是噴涂過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔。其點(diǎn)狀缺陷水平方向長(zhǎng)度約為0.8 mm，塊狀缺陷水平方向長(zhǎng)度約為26.8 mm。右邊近1/3的黑色代表無(wú)涂層區(qū)，此處激光吸收小，溫升低。

為了驗(yàn)證上述檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)該涂層試件進(jìn)行了金相分析。當(dāng)涂層經(jīng)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(cè)結(jié)果，圖中可看到點(diǎn)狀影像部位無(wú)底層形貌，點(diǎn)狀長(zhǎng)度為0.75 mm，且該部位面層涂層與基體存在分離現(xiàn)象;塊狀影像部位整個(gè)截面層涂層與基體之間均未見(jiàn)底層形貌，且該部位面層涂層與基體之間存在不連續(xù)的分離現(xiàn)象，塊狀影像部位水平方向長(zhǎng)度約為26 mm。

圖6 試件1的金相檢測(cè)結(jié)果

圖7 試件1影像部位涂層與基體的結(jié)合情況

激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)采用激光掃描對(duì)試件進(jìn)行熱激勵(lì)，產(chǎn)生的熱波向試件內(nèi)部傳播，然后用紅外熱像儀采集試件表面熱波信號(hào)。熱波在試件內(nèi)部傳播時(shí)，由于三維熱擴(kuò)散作用，會(huì)逐漸發(fā)生衰減且擴(kuò)散，從而使得缺陷尺寸測(cè)量結(jié)果偏大，偏差誤差在2%～5%之間。所以，從金相檢測(cè)的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能對(duì)涂層缺陷進(jìn)行可靠檢測(cè)。

2.2.2 試件2

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)部件為一直徑約150 mm，寬度約30 mm的環(huán)形金屬件，基體為合金鋼，外表面的涂層厚度為1 mm。為了進(jìn)行對(duì)比，分別制作了含分層缺陷和無(wú)缺陷的兩個(gè)試件，外表看起來(lái)沒(méi)有任何區(qū)別，如圖8所示。

圖8 環(huán)形金屬試件的光學(xué)圖像

檢測(cè)時(shí)采集幀頻為50 Hz，采集時(shí)間為10 s，激光掃描時(shí)間為6 s，試件距離熱像儀約為500 mm，熱波檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 環(huán)形金屬試件熱波檢測(cè)結(jié)果

圖9(a)所示為含分層缺陷的涂層試件的檢測(cè)結(jié)果，測(cè)量得到圖9(a)所示缺陷水平方向的長(zhǎng)度約為24.6 mm，熱波圖像中可看到的一個(gè)紅色區(qū)域?yàn)槊擆^(qū)域，說(shuō)明此區(qū)域無(wú)缺陷涂層和基體材料結(jié)合差，熱阻抗大，熱波信號(hào)發(fā)生反射而反射回表面，使得該區(qū)域表面溫度較高，屬隔熱性缺陷。圖9(b)所示為無(wú)缺陷涂層試件的檢測(cè)結(jié)果，此時(shí)試件各點(diǎn)的熱波在涂層內(nèi)部正常傳播，表面溫度大體無(wú)差異。

為了確認(rèn)上述熱波檢測(cè)結(jié)論的正確性，對(duì)這兩個(gè)試件進(jìn)行了金相解剖以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)缺陷試件的涂層進(jìn)行打磨，可以看到一個(gè)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(zhǎng)度約23.7 mm的分離，無(wú)底層涂層。對(duì)缺陷試件的該分層區(qū)域進(jìn)行剖面形貌分析，可以清晰看到在涂層和基材結(jié)合部位有一個(gè)明顯的裂隙，如圖11(a)所示。同樣對(duì)無(wú)缺陷試件進(jìn)行了剖面形貌分析，如圖11(b)所示，其涂層和基材結(jié)合部位界面光滑，沒(méi)有任何裂隙存在。

圖10 缺陷試件的金相檢測(cè)結(jié)果

圖11 含缺陷涂層試件與無(wú)缺陷涂層試件的剖面形貌

3 結(jié)論

采用激光掃描進(jìn)行熱激勵(lì)，對(duì)多個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層試件進(jìn)行紅外熱波檢測(cè)，成功檢測(cè)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(shù)對(duì)涂層缺陷的檢測(cè)能力。最后，采用金相技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行了解剖分析，驗(yàn)證了激光掃描熱波無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果，表明該技術(shù)可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層缺陷進(jìn)行可靠地檢測(cè)。