渦輪葉片冷卻氣膜孔及涂層缺陷檢測技術研究進展*

夏凱龍，葛 超，王秋童，何 箐，

（1. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院表面工程技術研究所，北京 100083；2. 北京金輪坤天特種機械有限公司，北京 100083）

渦輪葉片是燃氣渦輪發(fā)動機服役工況最為惡劣的部件之一，需要承受高溫高壓燃氣及循環(huán)交變載荷和離心載荷作用。先進的氣冷結(jié)構、高溫結(jié)構材料和熱障涂層作為現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片制造的“三大關鍵技術”，是保障其在復雜環(huán)境下長壽命高、可靠性服役的有效手段和關鍵措施。近年來，由于渦輪前溫度不斷提升和在役高溫合金承溫能力不足，在開發(fā)新型高溫結(jié)構材料的同時，先進渦輪葉片通常采用氣膜冷卻結(jié)構和熱障涂層一體化的熱防護技術。為提高冷卻效率、降低基體服役溫度和提高渦輪葉片使用壽命，氣膜孔形狀逐步被設計成三維異型。隨著孔排布密度逐漸提高、孔徑尺寸不斷降低，其精密成形難度進一步增加。氣膜孔加工技術從電火花加工、電液束加工到激光加工不斷演變，各類減材加工方式均會產(chǎn)生不同程度的熱影響區(qū)，不僅破壞葉片結(jié)構的完整性，還會導致高溫結(jié)構材料缺陷和組織變化，孔邊裂紋和再結(jié)晶層的存在也會使單晶高溫合金渦輪葉片的服役壽命和可靠性受到影響。資料表明，裂紋擴展和合金開裂是渦輪葉片常見的失效形式之一。為提高加工質(zhì)量、有效控制熱損傷，國內(nèi)外對冷卻氣膜孔的復合加工工藝進行了一系列研究，如GE 公司開發(fā)的激光–電火花法、水助激光法等。

熱障涂層是現(xiàn)代燃氣輪機渦輪葉片熱防護一體化技術中不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)。然而，涂層涂覆過程中出現(xiàn)的縮孔和孔壁沉積涂層現(xiàn)象將導致氣膜孔的尺寸和形狀差異。即使預放大孔徑和涂層后擴孔等措施能在一定程度上削弱其對氣冷結(jié)構的作用，但涂層制備過程的一致性波動仍會對氣膜結(jié)構及其冷卻效率造成影響，甚至可能導致冷卻通道堵塞?；凇跋韧繉雍蟠蚩住惫に囁悸返娘w秒激光技術發(fā)展使得陶瓷–金屬復合體系中異質(zhì)材料的快速減材成為可能，能充分發(fā)揮氣冷結(jié)構的設計功效，但由于熱障涂層和高溫合金材料在導電性、熱膨脹系數(shù)、韌性等方面存在較大差異，面臨層間撕裂、孔壁裂紋和涂層燒結(jié)、開裂等問題以及渦輪葉片全壽命周期修復的挑戰(zhàn)。此外，邊緣效應的存在使得孔邊涂層的抗熱沖擊和熱循環(huán)性能降低，成為失效的薄弱環(huán)節(jié)。尋找一種快速準確的方式評定氣膜孔形態(tài)、尺寸等參量，批量有效地評估孔邊的合金損傷和涂層缺陷，是該領域技術和工程人員一直探索的方向，也是保障渦輪葉片服役可靠性和使役性能的必要技術手段。

傳統(tǒng)的氣膜孔參數(shù)獲取多依靠破壞式檢測和人工判斷，無法保證結(jié)果的準確性和重復性。如采用不同尺寸塞規(guī)逼近的方法確定孔徑，會受到孔徑圓度差及孔壁粗糙度高的影響，存在較大的測量誤差；微小探針法通常需要多點接觸測量后經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換獲取尺寸參數(shù)，易造成誤差積累；水、氣流量法只能整體表征，不能得到單孔信息；氣膜覆蓋率表征法只能定性分析冷卻效果，無法對氣冷結(jié)構的加工質(zhì)量做出評估。無損檢測技術已成為評價氣膜孔是否符合加工精度和質(zhì)控要求的關鍵手段，隨著機器視覺及圖像處理技術的發(fā)展，研究人員通過建立葉片坐標系、搭建基于CCD 的圖像采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了氣膜孔形位參數(shù)的高精度測量。同時，聲發(fā)射、光致光譜、太赫茲時域光譜和紅外熱成像技術等被廣泛用于葉片熱障涂層的缺陷表征，其中主動式紅外熱成像技術在葉片類薄壁零件的損傷評價方面具有優(yōu)勢，當前研究主要集中于涂層的界面開裂、密度差異、脫粘、風道堵塞和氣膜孔邊缺陷及涂層裂紋檢測等方面。歐美等國已將該技術應用于熱生長氧化物（TGO）檢測、葉片疲勞程度評估及其服役過程的在線監(jiān)測等。近年來，又逐步發(fā)展了基于渦流、熱氣流等不同激勵方式的紅外熱成像技術用于葉片加強結(jié)構、合金鑄造缺陷、涂層厚度及其損傷、氣膜孔孔徑等方面的檢測，相關技術已投入到燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。

本文基于高性能燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片氣膜冷卻結(jié)構和熱障涂層熱防護一體化設計和制造的發(fā)展趨勢，指出了傳統(tǒng)減材加工方式用于氣冷結(jié)構精密成形所面臨的挑戰(zhàn)，以及對冷卻氣膜孔進行高效高精度參數(shù)測量和缺陷評估的必要性，介紹了當前用于葉片類薄壁零件及涂層結(jié)構的無損檢測技術和基于建模仿真及算法優(yōu)化提高定量檢測效果的應用實例，分析了不同形式的激勵能量與材料微觀組織結(jié)構的作用機理，闡述了主動式紅外熱成像技術在渦輪葉片質(zhì)量評價方面的研究進展，對提升渦輪葉片的使役性能、降低其全壽命周期的修復成本具有重要意義。

1 氣冷結(jié)構及其制備工藝的發(fā)展

1.1 常見氣冷結(jié)構

擾流冷卻是將不同形式的湍流發(fā)生器澆筑在葉片內(nèi)壁，通過擴展表面積和增強流體擾動的方式強化對流換熱[1]。沖擊冷卻是將高動量的冷卻工質(zhì)通過小孔或狹縫噴射到高溫部件表面進行局部冷卻[2]。氣膜冷卻是指在渦輪葉片前緣、葉身型面及緣板等部位設計大量連通葉表與內(nèi)部空腔的小孔，冷卻氣體經(jīng)過內(nèi)部流道在部件表面形成氣膜，達到隔離高溫燃氣保護部件的目的，其原理如圖1（a）所示[3]。發(fā)散冷卻以多孔材料為載體，高壓冷卻工質(zhì)通過壁面的致密小孔和細微流道滲出與結(jié)構材料充分換熱，但其毛細孔結(jié)構易發(fā)生堵塞引起表面破壞，進而降低葉片的機械強度并增大邊界層的流動損失，無法滿足耐久性要求。層板冷卻是在相互疊合的層板間布置不同形式的擾流結(jié)構，具有沖擊冷卻和全氣膜冷卻的特點，可以起到增強局部傳熱、節(jié)省冷氣消耗、消除冷卻死角、使端壁表面溫度分布更加均勻的作用，如圖1（b）和（c）所示[4]。

圖1 氣膜冷卻及層板冷卻形式Fig.1 Film cooling and laminated plate cooling

近年來，國內(nèi)外研究人員不斷探索新型冷卻方式，如沖擊發(fā)散冷卻、層板冷卻和氣霧冷卻等，旨在降低氣冷結(jié)構對葉片強度和氣流流動的影響，并通過改型優(yōu)化減小復合冷卻結(jié)構間的相互作用，氣冷過程中的通氣工藝得到完善，冷卻工質(zhì)流量及附加損失不斷減少。綜合考慮應用價值和技術成本等因素，通過結(jié)構改型得以不斷提升冷卻效率的氣膜冷卻結(jié)構具有較為明顯的優(yōu)勢，至今仍對燃氣渦輪發(fā)動機渦輪前溫度的提升起著至關重要的作用。

1.2 氣膜孔加工面臨的挑戰(zhàn)

研究表明，氣膜冷卻效率是材料、孔幾何參數(shù)及其耦合作用在高溫高壓三維非定常流場下的響應，關鍵影響因素是氣膜孔的設計與布局[3]。為實現(xiàn)更優(yōu)的氣動外形，氣膜孔形狀從直邊簸箕斗型發(fā)展為曲線過渡的復雜異型，冷卻效率大幅躍升[5]。同時，渦輪葉片通常采用鎳基單晶高溫合金直接鑄造成型，機加工性能較差，加之氣膜孔直徑小、數(shù)量大、加工角度復雜，因此國內(nèi)外主要通過電火花加工、電液束加工和飛秒激光加工等特種工藝及其復合形式實現(xiàn)氣膜孔的加工[6]。

盡管上述方法在工程實際中得到了廣泛應用，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。如圖2所示[7–9]，電火花加工熱效應明顯、不能加工陶瓷層[10]，且電蝕產(chǎn)物會對已加工側(cè)面“二次放電”形成錐孔，錐度補償過程易造成葉片背壁損傷（圖2（a））。電液束加工效率較低、尺寸精度重復性差，開孔形狀難以控制（圖2（b）和（c）），且存在雜散腐蝕現(xiàn)象。飛秒激光極高的峰值功率足以使任何材料發(fā)生電離，以等離子體形式向外噴發(fā)去除[11]，具有無材料選擇性、閾值效應明顯的特點，理論上能解決高溫合金和熱障涂層材料差異性導致的層間撕裂、表面脫落和孔壁裂紋等問題[12]，但在實際工況中并不能實現(xiàn)真正意義上的“冷加工”。Foehl[13]和趙華龍[14]等發(fā)現(xiàn)單純將脈寬降低到飛秒級別，仍難以防止重鑄層、微裂紋等缺陷的形成。對于加工過程中孔壁上出現(xiàn)的棱狀加工痕跡，劉新靈等[15]認為原因在于定向凝固和單晶高溫合金是各向異性的，飛秒激光與材料之間的損傷機理不同于各向同性等軸晶材料。張學謙等[7]在試驗中發(fā)現(xiàn)孔口邊緣發(fā)黑現(xiàn)象（圖2（d）），雖然可以通過調(diào)整激光的脈寬和重頻等參數(shù)得到解決，但隨著加工次數(shù)的增加，會逐步覆蓋整個入口邊緣部位，造成安全隱患。

圖2 飛秒激光制孔的缺陷形式Fig.2 Defect forms of femtosecond laser drilling

為此，國內(nèi)外學者將復合形式用于渦輪葉片冷卻氣膜孔的精密加工，取得了顯著的效果。不同脈寬激光的復合可以解決單一脈沖對帶涂層葉片造成損傷及打孔質(zhì)量不佳的問題，一定程度上提高了材料去除率[16–18]。各類電加工工藝的集成亦可以有效提高加工效率和表面質(zhì)量[19–21]。超聲輔助激光能進一步增加加工孔的深徑比[22–23]。水助激光不僅克服了傳統(tǒng)激光加工的深度受限問題，還能充分控制熱影響，實現(xiàn)小應力、高精度加工[24–26]。

1.3 對氣膜孔精密測量的必要性

冷卻氣膜孔的設計加工和質(zhì)量控制對于保證渦輪葉片的性能和結(jié)構可靠性具有重要意義。當前，孔口擴展的復雜異形孔可以實現(xiàn)氣膜的大范圍貼附，能較好地兼顧結(jié)構強度和冷卻溫控之間的矛盾，帶來相較于高密度直圓孔更優(yōu)的冷卻效果。然而葉片鑄造過程的復雜性會使葉身型面存在一定的尺寸偏差，無法精準確定氣膜孔的位置和角度，打孔過程中極易損傷基體內(nèi)壁或造成相鄰孔的內(nèi)腔交叉，直接影響氣膜覆蓋面積和氣冷效率。同時，微裂紋等缺陷不僅會降低葉片結(jié)構強度、減少其疲勞壽命，還會在服役過程中進一步擴展為宏觀可見的裂紋，導致葉片及氣膜孔邊緣等應力集中區(qū)域涂層結(jié)構的失效。作為燃氣渦輪發(fā)動機的關鍵部件，渦輪葉片結(jié)構復雜、鑄造技術精密、制造周期長、零件合格率低，采用更換新件的方法進行維修成本過高。若對氣膜孔不符合質(zhì)控要求或孔邊涂層缺陷過大的葉片進行返廠維修后二次使用，可以縮短生產(chǎn)周期和降低制造成本，技術附加值極大。

綜上，迫切需要對服役和送修前的渦輪葉片冷卻氣膜孔進行參數(shù)測量，確定其尺寸、形狀、公差、位置度和孔表面粗糙度是否滿足設計要求。同時借助紅外熱成像等無損手段對孔邊合金及其涂層結(jié)構進行質(zhì)量評價，評估其重鑄層厚度是否符合標準規(guī)定、是否產(chǎn)生了顯微組織裂紋并在服役過程中進一步擴展，為氣冷結(jié)構的設計改進、渦輪系統(tǒng)的壽命預測和維修工藝的制定落實提供重要依據(jù)。

2 冷卻氣膜孔的測量手段

氣膜孔的加工質(zhì)量與渦輪葉片的安全可靠性直接相關，工程上一般以氣膜孔尺寸、位置和縮孔率，以及冷卻效果和孔邊涂層缺陷等信息為質(zhì)量評價標準。然而國內(nèi)通常只進行通透性評估，且無普適且成熟的測量手段，因此迫切需要確定精確有效的基于氣膜孔的參數(shù)測量和質(zhì)量評價方法，建立相應的系統(tǒng)和平臺。

2.1 參數(shù)測量

工程實踐中對于渦輪葉片氣膜孔的測量以無損手段為主，分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量手段通常基于微小探針系統(tǒng)獲得孔輪廓，并采用數(shù)值轉(zhuǎn)換法實現(xiàn)氣膜孔幾何參數(shù)的讀取和內(nèi)部形貌的評估。Cui 等[27]利用光纖耦合器將探針尖端的位移轉(zhuǎn)換為返回光束中心點的位置變化。崔繼文等[28]基于利用圖像定位算法得到的光斑中心位置，通過光纖傳感器將探頭在孔內(nèi)的位移量轉(zhuǎn)換為工業(yè)相機捕捉的橫向矢量變化，可實現(xiàn)對直徑0.2 mm、深度2.0 mm 左右微深孔的精密測量。Sajima 等[29]基于一種配備由壓電元件驅(qū)動的振動機構的光纖探針，通過雙光電二極管接收的光量變化來監(jiān)測探針的軸位移，可實現(xiàn)直徑范圍10～150 μm 微孔的輪廓測量。Sun 等[30]介紹了一種基于同軸圓柱電容式探頭測量微小孔內(nèi)徑的方法，采用等電位保護環(huán)和驅(qū)動電纜技術，在消除邊緣效應的同時降低寄生電容的影響，并通過設置運算放大器變換電路克服極距變化引起的非線性缺陷，具有精度高、反應快的優(yōu)點。Stone 等[31]指出，當探頭尖端和孔壁的間隙與其他特征長度 （如探頭偏轉(zhuǎn)或形狀誤差）尺寸相當時，會導致測量過程中的幾何誤差被無限放大。此外，探頭的非同軸性/非正交性、探頭尖端的半徑補償和機械濾波等也是引起誤差放大的可能因素。上述方法不受工件特性影響，具有較高的可靠性，但其多點測量的工序使得效率較低，易造成誤差的累積。

非接觸式測量手段一般基于機器視覺和圖像采集與分析。Jin 等[32]分析了傳統(tǒng)光學手段測量微深孔時的邊緣衍射和存在雜散光的現(xiàn)象，提出了一種基于光的干涉光譜分析技術的深孔形貌的測量方法。Ramamurthy[33]和Lin[34]等開發(fā)出一種基于多軸圖像采集設備的自動測量系統(tǒng)并將其集成到激光加工平臺上，在實現(xiàn)多個冷卻氣膜孔參數(shù)測量的同時對孔深度實時監(jiān)測，防止激光加工過程中的背壁損傷問題。氣膜孔參數(shù)化建模及可修改性與否極大地影響渦輪葉片設計效率。曹率等[35]通過氣膜孔在給定截面輪廓線的投影獲得其終止曲面，并將拉伸柱體與空心葉片實體求布爾差,生成了帶有氣膜孔結(jié)構的葉片模型，可實現(xiàn)參數(shù)輸入、干涉檢查、快速建模和編輯修改等功能,顯著縮短了渦輪氣冷葉片的設計和檢測周期。由于氣膜孔與葉身相貫而成的不規(guī)則空間封閉曲線，對氣膜孔進行測量存在一定的技術難度，因此建立渦輪葉片坐標系是實現(xiàn)冷卻氣膜孔直徑和坐標位置精確測量的基礎。關軍等[36]以榫頭作為測量基準設計定位裝置，然后將葉片按氣膜孔的空間角度進行旋轉(zhuǎn)，使葉身軸線、定位裝置基準圓中心線和轉(zhuǎn)臺中心同軸，如圖3（a）所示。通過上述坐標變換將氣膜孔輪廓在指定平面投影成規(guī)則圓形，將沿葉身軸線的孔距轉(zhuǎn)化到氣膜孔軸線方向，初步解決了異型曲面上氣膜孔不規(guī)則輪廓的測量難題。但該方法中尋找氣膜孔軸線角度的過程依靠操作人員的主觀判斷，測量重復性誤差較大。鮑晨興等[37]基于CCD 圖像采集處理方法和Halcon 算法研制了一臺四軸專用檢測設備，可以實現(xiàn)氣膜孔軸線和孔徑的自動化快速檢測，軸線角度測量精度為±0.5°，重復性誤差為0.2°，孔徑測量誤差為±0.05 mm，如圖3（b）所示。畢超等[38]設計了一種基于三軸滑動和兩軸回轉(zhuǎn)的聯(lián)動測量裝置，通過改變待測件與圖像采集裝置的位置關系和對準姿態(tài)，可獲取渦輪葉片冷卻氣膜孔的孔徑大小、軸線角度和中心坐標等特征參數(shù)，提供了一種高精度、高效率、高可靠性的氣膜孔質(zhì)量評價技術手段。然而，楊慕升等[39]認為傳統(tǒng)的氣膜孔圓度評定指標忽略了圓形表面起伏波動的性態(tài)，用于閉合區(qū)域面積不同的圖像間圓度比較時結(jié)果不夠準確，因而提出了一種新的描述圓度的算法，在小孔邊緣幾何特征提取時獲得了更高的準確度和檢測效率。

圖3 基于光學手段的參數(shù)測量系統(tǒng)Fig.3 Parameter measurement system based on optical means

受設備本身測量范圍或工裝的限制，多種工況下無法通過一次或一種測量手段完成對氣膜孔的完整測量，近年來基于多測量方式復合的研究案例顯著增多。如美國SURVICE 公司基于光學掃描和工業(yè)CT 多源融合的測量方法；通用公司在專利中提到坐標測量機與光學掃描相結(jié)合的方法；Elfurjani 等[40–41]成功搭建出聲發(fā)射和金屬探針耦合的測量系統(tǒng)；隋鑫等[42]基于多傳感器技術，將接觸式與非接觸式傳感器同時集成到坐標測量機上，提高了氣膜孔參數(shù)測量的自動化程度。

2.2 缺陷評估

對氣膜冷卻和熱障涂層一體化熱防護體系，制孔過程會造成孔邊單晶材料的顯微組織損傷和結(jié)構功能弱化，而孔缺陷的存在對疲勞裂紋的萌生有促進作用。受邊緣效應的影響，涂層邊緣部位過大的殘余拉應力使涂層的結(jié)合強度、抗沖擊性能和熱循環(huán)疲勞壽命降低。服役過程中，冷卻氣體和高溫燃氣的摻混使氣膜孔周邊形成復雜的溫度場和較大的涂層內(nèi)溫度梯度，造成熱障涂層界面間、粘結(jié)層與合金基體間的熱失配應力，容易在孔邊產(chǎn)生應力集中從而引起裂紋的萌生擴展以致涂層剝落失效。因此，冷卻氣膜孔孔邊涂層的失效行為將直接威脅氣膜冷卻效率和熱障涂層的服役壽命，因此有必要對處在復雜環(huán)境中尤其是冷卻孔附近的熱障涂層進行應力和失效分析。常規(guī)的無損檢測方法不再適用其質(zhì)量評價和性能表征[43]，當前用于渦輪葉片涂層缺陷檢測的無損手段主要有聲發(fā)射技術、光致光譜技術、太赫茲時域光譜技術和紅外熱成像技術等，上述方法的特點見表1。

表1 常見無損手段的適用范圍及檢測特點對比Table 1 Comparison of the application scope and testing characteristics of common nondestructive methods

（1）聲發(fā)射技術。作為一種動態(tài)無損檢測技術，利用材料變形或產(chǎn)生裂紋時釋放的應變能產(chǎn)生的應力波來檢測裂紋信息[44]。國內(nèi)外學者基于該技術在熱障涂層無損檢測的應用范圍和相關理論做了大量研究。Yang 等[45–46]結(jié)合聲發(fā)射技術對處于熱循環(huán)和高溫CMAS 腐蝕下熱障涂層的失效過程進行實時監(jiān)測，通過聚類分析、頻譜分析和小波分析等信號處理方式識別失效模式，獲得了涂層損傷行為與聲發(fā)射信號的關系。Park 等[47]對高溫熱疲勞下的涂層損傷進行了診斷，結(jié)果表明，聲發(fā)射的信號源是由熱生長氧化物中及微裂紋的應力引起的。Renusch 等[48]基于聲發(fā)射技術，對大氣等離子噴涂 （APS）熱障涂層循環(huán)氧化過程進行監(jiān)測并建立了損傷動力學模型，為預測涂層壽命提供了理論基礎。目前，該技術在信號信息讀取、原始數(shù)據(jù)處理和理論分析論證等方面尚需完善，距工程化應用存在一定距離。

（2）光致光譜技術。通過測定材料內(nèi)部離子受激發(fā)后產(chǎn)生的拉曼光譜或熒光光譜，根據(jù)特征頻率的變化量得到應力值。Wen 等[49]總結(jié)了熱循環(huán)過程中光譜強度變化與涂層損傷信息的對應關系，如觀測到的雙峰發(fā)光源于局部損傷引起的應力松弛，初始階段的增長與熱生長氧化物 （TGO）相變引起的體積變化導致開裂等，證明了該技術用于涂層質(zhì)量監(jiān)控的有效性。Wang 等[50]通過定期測量渦輪葉片TBCs 中的殘余應力，揭示了表面曲率對應力演變和涂層失效行為的影響。由于電子束物理氣相沉積 （EB–PVD）的熱障涂層具有柱狀晶的結(jié)構特點，信號穿透能力強，反饋信號明顯，起初的研究主要集中在EB–PVD TBCs[51–53]的無損檢測方面，Lima[52]和Yang[54]等通過優(yōu)化參數(shù)收集方法等措施，實現(xiàn)了對大氣等離子噴涂 （APS）涂層缺陷和殘余應力的無損檢測。但該技術受激光脈沖強度起伏的影響較大，測量準確性尚需提高。

（3）太赫茲時域光譜技術。該技術利用樣品與太赫茲 （THz）脈沖作用后反射或透射光譜，同時獲得脈沖的振幅和相位信息，經(jīng)頻域變換后直接獲取折射率、吸收系數(shù)等，具有光學常數(shù)提取方便、非電離、非破壞性、成像分辨率高和深度成像的優(yōu)點，在無損檢測領域具有廣闊的應用前景。Fukuchi[55]和Krimi[56]等基于多組不同厚度（300～600 μm）的樣品，證明了該技術用于涂層精準測厚的有效性，并開發(fā)出對應的自校準方法，減小了測量過程中的相對偏差。Chen[57]和Watanabe[58]等對TGO 層、陶瓷層和金屬界面缺陷的演化過程進行監(jiān)測，通過評估等離子噴涂TBCs 陶瓷層的透射率和介電性能，證明了太赫茲時域光譜技術用于涂層及其燒結(jié)導致的微觀結(jié)構的無損評價和渦輪葉片熱障涂層失效預警的有效性。目前該技術仍處于起步階段，存在理論模型待完善、成像速度慢和分辨率低等問題。不過鑒于太赫茲在其他無損檢測領域取得的成功，未來該技術在葉片及其涂層結(jié)構的缺陷檢測中將大有可用。

（4）紅外熱成像技術。該技術是一種基于瞬態(tài)熱傳導的無損檢測方法，相比于其他傳統(tǒng)無損檢測方法具有以下特點：適用面廣，不受零件材料和形狀的限制；效率高，單次檢測面積大；無污染、無射線輻射危害；易于操作，結(jié)合圖像處理技術可實現(xiàn)定量檢測和評估。根據(jù)紅外輻射來源，分為被動式紅外熱成像和主動式紅外熱成像。被動式紅外熱成像是將試件自身的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號以獲得熱圖；主動式紅外熱成像則是通過施加外部激勵的方式使被檢零件表面溫場發(fā)生變化，由熱像儀采集熱輻射信息的變化過程，并根據(jù)熱激勵方式的不同分為以下6 種典型技術：脈沖熱成像、超聲激勵紅外熱成像、鎖相紅外熱成像、脈沖相位熱成像、太赫茲激勵紅外熱成像和電磁激勵紅外熱成像技術[59]。

近年來，大量學者通過建模仿真和算法優(yōu)化的方法，提高了燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片及涂層缺陷的定量檢測效果。梅林等[60]通過三維有限元分析方法模擬脈沖加熱紅外無損檢測過程，分析了影響檢測靈敏度的參數(shù)并通過對比度變化規(guī)律對其進行優(yōu)化?？芄饨艿萚61]建立裂紋區(qū)域的摩擦生熱模型，利用導熱微分方程推導了超聲激勵下簡化模型的表面溫度場，并基于數(shù)值仿真和試驗結(jié)果證明了超聲紅外熱成像技術用于葉片復雜型面裂紋缺陷檢測的有效性。宋凱等[62]基于簡化的渦輪葉片陣列渦流成像檢測模型提高了有限元分析的效率和精度，并通過對比陣列渦流線圈間的互感作用得到不同長度、深度缺陷對感應電動勢的影響規(guī)律，證明了該模型用于渦輪葉片裂紋檢測的可行性。王卓等[63]基于參數(shù)可調(diào)的電渦流熱激勵裝置，分析了諧振頻率、提離高度和輸入功率等對激勵效率的影響，并結(jié)合優(yōu)化的參數(shù)值擬合建立了槽形、圓形缺陷的深度檢測模型，通過試驗證明其具有較高的檢測精度。孫琦[64]結(jié)合葉片內(nèi)部結(jié)構、材料特性、冷卻機理和激勵方式建立了風道堵塞區(qū)的傳熱模型并進行仿真，隨后采用梯度搜索算法對試驗參數(shù)的最佳取值范圍進行了有效優(yōu)化。

3 基于主動式紅外熱成像技術的無損檢測

3.1 基本原理

圖4 紅外熱成像系統(tǒng)流程圖[65]Fig.4 Flow chart of infrared thermal imaging system[65]

3.2 熱激勵能量與材料微觀組織結(jié)構的作用機理

為使葉片及涂層缺陷區(qū)與非缺陷區(qū)的表面溫差大于紅外熱像儀的最小分辨率，選用合適的激勵熱源至關重要。當前在紅外熱成像無損檢測領域常用的物理有源激勵方式有光學熱激勵、電磁渦流熱激勵、烘氣熱激勵、冷熱水交替熱激勵和超聲激勵等，其加熱機理可大致歸納為光熱輻射、熱交換和分子共振3 種。

當光熱輻射源 （如強度調(diào)制的激光束）投射到不透明固體物質(zhì)表面上時，會在工件內(nèi)部尤其是近表面區(qū)域形成高度衰減和周期發(fā)散的熱量波動，導致傳播中的溫度振蕩，該過程與待測件的熱學性質(zhì)及熱源的調(diào)制頻率有關。如果材料內(nèi)部存在缺陷，由于熱不均勻性及傳播過程中的散射或反射作用，熱波返回時的強度差異將直觀反映為工件表面的溫場分布[66]。熱交換則是基于熱傳導理論制造較大溫差實現(xiàn)瞬態(tài)熱變換，量化反映為缺陷與基體材料在工件表面上熱輻射強度的不同。

與上述激勵方式的生熱機理不同，超聲激勵熱成像（振動熱成像）技術引起材料表面或亞表面損傷部位生熱的主要原因包括：缺陷裂紋接觸界面在超聲波作用下不斷接觸、滑移和分離，以及界面間摩擦使缺陷發(fā)生塑性變形而造成的區(qū)域溫升[67]。Renshaw 等[68]將振動加載后與原始的疲勞裂紋面進行比較，證實了摩擦損傷的存在，解釋了造成振動熱像測試不可重復性的部分原因，圖5（a）為激勵前的金屬粗糙表面，圖5（b）為激勵多次后表面，此時已產(chǎn)生塑性變形且有明顯的邊界和犁痕，圖5（c）光滑無特征，表明斷口已熔化。此外，高治峰等[69]基于邊緣裂紋和內(nèi)部裂紋模擬，認為強烈振動會使缺陷周圍發(fā)生高度的應力集中，帶來附加的黏彈性加熱。

圖5 振動前后裂紋面的變化[68]Fig.5 Changes of crack surface before and after vibration[68]

3.3 關鍵技術及應用

主動式紅外熱成像技術適用于材料表面及近表面缺陷檢測，在葉片類薄壁零件的損傷評價方面具有一定優(yōu)勢[70]。該技術在國外已達工程化應用水平：德國西門子公司基于主動紅外熱成像無損檢測技術實現(xiàn)了對燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層的實時監(jiān)測，并建立了在線評估模型；美國TWI 公司已初步實現(xiàn)該領域標準化。目前，基于紅外手段的渦輪葉片質(zhì)量評價研究主要集中于涂層的界面開裂、密度差異、脫粘、風道堵塞和氣膜孔邊缺點及涂層裂紋檢測等方面。

（1）涂層脫粘及厚度檢測。唐慶菊[71]結(jié)合主成分分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡理論，驗證紅外熱成像技術用于識別徑深比1.2～4.0 脫粘缺陷的有效性，預測誤差為4%～10%。馮馳等[72]通過偽彩色增強技術和邊緣檢測技術提高對熱圖中缺陷的分辨能力，可快速準確檢測出涂層脫落部分的位置及大小。Shrestha[73]和Ibarra[74]等分別使用方波脈沖和不同調(diào)制頻率的正弦信號激勵試樣，通過傅里葉變換獲得相位角和涂層厚度的關系，評估了紅外熱成像用于評估不均勻涂層厚度及其密度差異的可能性。

（2）裂紋、氣孔和夾雜等缺陷及其深度檢測。蘇清風[75]和Heyes[76]等搭建了超聲紅外熱像檢測試驗平臺，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機導向葉片 （0.5～1 mm）和工作葉片細微裂紋的檢測。肖勁松等[77]建立了葉片內(nèi)部氣孔的軸對稱非穩(wěn)態(tài)導熱模型，并通過ANSYS 進行數(shù)值模擬計算，得到脈沖加熱–冷卻階段任意時刻的溫場分布情況和熱輻射變化趨勢。將GCTWI 后處理方法用于4.2 mm 厚CFRP 試樣上深度為1.6 mm 和2.16 mm 的人工缺陷檢測，證明了鎖相熱成像法用于復合材料中盲孔和夾雜物等亞表面缺陷檢測的有效性[78–82]。王卓等[63]提出了一種基于電磁激勵紅外熱成像技術的管道缺陷深度檢測方法，并通過試驗數(shù)據(jù)擬合出槽型缺陷和圓形缺陷的深度檢測模型，預測值與實際深度的相對誤差分別為4.12%和3.69%。

在熱圖信號處理及去噪方面，Tang 等[83]基于Markov–PCA–BP 算法提出預測模型，以熱波信號的特征為輸入，可準確識別徑深比1.2～4.0、深度為1.0～2.5 mm 的缺陷信息，預測誤差為4%～10%。Rajic 等[84]對光脈沖激勵的響應進行奇異值分解，在復合結(jié)構缺陷深度表征中具有明顯的去噪效果，預測誤差均值為22%。Yousefi 等[85]利用協(xié)方差矩陣和奇異值分解獲得主成分熱圖像，并基于K-medoids 聚類法對樣品缺陷進行分割，簡化了計算過程，提高了檢測效率。Sun[86]基于多層傳熱模型提出了脈沖熱成像多層分析 （PTI–MLA）方法，通過分析單側(cè)脈沖熱成像獲得的表面溫度響應，可實現(xiàn)對整個涂層導熱系數(shù)和發(fā)動機部件表面熱容分布的預測和評估，測量誤差為5%～10%。秦乾坤等[87]提出了一種基于傳統(tǒng)小波閾值函數(shù)的改進方法，將原始閾值提高了20%左右，在實現(xiàn)有效減少噪聲的同時保留更多圖像細節(jié)信息。

任務型教學模式下的師生關系是 “主體-中介-主體”的主體間性關系（見圖表3）[7]，因為教學活動就其本質(zhì)而言是師生交往、積極互動、共同創(chuàng)造意義、共同發(fā)展的活動。處于教學系統(tǒng)中的教師和學生都是具有主體地位，能夠發(fā)揮自身主體性的個體，是主體與主體間的合作，平等交流的關系，并在對話和交往過程中表現(xiàn)出主體間性。

（3）冷卻風道及氣膜孔缺陷檢測。渦輪葉片在服役過程中發(fā)生風道堵塞會對發(fā)動機散熱造成影響進而引發(fā)事故，孫琦[64]建立堵塞區(qū)的傳熱模型，定量給出了風道堵塞參數(shù)和試驗控制參數(shù)與表面溫差之間的關系，基于冷熱水交替激勵的方式，采用梯度優(yōu)化算法對上述模型進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果提供的控制參數(shù)進行試驗，得到缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)葉片表面溫差和時間、換熱系數(shù)、冷熱水激勵溫差以及堵塞大小之間的關系。顏芳[88]分析了氣烘法、冷熱水交替法、渦流激勵法和蒸汽激勵法4 種激勵方案用于葉片內(nèi)部冷卻通道缺陷紅外熱成像無損檢測的優(yōu)劣性。汪力[89]基于外部激勵內(nèi)部冷卻的方式提出了一種葉片內(nèi)部通道異物堵塞的紅外熱成像無損檢測方案，可實現(xiàn)插入不同長度缺陷部位圖像重構。一些研究基于熱像儀測量的冷卻數(shù)據(jù)分析了射流角度、復合角和孔入口形狀對氣膜冷卻效果的影響，證明了紅外熱成像技術在描述發(fā)動機熱端部件冷卻特性的有效性[90–92]。何箐等[93]介紹一種高壓渦輪工作葉片冷卻氣膜孔檢測平臺及測試方法，將紅外手段應用到氣膜孔孔邊損傷和涂層裂紋、致密化等差異缺陷檢測中。

目前，紅外熱成像技術對于葉片及其涂層結(jié)構的檢測結(jié)果集中在對損傷的定性評價方面。隨著先進復合材料、熱激勵技術和圖像處理技術的飛速發(fā)展，如超聲–紅外熱像檢測、激光電子剪切散斑–紅外熱像檢測等聯(lián)合方法的檢測技術將被用于渦輪系統(tǒng)及其涂層結(jié)構缺陷的定量檢測。

3.4 熱圖像的后處理方法

受檢測環(huán)境、設備性能、工件表面特性和人工操作誤差等因素的影響，由熱像儀采集到的原始熱圖中存在大量噪聲，對微小缺陷的精確判別造成干擾。為提高信噪比，過濾圖像中的背景和噪聲信號，增強缺陷特征的辨識度，通常采用后處理方法來實現(xiàn)，其代表算法及實現(xiàn)途徑見表2[71，94–100]。

表2 常見熱圖像后處理方法對比[71，94–100]Table 2 Comparison of common thermal image post-processing methods[71，94–100]

3.5 不足及展望

近年來，主動紅外熱像技術的檢測精度不斷提高，在材料缺陷檢測和損傷評估方面的重要性更為突出。但受到國外技術封鎖和工藝水平的限制，當前技術的不足也較為明顯：

（1）尚未建立高效的熱激勵手段，輸入能量與材料微觀組織結(jié)構相互作用機理的研究仍然有待深入；

（2）紅外熱像儀像素較低，常見的非制冷式紅外熱像儀的最高分辨率僅為640×480 像素；

（3）基于序列熱圖像的信號提取和數(shù)據(jù)分析程序尚未建立，目前大多依托濾波減背景、去噪增強和圖像序列處理等手段，尚未形成一套行之有效的適用于燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片損傷評估的處理流程。

隨著上述理論和技術問題的解決，主動紅外熱成像技術呈現(xiàn)出由人工識別缺陷向自動識別發(fā)展、定性檢測向定量檢測發(fā)展的趨勢。具體表現(xiàn)為以下3 點：

（1）改進激勵手段、優(yōu)化激勵參數(shù)，基于機器學習開發(fā)熱圖像的數(shù)據(jù)處理模塊，與其他無損檢測技術結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補；

（2）使用更高分辨率的熱像儀；

（3）建立“缺陷形式–激勵方式–熱像采集（灰度/偽彩色圖）–特征提取–數(shù)據(jù)處理”模型，形成一套針對被測件不同部位、不同缺陷的行之有效的評價體系[98–100]。

4 結(jié)論

燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片服役環(huán)境惡劣，合金基體及其上熱障涂層失效機理復雜，基于無損檢測技術開展葉表涂層失效研究以及服役狀態(tài)下冷卻氣膜孔質(zhì)量監(jiān)測和評估具有極其重要的意義。大量研究結(jié)果表明，單一的某種無損手段并不能綜合評定影響氣膜孔加工精度及服役性能的所有內(nèi)在因素，如涂層密度不均勻性、孔邊裂紋、界面應力等，通常需要采用多種檢測技術開展針對性的研究開發(fā)和數(shù)據(jù)積累。當前研究尚存在理論模型不完善、檢測流程復雜、圖像分辨率不足、數(shù)據(jù)處理算法不成熟等一系列問題，未來仍需在以下4 個方面進行深入研究：

（1）開發(fā)高精度、高效率、低成本的無損檢測技術，而紅外熱成像技術是目前渦輪葉片及涂層缺陷特別是孔及孔邊檢測較有前景的方法之一，國內(nèi)亟待推進其系統(tǒng)研究及工程化應用；

（2）建立渦輪發(fā)動機渦輪葉片氣膜孔質(zhì)量評估平臺，實時監(jiān)測如涂層厚度、裂紋尺寸等信息，實現(xiàn)缺陷參數(shù)的閉環(huán)反饋與提前預警；

（3）基于Python 等開源編程軟件開發(fā)數(shù)據(jù)處理模塊，構建針對葉片及其涂層常見損傷的數(shù)據(jù)庫；

（4）集成熱圖像采集與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，結(jié)合機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡等技術推動無損檢測的智能化，實現(xiàn)氣膜孔異常信號的自動篩選與存檔入庫。