热障涂层无损检测技术进展

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1、c唧龇。№曲附哪。。础吣砌删啪复合材料无损检测技术热障涂层无损检测技术进展刘战伟，朱文颖，石文雄，谢惠民(北京理工大学宇航学院，北京100081)【摘要】热障涂层(TBC)是航空航天发动机涡轮叶片的主要防护材料，对其进行表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷的无损检测具有重大意义。对热障涂层的传统检测方法(如渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测等)，以及新型红外热成像方法在内的无损检测方法进行了介绍和归纳，重点介绍了光激励、涡流激励和超声激励3种主动式红外热成像无损检测技术。其中，对激光扫描热成像法进行了详细介绍，该方法具有非接触、操作简单、灵敏度

2、高、全场范围内检测快速的优点，能够实现宽度为10ixm以上的裂纹和直径为lmm以上脱粘缺陷的无损检测；透射式涡流热成像具有识别小于lmm脱粘缺陷的能力。关键词：热障涂层(TBC)；激光扫描热成像法；涡流热成像法；超声热成像法；后处理方法DOI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．04．043刘战伟北京理工大学宇航学院教授、博导，长期从事试验力学和无损检测技术研究。2008年以居里学者身份赴英国TWI无损检测部开展2年合作。发表SCI／EI论文50余篇。授权国家发明专利12项。获教育部技术发明一等奖1项。涡轮发动机是

3、航空飞行器和工业燃气轮机的关键核心部件[1-21，涡轮发动机的主要材料是镍基合金，其耐高温度为1000℃，不能满足工作*基金项目：国家自然科学基金(1123200811372037)：需求。为保护发动机，发展了热障涂层(TBC)。涂覆TBC的发动机叶片能在1600℃高温下运行，提高发动机60％以上的热效率，有效地增加推重比【3】，这使得TBC逐渐应用在核反应堆、航空发动机等许多领域[4-6]o然而，TBC是一种由基底、粘结层及陶瓷层组成的多层结构系统，各层有明显不同的物理、热、机械性能，复杂的结构和苛刻的工作环境使得TBC在使用过程中易产

4、生表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷，而TBC的一些固有特性(如多孑L性、较薄的厚度)使传统无损检测方法存在技术和检测效率的局限。因此，发展TBC试件缺陷的无损检测技术具有重大意义。传统的无损检测方法主要有渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测、声发射技术等。渗透检测技术通过将某些特制的液体渗透进被测构件来实现对构件表面裂纹的位置、大小和形状进行检测l”。涡流检测技术以电磁感应为基础，利用不同材料在交变磁场作用下产生的不同振幅和相位实现检测[8-101。超声检测和超声显微检测技术近年来发展较快，超声波经耦合剂传播到被检构件时，构件内部缺陷会阻碍超

5、声波的传播，而无缺陷的位置超声波的传播不受影响”1-131，但是由于TBC具有多空隙的结构特点，超声检测或超声显微检测不适合TBC的无损检测。声发射技术利用材料变形或产生裂纹时释放的应变能产生的应力波来检测出裂纹信息，是直接检测裂纹的主要方法之一，但由于该技术需在加载过程中进行，检测的是动态缺陷，而不是静态缺陷，因而属于被动检测方法[14-1510渗透检测技术会使液体等进入试件内部，不能够形成非接触。复阻抗谱通过电路模型测量电阻、电容等性质的变化来分析TBC的厚度、微观结构、缺陷的生长特征。但是，由于陶瓷层中的孔洞和裂纹及界面形状的不规则

6、性对测试等效电路产生影响，带来了结果的不确定性[16-171。传统无损检测技术的检测灵敏度低，准确度不高，检测速度慢且操作复杂，加之对检测试件的限制条件，不能够实现对TBC试件的定量无损检测。为避免传统无损检测中传感器2016年第4期·航空制造技术43接收信号这一接触式测量方式，传统的无损检测方法结合了红外热成像无损检测技术，实现对TBC的高灵敏度、非接触、全场快速的简便无损检测技术。红外热成像技术吣。2川作为一种新兴的无损检测手段，具有检测面积大、检测结果直观、检测速度快、非接触以及使用简单等优点。热波成像法最早在1984年由英国国家无

7、损检测中心MILNE等障”率先推出，1996年日本学者ITOH等口21开始了使用热波成像法研究TBC脱粘裂纹，2005年由NEWAZ等【2引采用热波成像技术研究了界面脱粘和其剩余寿命的关系，近年来得到了广泛的研究和应用。2012年，PTASZEK等f241开始开展红外热波成像用于TBC界面脱粘的标定工作。红外热成像技术可以分为主动式和被动式[25]o被动式是热像仪接收试件自身的红外辐射并将其转化为电信号获得热图像的技术，主动式是通过加载外部激励的方式使被检零件表面温度发生变化，并由热像仪采集图像的技术。目前，无损检测中的主动式红外热成像无

8、损检测方法主要有光激励热成像法、涡流热成像法和超声热成像法。TBC检测的光激励热成像法根据光激励信号的不同，将光激励热成像法分为光脉冲热成像法和光锁相热成像法。根据光激励光源的不同，又分为灯光