热障涂层脱粘缺陷脉冲压缩激光红外热成像检测

毛丰晶,王荣邦,陈振伟,张远舸,裴翠祥,陈振茂

(西安交通大学航天航空学院,机械机构强度与振动国家重点实验室,陕西省无损检测与结构完整性评价工程中心,陕西 西安 710049)

1 引 言

热障涂层(TBC)是一层陶瓷材料,它沉积在耐高温金属或超合金的表面,由于具有高耐热性、抗腐蚀性和低导热性,常用作热端部件的隔热材料以维持基底材料的正常服役环境并延长其使用寿命[1],广泛应用于航空航天、能源电力、石油化工等重要领域[2]。然而,由于制造加工工艺的不完善和恶劣的服役条件,热障涂层在使用过程中、甚至是在使用过程前就可能会出现一系列缺陷。以采用等离子喷涂的YSZ热障涂层为例,经实验验证,其在使用过程中很容易产生很难用肉眼观察到的脱粘缺陷[3]。若脱粘缺陷未能及时被发现,很可能影响大机器的使用寿命,甚至造成重大的安全事故。因此,采用合理的无损检测实时监测和评估热障涂层在使用时的界面结合状况十分重要[4]。

目前,针对热障涂层脱粘缺陷,广泛应用的检测手段为红外热成像法[5]。与常规检测方法相比,红外检测具有非接触式、结果直观等诸多优点。但涂层导热率较低,传统作为红外检测激励源的高能闪光灯由于采用大面积加热方式,功率密度小,这使得缺陷检测的信噪比和缺陷检测能力都有待进一步提高；与之相比,新型激光红外热成像检测方法,借助激光的高功率密度、良好的指向性,可大幅度提高红外热成像方法的检测能力和适用性。

为进一步提高激光红外热成像检测方法对于热障涂层内部脱粘缺陷的检测能力,本文将采用所开发的基于光束匀化的便携式激光红外热成像检测系统,结合新型脉冲压缩检测技术,通过频率或周期调制脉冲串激光热源对热障涂层进行热激励,再将接收到的红外热成像时域信号通过信号处理压缩成有效峰值高的窄脉冲信号,从而有效增强激光红外图像信噪比[7]。为验证该方法的有效性,首先建立了热障涂层脉冲压缩激光红外热成像检测有限元数值模型,模拟了周期调制脉冲串激光激励下结构内部热流的传播过程以及内部缺陷对温度场分布的影响,研究了不同激励参数对于温度场分布的影响,并通过脉冲压缩技术对数据信号进行后处理,得到了更能反映缺陷信息的温度场分布图。最后,通过实验验证了基于脉冲压缩的增强型激光红外热成像方法对热障涂层脱粘缺陷检测的有效性。

2 热障涂层脉冲压缩激光红外热成像检测数值模拟

2.1 脉冲压缩增强激光红外热成像检测方法

脉冲压缩增强激光红外热成像法是结合周期调制脉冲串激光激励和信号脉冲压缩处理的红外热成像无损检测技术,其具体实现过程如图1所示。首先,由激光发生器产生周期调制脉冲串激光s(t)(如图1(b)所示)代替用于传统激光红外检测的单脉冲激光(如图1(a)所示),经过扩束镜扩束后用于激励被测试件表面,较传统单脉冲激励,周期调制脉冲串激励方式激励时间更长、激励效果更好；同时,利用一台红外热像仪采集被测试件表面的温度场分布信息,从采集得到的温度场分布图中任取一像素点并做出该点随激励时间的温度变化曲线,由图中OUTPUT可知,采用传统单脉冲激励可直接获得有效温度峰值高的窄脉冲信号,即h(t),而采用周期调制的脉冲串激励不能直接获得h(t),只有将输出信号y(t)与匹配滤波器函数ψ(t)卷积才能获得有效峰值高的窄脉冲信号h(t)。这种对于周期调制脉冲串激光激励,将接收到的时域信号压缩成有效峰值高的窄脉冲信号的过程就是信号的脉冲压缩处理[8]。

图1 脉冲压缩增强激光红外热成像法示意图Fig.1 Schematic diagram of the enhanced laser infrared thermal imaging method with pulse compression

脉冲压缩增强激光红外热成像检测方法相对于传统激光红外热成像法最主要的优点是,采用周期调制脉冲串激光激励可在较长时间内向系统输送功率,激励效果好,从而提高了信噪比[8],这对热障涂层材料这一类热导率较低的材料有很好的适用性。

2.2 热障涂层脉冲压缩增强激光红外热成像检测数值模拟

为了研究激光红外在TBC系统内部脱粘缺陷检测和成像方法的可行性,本文采用了一种基于有限元方法(FEM)的数值模拟方法。该方法的核心是三维热传导方程,如式(1)所示。

(1)

其中,K为热导率,对于不同层的材料来说,其热导率一般不同；T为温度场分布；C为比热容；ρ为材料密度；qv为热源。通过最小二乘法,可实现微分控制方程到积分控制方程的转换,并得到最终的有限元控制方程,如式(2)所示:

=-∮T{N}>qdT

(2)

其中,Ω为所求域；{N}>为形函数；

首先建立TBC系统的计算模型,TBC系统的实体模型是由热障涂层和合金基底通过粘接层连接而成。典型的热障涂层系统由涂覆于基底上以MCrAlY(M=Ni,Co或二者兼有)为主的抗氧化粘接层和以YSZ为主的抗导热陶瓷顶层组成[9]。在TBC系统模型的设计中,本文做了一定程度的简化,即将每层材料都视为各向同性材料,另外,本文用高温合金GH4037作为基底材料。具体的TBC系统模型如图2所示,模型为50 mm×50 mm×2.6 mm大小的平板,在距离TBC系统上表面0.4 mm的位置埋设有大小为1 mm×1 mm×0.2 mm的面缺陷,如图中深色部分所示。

图2 热障涂层系统激光红外检测数值模型Fig.2 Modeling of TBCs system for laser thermography testing

现确定TBC系统各层材料的热力学参数。对于热障涂层的密度,除了用Archimede法测量,还可以采用一种较为新颖的利用超声波声压反射系数相位谱无损测量法得到[10]；对于热障涂层的导热系数来说,随着温度的升高,涂层的导热系数会缓慢降低但在很大一段温度范围内降低的量基本可以忽略不计,故本论文将热障涂层的热导率作为一个常数,最终以孔隙率为22.1 %、导热率为1.5的涂层材料作为模型材料。TBC系统的主要材料参数如表1所示。缺陷的主要热力学参数与空气相同,也如表1所示。

表1 TBC系统和缺陷的主要热学参数Tab.1 Main thermal parameters of TBCs and defects

本文选用正弦型的脉冲串作为周期调制的脉冲串激励函数,具体的激励函数如图3所示。图3(a)所示的激励形式共有4个周期,首周期为0.8 s,其后每个周期较前一个周期少0.2 s,将其定义为单调递减型激励函数；图3(b)所示的激励形式也有4个周期,首周期为0.2 s,其后每个周期较前一个周期多0.2 s,将其定义为单调递增型的激励函数。另外,对于一个脉冲激光而言,激光热源可以写成一个关于时间空间分布的函数,如式(3)所示:

图3 激励激光脉冲序列Fig.3 Excitation laser pulse sequence

qS=AI0f(x,y)g(t)

(3)

其中,A为光学吸收率,将其设为0.44；I0为激光功率密度,将其设为1600000 W/m2(根据激光发生器而定)；f(x,y)为激光光斑空间分布；g(t)为激励函数。

至此,完成对各项参数的设置,接下来通过编码即可获得正弦脉冲串激光激励下结构内部热流的传播过程以及内部缺陷对温度场分布的影响。图4为部分时刻的温度场分布图。由图4可知,对于脱粘缺陷,从某些时刻的温度场分布图上,可以清楚地看出缺陷上方的温度发生了畸变,其温度显著高于周围无缺陷处的温度,这正是由于低热导率的空气缺陷,阻碍了热流的纵向传播,因此热量在缺陷上方积聚,造成了温度比周围高的现象。

图4 各时刻TBC系统表面温度场分布图Fig.4 Surface temperature field distribution diagram of TBCs at each time

以上的仿真模拟过程并未考虑噪声,但在实际的检测条件及环境中,我们知道,噪声是不可能避免的。实际系统中的噪声主要来源是热噪声,而热噪声是典型的高斯白噪声。故本文以高斯白噪声为噪声源加入热障涂层脉冲压缩增强激光红外热成像检测数值模拟过程以模拟实际的检测条件与环境。我们从上述的模拟结果中选取有缺陷和无缺陷的一点,分别做出二者的温度变化曲线,如图5(a)所示,图中虚线和实线分别为缺陷点和无缺陷点的温度变化曲线,可见两点的温度变化曲线非常光滑且很有规律；现向其中加入均值为0.5、幅度在0～1之间的伪随机数以模拟有噪声的情况,添加噪声后的结果如图5(b)所示,由图不难发现,高斯噪声的加入使得温度曲线有较大的变化,这将会极大地降低脱粘缺陷的检测灵敏度。

图5 添加高斯白噪声前后缺陷点与无缺陷点温度变化曲线Fig.5 Temperature change curves of defective and non-defective points before/after adding Gaussian white noise

为了获得最为理想的缺陷检测结果,首先对激励函数相关参数进行优化。影响激励结果的因素多种多样,本文重点研究两种激励形式,如图3(a),(b)所示,以及总的激励时间对温度变化曲线的影响。为了提高模拟准确度,在模拟过程中拟加入可由编码实现的空间噪声,模拟结果如图6所示。

图6 不同激励形式下激励时间对最大温差的影响Fig.6 Influence of excitation time on maximum temperature difference under different excitation forms

根据模拟结果可以得出以下结论:首先,单调递减型多脉冲激励的最大温差要远远高于单调递增型多脉冲的最大温差,最大可达到将近9.5 ℃,故选择单调递减型的激励函数；其次,激励时间都不是越长越好。对于单调递减型多脉冲激励,温差在2 s附近能够达到9.22 ℃(无噪声)或9.5 ℃(有噪声)左右的峰值并在之后一直保持在这个温度,如图6中(b)所示。由温差变化曲线,我们知道,只要加热时间超过2 s就能得到较高的温差效果,但是加热时间越长,温升也会提高,温差在整个温升中的占比也会因此减少,不利于识别缺陷,因此最佳的激励时间为2 s左右。综上所述,选择单调递减型且激励时间为2 s左右的激励函数作为加热函数最为合适。需要说明的是,这个结论是在有效激励功率为1.76 kW(A·I0·A0,A0为激励面积)的条件下获得的,倘若有效激励功率更低,那么激励时间需要增加才能达到最佳的激励效果；另外,最佳激励时间与陶瓷层厚度(本文为0.4 mm)与基底材料也有一定的关系,由于陶瓷层导热率低,陶瓷层越厚,最佳激励时间也越长。基底材料的导热率也会影响最佳激励时间,导热率越高,越有利于热量的传导,这对提高温差有很大的帮助。

现以最佳的激励形式,即图3(a)为激励函数,模拟含有3 mm和5 mm大小脱粘缺陷的热障涂层温度场分布情况,其模拟结果如图7所示。图7中分别为0.35 s时刻3 mm、5 mm脱粘缺陷的温度场分布图。

(a) 3 mm

(b)5 mm图7 3 mm、 5 mm缺陷0.35s时的温度场分布图Fig.7 Temperature distribution of 3 mm and 5 mm defects at 0.35 s

现就1 mm、 3 mm、 5 mm缺陷获得的温度场分布图做脉冲压缩处理,输出压缩后的温度场分布图并与未经过脉冲压缩的温度场分布图作对比,结果如图8所示,由图可知,无论有无噪声,经过脉冲压缩处理后都能带来肉眼可见的缺陷检测能力的提升。

图8 脉冲压缩处理前后温度分布图对比Fig.8 Comparison of temperature distribution before and after pulse compression

3 热障涂层脉冲压缩激光红外热成像检测实验验证

3.1 脉冲压缩激光红外热成像检测系统及试件

图9是实验系统和试件的示意图。该实验系统的工作原理是:安装有控制及图像处理软件的计算机向信号同步单元释放控制指令,信号同步单元发出两个同步控制信号,分别用于控制风冷激光器出光和红外热像仪同步采样,红外热像仪采集到试件表面的温度场分布信号后将数据传输回计算机,后续可在计算机上查看实验结果并进行后处理。实验系统图中6所示的就是被测TBC试件,试件的基底材料为铝合金材料,脱粘缺陷的大小为 3 mm×3 mm的方形,埋藏在试件靠近右端的中心处,具体位置如图中所示。

图9 系统和采用试件的示意图Fig.9 Schematic diagram of the experimental system and the specimen

3.2 实验测量结果

实验中采用的激励形式为单调递减型脉冲激励,具体参数设置为:幅值为4 V,首周期为4 s,一共有6个周期(由采样时间和缩放系数确定),缩放系数(后一个周期较前一个周期的激励时间之比)为0.8,采样帧频为50 Hz,采样时间为20 s。需要说明的是,4 V的幅值对应的有效激励功率为0.16 kW,按照模拟结果,在有效激励功率为1.76 kW时最佳激励时间为2 s,实验时有效激励功率约为模拟时的1/10,因此激励时长要相应增加以达到好的激励效果。经尝试,激励时间增加为模拟结果的10倍,即20 s时能达到好的激励效果。采样结束后采用上述方法对测量的红外图像序列进行脉冲压缩处理,获取脉冲压缩红外图像。图10为带3 mm脱粘缺陷热障涂层试件脉冲压缩增强激光红外热成像检测实验测量结果。为便于比较分别选取压缩前原始红外图像序列中缺陷显示最明显和压缩后图像序列中缺陷显示最明显的两红外图像分别如图10(a)和(b)所示。可以明显看出,经过脉冲压缩后红外图像中缺陷图像更清晰,对比度更好。实验结果表明,基于脉冲压缩的增强型激光红外热成像法对于热障涂层脱粘缺陷的检测是可行的,能够提高缺陷检测的灵敏度和信噪比。

图10 带3 mm脱粘缺陷热障涂层试件脉冲压缩增强激光红外热成像检测实验测量结果Fig.10 Experimental measurement results of the pulsed-compression-enhanced laser thermography of the TBC specimen

4 结 论

为提高红外热成像检测方法对于热障涂层内部脱粘缺陷的检测能力,本论文研究了基于脉冲压缩的增强型激光红外无损检测方法,建立了热障涂层脱粘缺陷脉冲压缩激光红外检测数值计算模型,分析了脉冲压缩增强激光红外热成像检测方法中脉冲波形设置方式及激励时间对脉冲压缩增强方法的影响,验证了脉冲压缩方法可以有效提高激光红外热成像检测方法对于热障涂层内部不同大小缺陷的检测能力。最后开发了脉冲压缩增强激光红外热成像检测系统,通过对实际热障涂层试件内部脱粘缺陷检测实验,验证了该方法的有效性。