紅外熱波技術(shù)在渦輪葉片涂層檢測上的應(yīng)用

馮馳，滑翔

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

紅外熱波技術(shù)在渦輪葉片涂層檢測上的應(yīng)用

馮馳，滑翔

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

渦輪葉片作為燃氣輪機的重要部件，長期在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中工作，其熱障涂層極易損壞。熱障涂層損壞會極大地影響渦輪葉片的使用壽命。紅外熱波檢測技術(shù)不同于傳統(tǒng)的紅外檢測方法，它通過主動控制激勵熱源來對渦輪葉片進行加熱，然后利用紅外熱像儀攝取具有熱障涂層脫落情況葉片的紅外圖像，并使用偽彩色增強技術(shù)和邊緣檢測技術(shù)增強對紅外圖像中熱障涂層缺陷的分辨能力。實驗結(jié)果表明，該檢測技術(shù)可以快速準確地檢測出熱障涂層脫落部分的位置及大小。

紅外熱波；無損檢測；渦輪葉片；熱障涂層；偽彩色增強；Canny算子

燃氣輪機自問世以來，經(jīng)過了70多年的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中最先進的熱動力裝置之一。而渦輪葉片作為燃氣輪機的主要部件，必須長期工作在高溫狀態(tài)中，這對渦輪葉片的耐高溫性能提出了更高的要求。雖然具有復(fù)雜氣道的內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)［1］可以極大地提高渦輪葉片的耐高溫能力，但還遠遠達不到在提高進口溫度之后對葉片耐高溫能力的需求，現(xiàn)在解決這一問題的主要手段就是采取熱障涂層技術(shù)。熱障涂層技術(shù)［2］的基本設(shè)計思想是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕熱等性能特點通過涂層的方式沉積到高溫合金基體表面，以達到隔熱和降低工件表面工作溫度的目的。ZrO2（二氧化鋯）是目前較為常用的熱障涂層材料，它具有優(yōu)良的熱學和力學性能。然而熱障涂層在長期的高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)下環(huán)境中也非常容易產(chǎn)生損壞。所以對熱障涂層的定期檢測是保障可以葉片長期服役的必要手段。紅外熱波檢測技術(shù)［3］是一種集熱學、紅外技術(shù)、計算機科學、圖像處理技術(shù)于一體的新興無損檢測技術(shù)，它具有適用面廣、觀測面積大、檢測結(jié)果直觀、單項非接觸等優(yōu)點，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的故障檢測中。

1 常用的無損檢測技術(shù)

由于燃氣輪機的葉片都采用了性能優(yōu)異但價格十分昂貴的鎳基和鈷基超級合金材料以及復(fù)雜的制造工藝，出于經(jīng)濟效益的考慮，對于渦輪葉片的檢測必須采用無損檢測技術(shù)手段。常用的無損檢測技術(shù)［4］有如下幾種。

1.1 超聲檢測

一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，而材料的不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致。聲波在2種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能量大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。一般由反射回來的能量來確定物體的內(nèi)部缺陷。超聲檢測適合于對試件內(nèi)部面積型的檢測，但是對于表面面積型缺陷的檢測則靈敏度偏低。

1.2 渦流檢測

如果給一個線圈通入交流電，在一定條件下通過的電流是不變的。如果把線圈靠近被測工件，就像船在水中那樣，工件內(nèi)會感應(yīng)出渦流，受渦流影響，線圈電流會發(fā)生變化。由于渦流的大小隨工件有沒有缺陷而不同，所以線圈電流變化的大小能反映有無缺陷。渦流檢測對金屬表面或近表面的缺陷有很高的檢出靈敏度，但是對于非金屬的熱障涂層損傷卻無法進行檢測。

1.3 滲透檢測

滲透檢測應(yīng)用液體表面張力對固體產(chǎn)生的浸潤作用，以及液體的相互乳化作用等特性來實現(xiàn)檢測。檢測時將滲透劑涂于被檢試件的表面，當表面有缺陷時，滲透劑將滲透到缺陷中，去除表面多余的部分，再涂以顯像劑，在適當?shù)墓饩€下即可顯示放大了的缺陷圖像的痕跡，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開口缺陷。滲透檢測對于表面的裂紋及涂層損傷的檢測效果比較好，但是工藝耗時較長，檢測效率極低，靈敏度也不高。

2 紅外熱波檢測原理

物體在被加熱后，不同的材料表面及表面下的物理特性和邊界條件（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）將影響熱波的傳輸，并以某種方式在材料表面的溫度場變化反映出來，通過控制熱激勵方法和利用熱像儀探測材料表面的溫度場變化，將可以獲取材料表面及內(nèi)部的信息，從而達到檢測的目的。

從每年全國征兵報名、應(yīng)征入伍的情況看，入伍人員存在男多女少的現(xiàn)象。常州五所高職院校的退役復(fù)學高職生中，男生占93.2%，女生僅占6.8%。這些退役復(fù)學高職生年齡普遍較大，一般比同年級或同班級的學生大2-3歲。而與他們同齡的高職生，要么已經(jīng)在畢業(yè)班就讀，要么已經(jīng)畢業(yè)走上了工作崗位。入伍參軍、退役求學，對退役復(fù)學高職生來說，是寶貴的人生經(jīng)歷。一方面，年齡偏大的退役復(fù)學高職生，由于有豐富的生活經(jīng)驗和軍營閱歷，在關(guān)心和引導(dǎo)同學等方面，能夠起到示范作用，可以潛移默化地影響同學。另一方面，年齡偏大、獨特的軍營生活習慣、所在班級同學已經(jīng)穩(wěn)固的人際關(guān)系，也成為他們?nèi)谌胪瑢W群體、重新適應(yīng)大學生活的阻力[1]。

紅外熱波檢測屬于主動式紅外熱成像檢測技術(shù)的一種。紅外熱波檢測系統(tǒng)［5］一般包括脈沖熱源、紅外熱像儀、圖像分析軟件。在用熱源加熱試件時，紅外熱像儀記錄試件表面溫度場，數(shù)據(jù)分析軟件對紅外圖像進行處理和分析后得到檢測結(jié)果。紅外熱波檢測技術(shù)現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用于航空、航天、電力、大型機械裝備、石油管道、壓力容器等的無損檢測。

2.1 熱輻射原理

斯特藩-玻爾茲曼定律［6］指出，黑體輻射強度和溫度之間滿足如下的關(guān)系式：

式中：M（T）為黑體全波輻射出射度，T為黑體的熱力學溫度，σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。

而實際物體的輻射強度還和構(gòu)成物體材料的性質(zhì)和表面狀況的因素有關(guān)。其輻射強度與溫度的關(guān)系如下：

式中ε（T）為實際物體在溫度T下的全輻射率。

實際物體的發(fā)射率ε（T）與物體的表面狀態(tài)（包括物體表面溫度、表面粗糙度以及表面氧化層、表面雜質(zhì)或涂層的存在）有關(guān)［7］。物體的發(fā)射率通常由實驗得出。金屬的發(fā)射率隨表面溫度的上升而增大［8］，而非金屬的發(fā)射率一般是隨表面溫度的上升而減小。通常來講金屬的發(fā)射率比非金屬的小得多。

在相同溫度的情況下，不同的發(fā)射率對于輻射強度會產(chǎn)生顯著地影響。而隨著溫度的提升，溫度的差距也在不斷地增大。假設(shè)葉片溫度是1 000 K的話，那么按照以上的發(fā)射率來計算，有涂層部分的輻射強度理論上將比無涂層部分的輻射強度高72.7%。不同發(fā)射率造成的輻射強度的不同反應(yīng)到紅外圖像上將形成顯著差異，從而使判斷出缺陷部分。故障葉片紅外輻射示意圖如圖1所示。

圖1 紅外輻射示意圖

與此同時，將葉片加熱到一定溫度后，在其自然冷卻過程中，渦輪葉片熱障涂層受損部分與空氣的熱傳遞速度加快，溫度降低會加快，在紅外圖像中體現(xiàn)出與完好部位的溫度差異。

從以上2個方面來看，由于非金屬的熱障涂層比金屬的葉身發(fā)射率要高，所以相同溫度下在紅外熱像儀所攝入的紅外圖像中熱障涂層脫落部分的亮度應(yīng)該較暗。而在自然冷卻的過程中，熱障涂層損傷部分的的溫度下降比完好部分要快，所以在紅外圖像中熱障涂層損傷部分的亮度與完好部分的亮度差異會加大。

2.2實驗方案設(shè)計

實驗通過激勵源從外部對渦輪葉片進行激勵，使其初始溫度處于較高的點，這樣可以有效地將渦輪葉片圖像和背景相區(qū)分開。實際實驗過程中使用電磁爐對渦輪葉片進行加熱。在加熱后的自然冷卻過程中，利用紅外熱像儀連續(xù)的記錄渦輪葉片的紅外圖像，同時使用紅外輻射測溫儀記錄對應(yīng)紅外圖像的溫度，直到渦輪葉片的紅外圖像幾乎不可見。然后將紅外圖像傳給計算機并使用MATLAB軟件對所得到的圖像進行處理，進而判斷葉片脫落區(qū)域。實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 紅外熱波檢測系統(tǒng)框圖

紅外熱像儀選用武漢高德公司的IR928型紅外熱像儀，其光譜范圍是8～14μm，溫度分辨率0.06℃，空間分辨率1 m rad，紅外測溫儀選用Fluke公司的561型紅外測溫儀，測溫范圍－40～550℃，顯示分辨率0.1℃。

對渦輪葉片進行加工，制造圓形的人工缺陷來模擬熱障涂層的脫落情況。制造的人工缺陷有5處，直徑分別為?＝0.8 mm、?＝1.5 mm、?＝2.0 mm、?＝3.0mm、?＝4.0mm的圓形缺陷。渦輪葉片實物圖如圖3所示。

圖3 渦輪葉片實物圖

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 紅外圖像獲取

溫度較高時，通過紅外熱像儀采集到的紅外圖像序列如圖4所示。從采集到的序列圖像可以看出，最初溫度較高時由于紅外輻射強度較大，無法分辨出其中的缺陷。而在葉片溫度下降的過程中，由于金屬的熱導(dǎo)率比非金屬的熱導(dǎo)率高，熱障涂層本身是絕熱的陶瓷材料，所以熱障涂層脫落部分與空氣的熱交換要比熱障涂層脫落部分要快，在同一時刻，熱障涂層脫落部分的溫度會相對偏低，所以在紅外圖像中熱障涂層損傷部分的亮度與完好部分的亮度差異會加大。從紅外圖像序列可以看出，直徑?＝4.0mm的圓形缺陷最先突顯出來，隨著溫度的下降，直徑?＝2.0mm、?＝3.0mm的圓形缺陷也逐漸顯露出來，最后葉片輻射溫度達到47.0℃時，缺陷的辨識度最高。

圖4 渦輪葉片紅外圖像

而隨著熱交換的進行，渦輪葉片整體溫度下降，渦輪葉片的溫度更接近室溫，使葉片有缺陷部分與無缺陷部分整體的灰度值下降，這時所采集到的紅外圖像序列如圖5所示。

圖5 渦輪葉片紅外圖像灰度分布圖

可以看出的是在使用熱圖像法檢測渦輪葉片涂層脫落時，紅外圖像序列中涂層脫落部分的灰度值與未脫落部分的灰度值的差異是一個先增加后減小的過程。缺陷的最佳辨識時間是紅外熱波檢測的中間時段。在采集到的紅外圖像序列中，葉片溫度為47℃時，直徑?＝2.0 mm、?＝3.0 mm、?＝4.0 mm的3個圓形缺陷基本可以辨識清楚，?＝1.5 mm的缺陷相對來說比較模糊，而?＝0.8 mm的缺陷基本無法辨識。熱圖像法直接生成的紅外圖像并不利于對于缺陷的辨識，對于直徑較小的缺陷辨識度不高，需要通過圖像處理手段增強缺陷的辨識度。

3.2 紅外圖像中缺陷辨識度增強

缺陷識別度增強選取的原始圖像為紅外圖像序列中最為清晰的葉片溫度在47℃的紅外圖像。其中脫落部分與完好部分的平均灰度差由15～60逐漸增加。

3.2.1 偽彩色圖像變換

偽彩色圖像增強技術(shù)利用人眼對于彩色圖像的高分辨能力，將灰度圖像按照一定的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為彩色圖像，從而提高對于圖像細節(jié)的識別能力。采用彩虹碼2對渦輪葉片原始紅外圖像進行偽彩色編碼。編碼曲線如圖6所示，偽彩色增強效果如圖7所示。從顯示效果來看，彩虹碼增強了對于缺陷的識別能力，變換后所有尺寸的缺陷都清晰可見。

圖6 渦輪葉片紅外圖像灰度分布

圖7 彩虹碼偽彩色增強

3.2.2 邊緣檢測

對于渦輪葉片檢測所得的紅外圖像，其中的涂層脫落部分灰度值與未脫落部分灰度值有明顯的差異，利用邊緣檢測技術(shù)來檢測涂層脫落部分灰度值與未脫落部分中間的灰度突變，以達到增加缺陷識別度的效果。

Canny算法是Canny于1986年開發(fā)出來的多級邊緣檢測算子，具有檢測精度高、邊緣封閉性、抗噪聲能力強等特點，是性能優(yōu)異的檢測算法。Canny算法好包含許多可以調(diào)整的參數(shù)，包括高斯系數(shù)σ以及高低閾值THh、THl。較小的高斯系數(shù)σ產(chǎn)生的模糊效果也較少，這樣就可以檢測較小、變化明顯的細線。較大的高斯系數(shù)σ產(chǎn)生的模糊效果也較多，這樣對于檢測較大、平滑的邊緣更加有效。此外閾值對于檢測結(jié)果影響同樣顯著。Canny算法使用2個閾值，對于渦輪葉片涂層脫落缺陷的檢測，高閾值確定圖像檢測的主要邊緣，低閾值進行補充，所以高閾值對于缺陷檢測的影響較大，低閾值則影響較小。圖8為高斯系數(shù)σ＝1.0、THh＝0.06、THl＝0.01的檢測效果?？梢钥闯鲈诤线m的選取Canny算法參數(shù)的情況下，使用Canny算法可以有效的檢測出渦輪葉片紅外圖像中的缺陷邊緣。

圖8 Canny算子檢測效果

4 結(jié)束語

本文使用紅外熱波檢測方法對渦輪葉片熱障涂層脫落進行檢測。首先對葉片進行加熱，通過紅外熱像儀獲取葉片的紅外圖像序列，使用偽彩色圖像增強以及邊緣檢測技術(shù)增加對于缺陷的識別度。經(jīng)過試驗驗證，本檢測方法最小可以分辨?＝0.8 mm的熱障涂層脫落，基本可以滿足實際生產(chǎn)中的檢測需求。同時紅外熱波檢測手段具有檢測速度快，準確度高等優(yōu)點。對于渦輪葉片熱障涂層損傷的自動檢測發(fā)展具有十分重要的意義。

［1］衛(wèi)海洋，徐敏，劉曉曦.渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)［J］.飛航導(dǎo)彈，2012（2）：61-64.

［2］文生瓊.熱障涂層在航空發(fā)動機渦輪葉片上的應(yīng)用［J］.燃氣渦輪實驗與研究，2009，22（1）：59-62.

［3］夏紀真.無損檢測導(dǎo)論［M］.廣州：中山大學出版社，2010：134-135.

［4］周樂，張志文.無損檢測及其新技術(shù)［J］.重慶工學院學報，2006，20（8）：46-48.

［5］謝興盛.紅外熱波無損檢測技術(shù)在渦輪葉片探傷中的應(yīng)用［J］.紅外技術(shù)，2007，29（9）：552-555.

［6］曹鼎漢.斯特藩-玻爾茲曼定律及其應(yīng)用［J］.紅外技術(shù)，1994，16（3）：46-48.

［7］熊兵.航空發(fā)動機渦輪葉片發(fā)射率測量［J］.燃氣渦輪實驗與研究，2011，24（2）：45-48.

［8］肖斌安，龔烈航，曾銳.金屬紅外發(fā)射率的分析和仿真研究［J］.紅外技術(shù)，2008，30（6）：358-360.

［9］MARKHAM JR，LATVAKOSKIH M，F(xiàn)RANK S L F，et al.Simultaneous short and long wavelength infrared pyrome-termeasurements in a heavy-duty gas turbine［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2002，124（3）：528-533.

［10］張斌，賀賽先.基于Canny算子的邊緣提取改善方法［J］.紅外技術(shù)，2006（3）：165-169.

［11］寧麗敏.葉片溫度場分析與計算［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011：49-60.

App lications of the infrared thermal wave technology in thermal barrier coating testing

FENG Chi，HUA Xiang
College of Information and Communications Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A gas turbine blade is alwaysworking in a high temperature，high pressure and high speed rotating envi-ronment.The thermal barrier coating of the turbine blade is easy to be broken.If thermal barrier coating falls off，it will have a great influence on the service life of the turbine blade.The infrared thermal inspection technology is dif-ferent from the traditional infrared inspectionmethods.Itactively controls and drives the heat source to heat the tur-bine blade.Then the infrared image with thermal barrier fell off can be got by infrared thermal imager.And in the mean time the pseudo-colorenhancement technology and edge detection technology are used to enhance the capabil-ities of distinguishing thermal barrier coating defect in the infrared image.The experimental results show that this technology can fastly and accurately ascertain the size and location where the thermal barrier coating falls off.

infrared thermalwave；non-destructive testing；turbine blade；thermal barrier coating；pseudo-color en-hancement；Canny operator

TM461

：A

：1009-671X（2015）01-015-04

10.3969／j.issn.1009-671X.2013120007

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150118.1255.001.htm l

2013-12-17.

日期：2015-01-18.

馮馳（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師；滑翔（1989-），男，碩士研究生.

馮馳，E-mail：fengchi＠hrbeu.edu.cn.