紅外熱波技術(shù)在熱障涂層厚度檢測上的應(yīng)用研究

李永君，肖俊峰，朱立春，張 炯，高斯峰，唐文書，南 晴

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紅外熱波技術(shù)在熱障涂層厚度檢測上的應(yīng)用研究

李永君，肖俊峰，朱立春，張 炯，高斯峰，唐文書，南 晴

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

為快速準確地測量熱障涂層厚度，采用基于熱圖序列特征時間的閃光燈激勵紅外熱波測量方法，通過建立半無限大和有限厚度兩種平板傳熱模型，提出根據(jù)熱障涂層表面溫度對數(shù)曲線線性回歸時間選擇二階微分曲線負峰值時間的方法，解決了采用普通幀頻熱像儀采集的涂層表面溫度曲線二階微分負峰較多，無法確定特征峰值時間的困難，熱障涂層厚度測量相對誤差小于10%，滿足工程應(yīng)用要求。

熱障涂層；紅外熱波；熱圖序列；厚度測量

0 引言

熱障涂層是目前最為先進的高溫防護涂層之一，具有良好的隔熱效果和抗氧化性能，被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機熱通道部件（如透平葉片，燃燒室等）表面防護中。其中涂層厚度是表征熱障涂層質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)指標，它關(guān)系到涂層的使用壽命、結(jié)合強度、不均勻內(nèi)應(yīng)力和制造成本等的評估和計算[1-2]。

目前，熱障涂層厚度測量方法包括有損和無損檢測2種，有損檢測具有破壞性且測量數(shù)據(jù)較片面[3]。無損檢測主要有渦流法、超聲波法和紅外法等。渦流法機理為提離效應(yīng)，受粘結(jié)層特性影響較大[4-5]；超聲波法需提取超聲回波頻域信號中2相鄰諧振頻率差來計算涂層厚度，諧振頻率干擾因素較多，測量準確度難以保證，且步驟復(fù)雜[6]，上述2種方法均不適合非接觸快速檢測。

紅外熱波技術(shù)具有非接觸、快速、觀測面積大、準確率高等優(yōu)勢，非常適合外場在線檢測。目前國內(nèi)外學者采用紅外熱波技術(shù)進行涂層測厚一般均基于涂層表面溫度序列的對數(shù)二階微分曲線峰值時間（即熱圖序列特征時間）進行推導(dǎo)。如Shepard S M[7]等人利用高幀（180Hz）熱像儀，基于熱圖序列特征時間，對熱障涂層厚度進行測量，但高幀熱像儀成本極高，工業(yè)應(yīng)用較少。陶勝杰[8]等人采用普通幀頻（50Hz）熱像儀，對丙烯酸黑色漆涂層進行厚度檢測，誤差≤7%。但由于熱障涂層為非嚴格各向同性均質(zhì)體，具有半透明性，且表面粗糙度較高，當采用普通幀頻熱像儀進行檢測時，存在熱圖溫度二階微分曲線負峰較多，特征時間難以選取的困難。

因此，本文利用普通幀頻（60Hz）熱像儀結(jié)合閃光燈激勵紅外熱波技術(shù)，基于熱圖序列特征時間，通過理論模型分析和實驗驗證相結(jié)合的方法，對高溫合金基體上熱障涂層厚度進行測量研究，探索其可行性，以期其檢測誤差滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

1 實驗設(shè)備及試樣設(shè)計

本實驗采用美國TWI公司的Echo Therm紅外熱波檢測系統(tǒng)，主要包括熱像儀、熱激勵系統(tǒng)、計算機及專用控制軟件、圖像采集和處理系統(tǒng)。熱像儀為FLIR公司的Therma-CAMSC3000焦平面制冷型熱像儀，圖像大小為320×240像素，響應(yīng)波段為8～9mm，采集幀頻為60Hz，采集時間為15s，熱靈敏度為20mK；熱激勵系統(tǒng)為兩個4.8kJ的閃光燈，光脈沖寬度為2ms；使用日本電子株式會社的JSM-6360型掃描電鏡觀察涂層厚度；涂層試樣為雙層熱障涂層結(jié)構(gòu)，里層粘結(jié)層成分為Ni-22Cr-9Al-37Co-0.5Y，表層陶瓷層成分為7～8wt%Y2O3穩(wěn)定ZrO2，基體合金為K438鎳基高溫合金，厚度為15mm。在涂層表面噴涂一層水溶性黑漆，以增加表面對可見光的吸收以及表面的紅外輻射，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試樣1、試樣2、試樣3和試樣4粘結(jié)層設(shè)計厚度相同，均為150mm。陶瓷層設(shè)計厚度相差較大，試樣1到試樣4陶瓷層厚度依次增加，分別為100、150、200和400mm，粘結(jié)層和陶瓷層均采用大氣等離子噴涂工藝制備。

圖1 涂層結(jié)構(gòu)示意圖

2 紅外熱波檢測涂層厚度原理

2.1 半無限大平板傳熱分析

對半無限大平板材料，如圖2[9-10]所示，代表單位面積的總熱量，熱源瞬時作用在平板表面上，由于是平板表面，只考慮熱量在厚度方向上的一維傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)方程的一維形式為：

公式(1)的解為：

將公式(2)兩邊取自然對數(shù)，得到：

式中：Q為熱量；a為熱擴散系數(shù)；C為比熱容；k為熱擴散系數(shù)；T為溫度；t為時間。根據(jù)公式(3)可知，在對數(shù)坐標里，半無限大平板受脈沖激勵后表面溫度隨時間呈斜率為－0.5的線性變化[9]。

2.2 有限厚度平板傳熱分析

對厚度為的均質(zhì)平板材料，如圖2(b)所示，對其表面施加一瞬時脈沖熱源，脈沖能量在試件表面較小深度范圍內(nèi)被吸收，時刻溫度分布可寫為：

令＝p2t/2，在對數(shù)坐標下對公式(5)求解二階導(dǎo)數(shù)，得到：

對公式(5)求解一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，得到：

將公式(7)和(8)代入公式(6)中，求解公式(6)對應(yīng)的峰值時間為：

從公式(9)可以看出，當被測平板厚度一定時，厚度的平方與其表面對數(shù)溫度的二階微分峰值時間成正比，比例系數(shù)由平板材料的熱擴散系數(shù)確定[10]。對于本實驗中熱障涂層試樣，由于粘結(jié)層設(shè)計厚度相近，且粘結(jié)層成分與基體合金相近，二者導(dǎo)熱特性相差不大[11]，故假設(shè)粘結(jié)層和基體為一整體，只分析不同厚度陶瓷層的傳熱特性。對于一定厚度的陶瓷涂層，傳熱特性類似有限厚度的平板模型，只要在特定已知涂層厚度的試樣上測量不同的二階微分峰值時間peak，擬合換算得到值。然后通過測量未知涂層厚度的試樣peak值，就可以根據(jù)公式(9)求得涂層厚度值。

3 實驗檢測結(jié)果及分析

3.1 涂層厚度紅外熱波檢測結(jié)果

1）熱圖檢測結(jié)果

涂層試樣的檢測熱圖如圖3所示。結(jié)果表明，在第1幀，＝0.017s時，4塊試樣灰度呈現(xiàn)明顯差別，以灰度表示的熱圖中，通常亮度越高溫度越高，即4塊試樣呈現(xiàn)的溫度場不一樣，這是由于涂層的厚度不同導(dǎo)致涂層受熱激勵后熱量傳導(dǎo)不一致，反射到表面的熱波強度不同。在第100幀，＝1.668s時，4塊樣基本沒有明顯的灰度差別，即熱量從涂層傳到基底后達到熱平衡狀態(tài)，表面溫度大體無差異。

圖3 涂層試樣檢測熱圖結(jié)果

2）熱圖序列特征時間提取

為了減小熱像儀的溫度噪聲，提高數(shù)據(jù)精度，選擇大小為3×3像素的一塊小區(qū)域，把相應(yīng)小區(qū)域內(nèi)所有點的溫度取均值后進行歸一化，做出不同厚度熱障涂層表面的溫度曲線，如圖4所示。結(jié)果表明，初始時脈沖激勵作用使4塊涂層表面都獲得了較高的溫度，表面溫度會在一個非常短時間內(nèi)快速下降，最后，降至室溫，4條曲線逐漸重合在一起。

圖5和圖6分別為溫度-時間對數(shù)曲線和其二階微分曲線。結(jié)果表明，二階微分曲線的峰值時間較多，且同時出現(xiàn)多個正峰和負峰，難以判別peak具體時間。分析主要有3個原因：一是本實驗熱像儀的采集頻率最高為60Hz，所以溫度采集不可避免出現(xiàn)時間間隙，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波動，峰值較多，無法完全符合理論值；二是理論曲線是建立在一維的熱傳導(dǎo)模型基礎(chǔ)上，由于熱障涂層并不是嚴格的各向同性均質(zhì)體，結(jié)構(gòu)中存在大量微孔洞、夾雜物等，因此，不可避免地受三維熱擴散的影響，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波動；三是紅外檢測時會受到環(huán)境溫度、氣流干擾影響，溫度曲線會出現(xiàn)波動現(xiàn)象。所以，需要結(jié)合溫度-時間對數(shù)曲線來綜合判斷peak具體時間。

圖4 涂層試樣表面溫度-時間曲線

圖5 涂層試樣表面溫度-時間對數(shù)曲線

圖6 涂層試樣表面溫度-時間二階微分曲線

由圖6知，試樣1溫度-時間二階微分曲線沒有明顯的負峰值出現(xiàn)，這是由于試樣1涂層厚度較小，傳熱加速的負峰值時間較短，本實驗熱像儀采集幀頻為60Hz，難以采集到該試樣的細微溫度變化信息。據(jù)Shepard S M等[7]的研究推薦，當熱障涂層陶瓷層厚度小于45mm時，需采用幀頻大于180Hz的熱像儀。

試樣1涂層厚度較小，近似基體合金傳熱現(xiàn)象，符合半無限大平板傳熱模型，溫度-時間對數(shù)曲線按斜率近似為－0.5線性變化，如公式(3)和圖5所示。當基體合金表面有涂層材料時，熱量傳導(dǎo)符合有限厚度平板傳熱模型，熱波在涂層界面發(fā)生反射，對應(yīng)表面溫度-時間對數(shù)曲線偏離線性變化，厚度越大，表面溫度越高，線性偏離越大。當傳熱到涂層/基體界面處時，轉(zhuǎn)變?yōu)榘霟o限大平板傳熱模型，表面溫度-時間對數(shù)曲線趨于線性，該線性回歸時間也正是對數(shù)二階微分曲線的加速傳熱峰值時間。因此，對于存在多個負峰值時間的二階微分曲線，需選取的負峰值時間（圖6中3條豎直虛線）應(yīng)與對數(shù)曲線的線性回歸時間（圖5中3條豎直虛線）相接近，各試樣的負峰值時間選取結(jié)果如表1所示。

3.2 涂層厚度掃描電鏡檢測結(jié)果

對不同厚度涂層試樣的3×3像素區(qū)域縱向切割后制備掃描電鏡試樣進行厚度測量，如圖7所示。結(jié)果表明，試樣涂層厚度較均勻，粘結(jié)層/基體以及陶瓷層/粘結(jié)層界面結(jié)合良好。對區(qū)域內(nèi)按順序等距離選取的5個位置進行陶瓷層和粘結(jié)層厚度測量，結(jié)果如表2所示，4個試樣陶瓷層厚度相差較大，粘結(jié)層厚度接近，與實驗設(shè)計相符。

3.3 厚度檢測結(jié)果對比

令公式(9)中的1/(p)＝，則寫為：

peak＝2(10)

據(jù)Zhao等[13]的研究推薦，值一般取7.793×10－6，將表2中的峰值時間代入公式(10)，得出不同試樣陶瓷層厚度值，如表3所示。結(jié)果表明，采用閃光燈激勵紅外熱波法測量的熱障涂層陶瓷層厚度與實際厚度相比，相對誤差均小于10%，滿足工程應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

采用普通幀頻（60Hz）熱像儀結(jié)合閃光燈激勵紅外熱波技術(shù)，對高溫合金基體上熱障涂層陶瓷層厚度進行測量。基于熱圖序列特征時間，根據(jù)熱障涂層表面溫度對數(shù)曲線線性回歸時間選擇二階微分曲線負峰值特征時間，測量結(jié)果與實際厚度對比，相對誤差小于10%，滿足工程應(yīng)用需求?？梢娎瞄W光燈激勵紅外熱波法檢測熱障涂層厚度技術(shù)可行，具有非接觸、觀測面積大、設(shè)備輕巧便攜、測量數(shù)據(jù)準確可靠等優(yōu)點，適合現(xiàn)場在役檢測，具有巨大的應(yīng)用價值和推廣前景。

表1 溫度-時間對數(shù)二階微分曲線負峰值時間

圖7 涂層掃描電子顯微鏡圖

表2 涂層厚度掃描電鏡測量值

表3 陶瓷層測量厚度對比

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Applications of the Infrared Thermal Wave Technology in Thermal Barrier Coating Thickness Testing

LI Yongjun，XIAO Junfeng，ZHU Lichun，ZHANG Jiong，GAO Sifeng，TANG Wenshu，NAN Qing

(,,710054,)

In order to measure the thermal barrier coating thickness efficiently and accurately, infrared flash thermography technology based on thermal image characteristic time was adopted. A method to choose the negative peak time of the second-order differential curve according to the linear regression time of the thermal barrier coating surface temperature log curve was proposed by establishing a half-infinite and finite-thickness plate heat transfer model. The problem of inability to determine the negative peak time because of multiple negative peaks of second-order differential curve using common-frame-frequency thermal imager was solved. The relative measurement error of coating thickness was less than 10% and it meets the requirements of engineering applications.

thermal barrier coating，infrared thermal wave，thermal image，thickness measurement

TN219

A

1001-8891(2017)07-0669-06

2016-10-28；

2017-06-22.

李永君（1987-），男，碩士，工程師，主要從事紅外檢測技術(shù)方面的研究。E-mail：lee19870914 @163.com。

肖俊峰（1974-），男，研究員，主要從事汽輪機及燃氣輪機相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：xiaojunfeng@tpri.com.cn。

華能集團總部科技項目（HNKJ15-H05）；國家自然科學基金（51501151）。