基于渦流法的航空發(fā)動機關(guān)鍵部件熱障涂層厚度測量試驗研究

肖力偉 ， 謝建紅 ， 宋 凱 ,*， 趙本勇 ， 崔西明

（1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著航空發(fā)動機的飛速發(fā)展，其關(guān)鍵部件需具有極好的耐高溫、抗腐蝕性以及良好的抗熱氧化等性能的防護涂層[1-3]。熱障涂層（Thermal barrier coating，簡稱TBC）作為目前高溫防護性能最佳的防護涂層之一，在極其惡劣的環(huán)境下能保護基體材料的性能，一般采用少量氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯作為陶瓷表層和MCrAlY（M 為Co、Ni、Fe 或者Ni Co）金屬粘接層作為底層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)[4-9]。對于航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，若涂層過薄，則對基體材料的保護效果不佳；若涂層過厚，將會導(dǎo)致材料內(nèi)部的應(yīng)力過大，涂層與基體材料之間的結(jié)合強度偏低，使得涂層容易脫落；因此，精確測量TBC 厚度對航空發(fā)動機安全運行具有重要的研究意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對于渦流法涂層測厚方面開展了大量的研究，取得了不少研究成果。R?per.F[10]建立了具備非鐵磁性金屬薄層測厚和電導(dǎo)率測量功能的系統(tǒng)，針對10～200 μm 的金屬薄層進行仿真和測量試驗，結(jié)果表明兩者的試驗結(jié)果很吻合。Bihan.Y.L[11]研究了多層厚度檢測中的多參數(shù)檢測，并研究了三維有限元法在厚度計算中的應(yīng)用。李長青等[12]利用渦流法針對25～250 μm 的鋁薄層和25～500 μm 的不銹鋼薄層進行測量試驗，試驗表明,選用適當(dāng)?shù)牡皖l用渦流法可有效對非鐵磁性金屬薄層進行測量。張莉萍等[13]采用Labview 軟件并結(jié)合電渦流傳感器研制了渦流測厚系統(tǒng)，實現(xiàn)單層涂層厚度的測量，獲得較好的測量結(jié)果。以上研究的渦流測厚系統(tǒng)大多對單層涂層厚度具有較好的測量結(jié)果，而測量多層涂層厚度時采用的算法過于復(fù)雜，并不適用于工業(yè)上的實際測量。

本研究針對航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的雙層涂層厚度開展測量，研制彈壓式渦流測厚探頭，分析TBC 結(jié)構(gòu)中粘接層與陶瓷層厚度對電壓幅值的影響規(guī)律，基于多頻多參數(shù)渦流測量方法構(gòu)建反演模型，并將模型反演結(jié)果與實測結(jié)果進行對比驗證，以實現(xiàn)TBC 厚度的有效測量。

1 熱障涂層多頻多參數(shù)渦流法測厚原理

圖1 渦流檢測原理圖Fig.1 Principle of eddy current testing

當(dāng)通有交變電流的線圈靠近涂覆有TBC 被測工件時，如圖1 所示，在電磁感應(yīng)的作用下，當(dāng)線圈接近被測工件時，被測工件感生出與交變磁場B1垂直的感應(yīng)渦流I2，I2會產(chǎn)生與交變磁場B1反向的次級磁場B2，B1、B2疊加形成合磁場，進而在線圈中誘發(fā)的電壓與被測涂層的厚度、電導(dǎo)率等自身參數(shù)相關(guān)。對于金屬基體涂覆的單層涂層，直接在單一頻率的激發(fā)下利用渦流法的提離效應(yīng)即可測量涂層厚度，而航空發(fā)動機關(guān)鍵部件涂覆的TBC 為雙層涂層，單一頻率渦流法已經(jīng)無法識別各涂層的厚度，需要采用多頻多參數(shù)方法測量。多頻多參數(shù)法是將多個頻率的激勵信號作用在渦流傳感器上，提取多個頻率的測量信號，通過對測量信號的處理獲得需測量的多個參數(shù)，即對渦流傳感器施加n 個不同的激勵頻率，獲得n 個獨立方程，通過n 個獨立方程反演n 個待測參數(shù)。對于TBC 材料厚度的測量，需采用雙頻率激勵方式，則可實現(xiàn)雙層涂層厚度測量。如圖2 所示，設(shè)激勵頻率分別為f1、f2，陶瓷層和粘接層的厚度分別為h1、h2，熱障涂層厚度變化會引起電壓幅值的改變，其存在線性影響規(guī)律。

圖2 TBC 厚度的多頻測量模型Fig.2 Multi-frequency measurement model of TBC thickness

當(dāng)激勵頻率為f1時，TBC 厚度渦流響應(yīng)幅值U1可表示為：

式中，kx、ux分別為陶瓷層厚度變化引起的渦流信號幅值斜率和截距。

式（1）中的kx、ux可表示為：

式中：k1、b1分別為kx的斜率與截距；k2、b2分別為ux的斜率與截距。

將式(2)、式(3)代入式(1)，可得：

類似地，當(dāng)激勵頻率為f2時，ky和uy為陶瓷層厚度變化引起的渦流信號幅值斜率和截距，可獲得陶瓷層厚度h1和粘接層厚度h2的渦流響應(yīng)幅值：

式中，k3、b3、k4、b4分別為ky的斜率與截距及uy的斜率與截距。

由式（4）、式（5）可得到一個二元二次方程組，求解該方程組即可獲得陶瓷層厚度h1和粘接層厚度h2。

2 試驗過程

2.1 試驗材料

試塊基體為高溫合金GH1140，粘接層材料為NiCrAlY，采用等離子噴涂技術(shù)制備，表面涂層為陶瓷層，材質(zhì)為ZrO2。陶瓷層材質(zhì)不具有導(dǎo)電性，測量時可利用標(biāo)準(zhǔn)薄膜片替代，標(biāo)準(zhǔn)薄膜片如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)薄膜片F(xiàn)ig.3 Standard film sheet

試塊分3 種類型：類型1 為不含涂層的基體試塊（1#試塊），用于基體測試標(biāo)定；類型2 為含粘接層試塊（2#～7#），粘接層厚度通過控制NiCrAlY噴涂量形成，依次為100、120、140、160、180、200 μm，用于熱障涂層的粘接層標(biāo)定；類型3 為含粘接層試塊（8#～10#），粘接層厚度未知，可對熱障涂層進行測量驗證，如圖4a 所示。試塊為正方形，其有效區(qū)域為60 mm×60 mm，粘接層有效區(qū)域為60 mm×42 mm，把粘接層等量劃分為3 個區(qū)域，測量時進行分區(qū)測量，如圖4b 所示。

圖4 對比試塊及測試區(qū)域Fig.4 Test block and its coating measurement area

試塊基體、粘接層屬導(dǎo)電材質(zhì)，基體電導(dǎo)率利用Auto-Sigma3000DL 便攜式電導(dǎo)儀常規(guī)頻率測量結(jié)果為0.8 Ms/m，粘接層附屬在基體上，難以單獨測量，選用如圖4a 所示的2#～10#粘接層試塊，其平均測量結(jié)果為0.82 Ms/m，與基體電導(dǎo)率相比增大了0.02 Ms/m，說明粘接層具有一定的導(dǎo)電性。

2.2 渦流法測量系統(tǒng)與方法

涂層測厚儀主要由函數(shù)發(fā)生器、前置放大相敏檢波、平衡濾波、數(shù)字相位旋轉(zhuǎn)、可增益放大、計算機和渦流傳感器組成，如圖5 所示。為避免探頭的提離效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，研制彈壓式渦流測厚探頭，線圈排布如圖6 所示，其中磁芯為錳鋅鐵氧體，平衡線圈和檢測線圈的參數(shù)一致，線圈匝數(shù)為200 匝，線徑為0.1 mm，線圈內(nèi)外徑分別為3.0、5.0 mm，線圈高度為3.0 mm，兩線圈的間距為1.5 mm，探頭的具體參數(shù)見表1，探頭的實物圖如圖7 所示。

圖5 渦流測量系統(tǒng)Fig.5 Eddy current measurement system

圖6 探頭類型Fig.6 Probe type

圖7 渦流探頭Fig.7 eddy current probe

由于TBC 是雙層涂層結(jié)構(gòu)，故采用雙頻激勵的方式，試驗選用150、200、250 kHz 的激勵頻率，利用不同厚度的粘接層和標(biāo)準(zhǔn)薄膜片進行組合的方式進行線性擬合，將粘接層厚度作為影響標(biāo)準(zhǔn)薄膜片厚度測量擬合函數(shù)斜率及截距因素，選取2 個最佳激勵頻率為測量頻率，對TBC 厚度進行測量。

表1 線圈參數(shù)Table 1 Coil parameters

2.3 多頻多參數(shù)渦流法測厚試驗

試塊粘接層厚度為0.10～0.20 mm（間隔0.02 mm），陶瓷層厚度為0.10～0.45 mm（間隔0.05 mm），開展測試試驗提取渦流探頭電壓幅值，保持粘接層厚度不變，在150、200、250 kHz 激勵頻率下，獲得關(guān)于電壓幅值與標(biāo)準(zhǔn)薄膜片的擬合直線，如圖8～圖10 所示。

從圖8～圖10 可以看出：當(dāng)激勵頻率為200 kHz 時，在粘接層厚度為0.16～0.20 mm 時，其斜率擬合的線性度不高，故不選其作為測量頻率；當(dāng)激勵頻率為150、250 kHz 時，其擬合函數(shù)有較高的線性度，在粘接層的厚度固定的條件下，電壓幅值隨著陶瓷層厚度的遞增而增加；同時，隨著粘接層的厚度的增加，電壓幅值隨陶瓷層厚度變化擬合函數(shù)的斜率減小，但其擬合函數(shù)的截距增大。

當(dāng)激勵頻率為150 kHz 時，TBC 厚度反演函數(shù)為：

當(dāng)激勵頻率為250 kHz 時，TBC 厚度反演函數(shù)為：

選取厚度值為300（薄膜1）、325（薄膜2）、350（薄膜3）μm 的標(biāo)準(zhǔn)薄膜片，用以模擬試塊的陶瓷層，分別放置在8#、9#、10#試塊的粘接層上。在區(qū)域I、II、III 分別選取一個測量點，坐標(biāo)依次為(30，10)、(30，20)、(30，30)，驗證涂層厚度的均勻性，電壓幅值的測量結(jié)果如圖11 所示。將每個區(qū)域所得的平均幅值代入式（1）、式（2）中，獲得粘接層h1和陶瓷層h2的厚度，如圖12 所示。

圖8 在150 kHz 頻率下熱障涂層厚度測量結(jié)果Fig.8 Measurement results of TBC thickness at 150 kHz

圖9 在200 kHz 頻率下熱障涂層厚度測量結(jié)果Fig.9 Measurement results of TBC thickness at 200 kHz

圖11 不同區(qū)域TBC 厚度的電壓值Fig.11 Voltage value of TBC thickness in different areas

從圖11、圖12 可以看出，3 種TBC 試塊區(qū)域I～III 的電壓幅值較穩(wěn)定，其反演的粘接層厚度和陶瓷層厚度波動范圍較小，波動范圍在±3 μm 以內(nèi)，證明各個區(qū)域涂層分布較均勻。

2.4 測量結(jié)果對比

圖12 模型反演的TBC 厚度Fig.12 TBC thickness of model inversion

為驗證多頻多參數(shù)渦流法測量的精準(zhǔn)度，利用掃描電鏡對8#～10#試塊的粘接層厚度進行測量。試塊沿圖4b 虛線進行線切割，取虛線側(cè)面的區(qū)域I～III 進行掃描電鏡的測量試驗，每個試塊各區(qū)域分別取1 個測量點，共9 個點。測量方法及結(jié)果如圖13 所示，將各個區(qū)域的測量結(jié)果和掃描電鏡的測量結(jié)果分別取平均值，以此作為試塊粘接層的實際厚度與多頻多參數(shù)渦流檢測法的測量結(jié)果進行對比。試塊粘接層和薄膜的測量結(jié)果及其誤差如表2 所示。

圖13 掃描電鏡的測量結(jié)果Fig.13 SEM measurement results

表2 測量結(jié)果及其誤差Table 2 Meaurement results and their errors

從表2 可知，多頻多參數(shù)渦流法的粘接層反演結(jié)果與掃描電鏡的測量結(jié)果基本一致，其相對誤差小于15%，陶瓷層的反演結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)薄膜片厚度大致相同，其相對誤差小于10%，故使用多頻多參數(shù)渦流法可實現(xiàn)區(qū)分粘接層和陶瓷層的厚度，并對TBC 厚度的測量有較高測量精度。

3 結(jié)論

1）采用研制的彈壓式渦流測厚探頭，提升測厚探頭的穩(wěn)定性，進而由TBC 材料的測量數(shù)據(jù)線性擬合的結(jié)果選取最佳激勵頻率為150、250 kHz，多頻多參數(shù)渦流法可對熱障涂層厚度有效測量。

2）對比多頻多參數(shù)渦流法與電子顯微鏡法測量結(jié)果，粘接層的相對誤差小于15%，陶瓷層的相對誤差小于10%，其相對誤差均在測試允許范圍內(nèi)，故多頻多參數(shù)渦流法對TBC 厚度的測量具有較高的精度。

3）多頻多參數(shù)渦流法可用于測量TBC 結(jié)構(gòu)中各層涂層厚度，也可驗證涂層厚度的均勻性，為TBC 的噴涂工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。