渦輪葉片熱障涂層減薄缺陷的微波掃頻定量檢測(cè)*

王若男,李 勇,2,回沛林,2,郭 威,陳振茂,武永卓

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710049；2.無損檢測(cè)技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建技術(shù)師范學(xué)院,福建 福清 350300；3.斯坦德檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司,山東 青島 266000)

0 引 言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中,渦輪葉片的工作壞境惡劣、應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,尤其是工作溫度極高,因此,提高渦輪葉片耐高溫能力尤為重要。提高耐熱性能的主要手段之一是在葉片表面采用熱障涂層技術(shù),所制備獲得的熱障涂層系統(tǒng)包括陶瓷表面涂層(top coating,TC)、粘接層(bond coa-ting,BC)和合金基體(alloying body)。其中,陶瓷表層和中間粘接層構(gòu)成的“熱障涂層(thermal barrier coating,TBC)”是渦輪葉片的關(guān)鍵熱障結(jié)構(gòu)之一,能夠顯著提升渦輪葉片的耐高溫性、抗腐蝕性、斷裂韌性以及熱端部件的換熱效率[1],其制備技術(shù)多為等離子噴涂與物理氣相沉積技術(shù)[2]。熱障涂層減薄缺陷是由環(huán)境沉積物顆粒在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部,對(duì)渦輪葉片表面沖刷侵蝕所形成[3],該缺陷是造成熱障涂層結(jié)構(gòu)過早失效的典型成因之一。因此,對(duì)熱障涂層減薄缺陷實(shí)施定期有效的無損檢測(cè)手段對(duì)保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性及正常工作，避免重大安全事故具有極為重要的意義?，F(xiàn)今,對(duì)熱障涂層進(jìn)行無損檢測(cè)的主要無損檢測(cè)技術(shù)有：超聲檢測(cè)技術(shù)[4],聲發(fā)射技術(shù)[5],紅外熱成像技術(shù)[6]等,然而,這些檢測(cè)方法對(duì)熱障涂層的實(shí)際檢測(cè)均存在著一定的局限性。例如,超聲檢測(cè)需要耦合劑、存在檢測(cè)盲區(qū)；聲發(fā)射易受機(jī)電、環(huán)境噪聲干擾；因熱障涂層的熱導(dǎo)率較低而造成紅外檢測(cè)精度偏低等。

在空間傳播的微波在異質(zhì)界面處將發(fā)生反射、透射和散射,所形成的反射波、透射波等會(huì)隨著被測(cè)材料介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和缺陷尺寸的改變而發(fā)生變化。微波檢測(cè)是通過測(cè)量和分析微波變化特征量來獲取材料、結(jié)構(gòu)缺陷信息的一種電磁無損檢測(cè)方法,該方法具有靈敏度高，檢測(cè)頻帶寬，穿透力強(qiáng)，非接觸，無污染，無電離輻射等優(yōu)勢(shì)[7]。有鑒于此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波檢測(cè)結(jié)構(gòu)和材料缺陷進(jìn)行了相關(guān)研究?；嘏媪值热瞬捎肒a波段喇叭天線,實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料局部損傷缺陷的高精度成像[8]。微波檢測(cè)在熱障涂層缺陷的研究方面也有一定進(jìn)展,文獻(xiàn)[9]利用X波段的矩形波導(dǎo)驗(yàn)證了反射系數(shù)相位可對(duì)熱障涂層孔隙率進(jìn)行表征。Firdaus A J K M等人利用Ka波段矩形波導(dǎo)對(duì)熱障涂層下的合金基體表面裂紋與孔洞進(jìn)行了掃描成像[10]。此外,由微波檢測(cè)發(fā)展而來的太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)也被成功應(yīng)用于熱障涂層厚度預(yù)測(cè)[11]。

同軸探頭相較于喇叭天線和矩形波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)包括有檢測(cè)靈敏度高、工作頻帶寬、能耗低等。Wang P等人利用同軸探頭在24.8 GHz下對(duì)蜂窩復(fù)合板中的夾雜物進(jìn)行了二維掃查成像[12]。楊玉娥等人以反射系數(shù)相位差作為信號(hào)特征,仿真研究了同軸探頭對(duì)熱障涂層厚度、孔隙率等進(jìn)行微波檢測(cè)的靈敏度[13]。

考慮到同軸探頭較高的檢測(cè)靈敏度,本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合微波掃頻技術(shù),從頻域和時(shí)域兩方面探究基于同軸探頭的微波定量檢測(cè)熱障涂層減薄缺陷的技術(shù)關(guān)鍵。

1 熱障涂層減薄缺陷的微波檢測(cè)原理與有限元仿真

熱障涂層減薄缺陷的微波檢測(cè)原理示意圖如圖1所示。同軸探頭發(fā)射一定頻寬的微波透射進(jìn)入熱障涂層的陶瓷層和粘接層,并于合金基底表面處發(fā)生反射,所形成的反射波經(jīng)陶瓷層和粘接層后,由同軸探頭拾取并輸出微波檢測(cè)信號(hào),即反射系數(shù)S11。由于熱障涂層中的陶瓷層和粘接層對(duì)微波具有一定的損耗作用,尤其當(dāng)陶瓷層厚度發(fā)生變化而出現(xiàn)減薄缺陷時(shí),其對(duì)微波能量耗散的不同使反射波幅值、相位等隨之變化,因此,微波反射信號(hào)與熱障涂層厚度具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,通過分析反射信號(hào)及其特征可實(shí)現(xiàn)熱障涂層減薄缺陷的定量檢測(cè)。

圖1 微波檢測(cè)熱障涂層減薄缺陷示意

基于上述檢測(cè)原理,首先建立熱障涂層減薄缺陷的微波檢測(cè)有限元仿真模型,如圖2所示,包括放置于熱障涂層表面的同軸探頭以及不同厚度的熱障涂層結(jié)構(gòu)。同軸探頭的尺寸參數(shù)如表1所列,探頭驅(qū)動(dòng)能量為1 W,工作頻率范圍為26.5～35 GHz?？紤]實(shí)際熱障涂層各層的材料屬性,模型中陶瓷層的相對(duì)介電常數(shù)取為23.6-1.645j[14]。另外,粘接層與合金基底均為導(dǎo)電材料,因此陶瓷層—粘接層界面設(shè)置為完美電導(dǎo)體。在無減薄缺陷情況下,陶瓷層、粘接層和合金基底的標(biāo)準(zhǔn)厚度分別為：400 μm、100 μm和3 mm。

圖2 仿真模型示意

表1 同軸探頭尺寸參數(shù) mm

為模擬熱障涂層減薄缺陷,仿真中考慮不同陶瓷層厚度h情況,h=0～400 μm,同時(shí),粘接層和合金基體厚度保持不變。針對(duì)各缺陷情況,仿真計(jì)算其對(duì)應(yīng)不同頻率下的微波反射系數(shù)S11,所獲S11幅值信號(hào)圖如圖3(a)所示。由圖可見,當(dāng)熱障涂層出現(xiàn)減薄缺陷造成其厚度減小時(shí),S11幅值明顯增大,體現(xiàn)了微波檢測(cè)熱障涂層減薄缺陷的可行性。提取S11幅值均值[15]作為信號(hào)特征,得其與涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖3(b)所示。由圖可見,S11幅值均值隨熱障涂層厚度的減小而單調(diào)遞增,表明同軸探頭拾取的反射波能量隨涂層厚度的減小而增加。這是因?yàn)闊嵴贤繉又械奶沾蓪幼鳛榈湫偷慕殡姄p耗材料對(duì)微波能量具有耗散作用,其厚度的減小造成對(duì)微波能量的耗散降低,同軸探頭所測(cè)量的反射波能量因此得到提升。

圖3 微波反射信號(hào)及信號(hào)特征與涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律

為了更全面地分析檢測(cè)信號(hào),對(duì)反射系數(shù)S11進(jìn)行傅里葉逆變換以獲取不同熱障涂層厚度情況下的微波檢測(cè)時(shí)域信號(hào),如圖4(a)所示。由圖可見,當(dāng)涂層厚度由400 μm減小到300 μm時(shí),時(shí)域信號(hào)圖與時(shí)間采樣點(diǎn)軸所圍的面積增加,因此提取時(shí)域信號(hào)圖面積作為信號(hào)特征,建立時(shí)域信號(hào)圖面積與涂層厚度間的映射關(guān)系,如圖4(b)所示。由圖可見,時(shí)域信號(hào)面積隨著涂層厚度的減薄而單調(diào)遞增,這是由于反射波能量隨涂層厚度的減小而增加。檢測(cè)信號(hào)在時(shí)域中的特性與其在頻域中的特性一致,表明在26.5～35 GHz頻段下所獲微波檢測(cè)頻域和時(shí)域信號(hào)均可用于對(duì)熱障涂層減薄缺陷的檢出,其信號(hào)特征可用于對(duì)缺陷尺寸的定量評(píng)估。

圖4 微波時(shí)域信號(hào)及信號(hào)特征與涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 微波掃頻定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在仿真研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,搭建熱障涂層微波掃頻定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖5所示。該系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(N5224A)、同軸探頭和熱障涂層試樣構(gòu)成。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在Ka波段內(nèi)(26.5～35 GHz,掃頻點(diǎn)數(shù)為851)驅(qū)動(dòng)同軸探頭發(fā)射微波并照射熱障涂層試樣,同時(shí)測(cè)取同軸探頭所接收的回波信號(hào),輸出不同頻率下的S11。實(shí)驗(yàn)中,試樣所對(duì)應(yīng)的熱障涂層厚度分別為h=150,300,330,360,400 μm。為了保證同軸探頭緊貼試樣表面,在同軸探頭開口處加裝由3D打印制成的塑料法蘭,以保證探頭整體穩(wěn)定性,法蘭材質(zhì)為尼龍。

圖5 微波掃頻定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

依據(jù)仿真研究中所提信號(hào)處理方法,由實(shí)驗(yàn)所得微波檢測(cè)頻域信號(hào)計(jì)算獲得不同熱障涂層試樣對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)如圖6(a)所示。由圖可見,不同涂層厚度下,實(shí)驗(yàn)微波檢測(cè)時(shí)域信號(hào)幅值存在顯著變化。提取時(shí)域信號(hào)圖面積作為信號(hào)特征,進(jìn)一步建立時(shí)域信號(hào)圖面積與試樣涂層厚度的映射關(guān)系,如圖6(b)所示。由圖可見,與仿真研究所獲分析結(jié)論一致,時(shí)域信號(hào)圖的面積隨著熱障涂層厚度的減小而增大,實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步證明了以時(shí)域信號(hào)圖面積作為信號(hào)特征對(duì)涂層減薄缺陷定量評(píng)估的可行性。

圖6 微波時(shí)域信號(hào)及信號(hào)特征與涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律

此外,實(shí)驗(yàn)中還對(duì)所獲微波檢測(cè)頻域信號(hào)(如圖7(a)所示)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。由圖7(a)可見,各試樣情況下的頻域信號(hào)存在明顯的最小值,即諧振頻率,且諧振頻率隨涂層厚度的變化而偏移,這表明：在Ka波段下,諧振頻率可對(duì)涂層厚度進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)所建立的諧振頻率與熱障涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖7(b)所示。

圖7 不同涂層厚度下的諧振頻率及其與涂層厚度的關(guān)聯(lián)規(guī)律

由圖7可見,諧振頻率隨著熱障涂層厚度的減小而單調(diào)增加,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且其對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)曲線的線性度優(yōu)于圖6(b)所示時(shí)域信號(hào)圖面積與涂層厚度的映射曲線。仿真和實(shí)驗(yàn)研究均表明,利用微波檢測(cè)頻域和時(shí)域信號(hào)及其特征可對(duì)熱障涂層減薄缺陷實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。同時(shí),基于實(shí)驗(yàn)所用涂層試樣(涂層厚度最小間隔30 μm),采用所搭建的微波掃頻定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分辨率為30 μm的涂層減薄缺陷深度評(píng)估。

3 結(jié) 論

本文基于微波掃頻反射法,結(jié)合同軸探頭,在26.5～35 GHz頻段下細(xì)致探究了熱障涂層減薄缺陷的微波定量檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。建立微波檢測(cè)熱障涂層減薄缺陷的有限元仿真模型,通過系列仿真研究發(fā)現(xiàn)：S11幅值均值與時(shí)域信號(hào)面積均隨著熱障涂層的減小而增加,表明采用所提兩種信號(hào)特征對(duì)熱障涂層厚度進(jìn)行定量評(píng)估的可行性。同時(shí),搭建熱障涂層微波掃頻定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了微波檢測(cè)時(shí)域信號(hào)面積與熱障涂層厚度間的映射關(guān)系,且發(fā)現(xiàn)微波系統(tǒng)諧振頻率與涂層厚度呈線性遞減關(guān)系。仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明：基于微波同軸探頭的Ka波段微波掃頻定量檢測(cè),可有效針對(duì)熱障涂層減薄缺陷實(shí)施微米級(jí)定量評(píng)估,檢測(cè)分辨率可達(dá)30 μm。