熱障涂層脫粘缺陷脈沖壓縮激光紅外熱成像檢測(cè)

毛豐晶,王榮邦,陳振偉,張遠(yuǎn)舸,裴翠祥,陳振茂

(西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院,機(jī)械機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西省無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程中心,陜西 西安 710049)

1 引 言

熱障涂層(TBC)是一層陶瓷材料,它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面,由于具有高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性,常用作熱端部件的隔熱材料以維持基底材料的正常服役環(huán)境并延長(zhǎng)其使用壽命[1],廣泛應(yīng)用于航空航天、能源電力、石油化工等重要領(lǐng)域[2]。然而,由于制造加工工藝的不完善和惡劣的服役條件,熱障涂層在使用過(guò)程中、甚至是在使用過(guò)程前就可能會(huì)出現(xiàn)一系列缺陷。以采用等離子噴涂的YSZ熱障涂層為例,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其在使用過(guò)程中很容易產(chǎn)生很難用肉眼觀察到的脫粘缺陷[3]。若脫粘缺陷未能及時(shí)被發(fā)現(xiàn),很可能影響大機(jī)器的使用壽命,甚至造成重大的安全事故。因此,采用合理的無(wú)損檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估熱障涂層在使用時(shí)的界面結(jié)合狀況十分重要[4]。

目前,針對(duì)熱障涂層脫粘缺陷,廣泛應(yīng)用的檢測(cè)手段為紅外熱成像法[5]。與常規(guī)檢測(cè)方法相比,紅外檢測(cè)具有非接觸式、結(jié)果直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)。但涂層導(dǎo)熱率較低,傳統(tǒng)作為紅外檢測(cè)激勵(lì)源的高能閃光燈由于采用大面積加熱方式,功率密度小,這使得缺陷檢測(cè)的信噪比和缺陷檢測(cè)能力都有待進(jìn)一步提高；與之相比,新型激光紅外熱成像檢測(cè)方法,借助激光的高功率密度、良好的指向性,可大幅度提高紅外熱成像方法的檢測(cè)能力和適用性。

為進(jìn)一步提高激光紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)于熱障涂層內(nèi)部脫粘缺陷的檢測(cè)能力,本文將采用所開(kāi)發(fā)的基于光束勻化的便攜式激光紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng),結(jié)合新型脈沖壓縮檢測(cè)技術(shù),通過(guò)頻率或周期調(diào)制脈沖串激光熱源對(duì)熱障涂層進(jìn)行熱激勵(lì),再將接收到的紅外熱成像時(shí)域信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理壓縮成有效峰值高的窄脈沖信號(hào),從而有效增強(qiáng)激光紅外圖像信噪比[7]。為驗(yàn)證該方法的有效性,首先建立了熱障涂層脈沖壓縮激光紅外熱成像檢測(cè)有限元數(shù)值模型,模擬了周期調(diào)制脈沖串激光激勵(lì)下結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱流的傳播過(guò)程以及內(nèi)部缺陷對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,研究了不同激勵(lì)參數(shù)對(duì)于溫度場(chǎng)分布的影響,并通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行后處理,得到了更能反映缺陷信息的溫度場(chǎng)分布圖。最后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于脈沖壓縮的增強(qiáng)型激光紅外熱成像方法對(duì)熱障涂層脫粘缺陷檢測(cè)的有效性。

2 熱障涂層脈沖壓縮激光紅外熱成像檢測(cè)數(shù)值模擬

2.1 脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)方法

脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像法是結(jié)合周期調(diào)制脈沖串激光激勵(lì)和信號(hào)脈沖壓縮處理的紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù),其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。首先,由激光發(fā)生器產(chǎn)生周期調(diào)制脈沖串激光s(t)(如圖1(b)所示)代替用于傳統(tǒng)激光紅外檢測(cè)的單脈沖激光(如圖1(a)所示),經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后用于激勵(lì)被測(cè)試件表面,較傳統(tǒng)單脈沖激勵(lì),周期調(diào)制脈沖串激勵(lì)方式激勵(lì)時(shí)間更長(zhǎng)、激勵(lì)效果更好；同時(shí),利用一臺(tái)紅外熱像儀采集被測(cè)試件表面的溫度場(chǎng)分布信息,從采集得到的溫度場(chǎng)分布圖中任取一像素點(diǎn)并做出該點(diǎn)隨激勵(lì)時(shí)間的溫度變化曲線,由圖中OUTPUT可知,采用傳統(tǒng)單脈沖激勵(lì)可直接獲得有效溫度峰值高的窄脈沖信號(hào),即h(t),而采用周期調(diào)制的脈沖串激勵(lì)不能直接獲得h(t),只有將輸出信號(hào)y(t)與匹配濾波器函數(shù)ψ(t)卷積才能獲得有效峰值高的窄脈沖信號(hào)h(t)。這種對(duì)于周期調(diào)制脈沖串激光激勵(lì),將接收到的時(shí)域信號(hào)壓縮成有效峰值高的窄脈沖信號(hào)的過(guò)程就是信號(hào)的脈沖壓縮處理[8]。

圖1 脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像法示意圖Fig.1 Schematic diagram of the enhanced laser infrared thermal imaging method with pulse compression

脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)方法相對(duì)于傳統(tǒng)激光紅外熱成像法最主要的優(yōu)點(diǎn)是,采用周期調(diào)制脈沖串激光激勵(lì)可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)輸送功率,激勵(lì)效果好,從而提高了信噪比[8],這對(duì)熱障涂層材料這一類熱導(dǎo)率較低的材料有很好的適用性。

2.2 熱障涂層脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)數(shù)值模擬

為了研究激光紅外在TBC系統(tǒng)內(nèi)部脫粘缺陷檢測(cè)和成像方法的可行性,本文采用了一種基于有限元方法(FEM)的數(shù)值模擬方法。該方法的核心是三維熱傳導(dǎo)方程,如式(1)所示。

(1)

其中,K為熱導(dǎo)率,對(duì)于不同層的材料來(lái)說(shuō),其熱導(dǎo)率一般不同；T為溫度場(chǎng)分布；C為比熱容；ρ為材料密度；qv為熱源。通過(guò)最小二乘法,可實(shí)現(xiàn)微分控制方程到積分控制方程的轉(zhuǎn)換,并得到最終的有限元控制方程,如式(2)所示:

=-∮T{N}>qdT

(2)

其中,Ω為所求域；{N}>為形函數(shù)；

首先建立TBC系統(tǒng)的計(jì)算模型,TBC系統(tǒng)的實(shí)體模型是由熱障涂層和合金基底通過(guò)粘接層連接而成。典型的熱障涂層系統(tǒng)由涂覆于基底上以MCrAlY(M=Ni,Co或二者兼有)為主的抗氧化粘接層和以YSZ為主的抗導(dǎo)熱陶瓷頂層組成[9]。在TBC系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)中,本文做了一定程度的簡(jiǎn)化,即將每層材料都視為各向同性材料,另外,本文用高溫合金GH4037作為基底材料。具體的TBC系統(tǒng)模型如圖2所示,模型為50 mm×50 mm×2.6 mm大小的平板,在距離TBC系統(tǒng)上表面0.4 mm的位置埋設(shè)有大小為1 mm×1 mm×0.2 mm的面缺陷,如圖中深色部分所示。

圖2 熱障涂層系統(tǒng)激光紅外檢測(cè)數(shù)值模型Fig.2 Modeling of TBCs system for laser thermography testing

現(xiàn)確定TBC系統(tǒng)各層材料的熱力學(xué)參數(shù)。對(duì)于熱障涂層的密度,除了用Archimede法測(cè)量,還可以采用一種較為新穎的利用超聲波聲壓反射系數(shù)相位譜無(wú)損測(cè)量法得到[10]；對(duì)于熱障涂層的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)說(shuō),隨著溫度的升高,涂層的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)緩慢降低但在很大一段溫度范圍內(nèi)降低的量基本可以忽略不計(jì),故本論文將熱障涂層的熱導(dǎo)率作為一個(gè)常數(shù),最終以孔隙率為22.1 %、導(dǎo)熱率為1.5的涂層材料作為模型材料。TBC系統(tǒng)的主要材料參數(shù)如表1所示。缺陷的主要熱力學(xué)參數(shù)與空氣相同,也如表1所示。

表1 TBC系統(tǒng)和缺陷的主要熱學(xué)參數(shù)Tab.1 Main thermal parameters of TBCs and defects

本文選用正弦型的脈沖串作為周期調(diào)制的脈沖串激勵(lì)函數(shù),具體的激勵(lì)函數(shù)如圖3所示。圖3(a)所示的激勵(lì)形式共有4個(gè)周期,首周期為0.8 s,其后每個(gè)周期較前一個(gè)周期少0.2 s,將其定義為單調(diào)遞減型激勵(lì)函數(shù)；圖3(b)所示的激勵(lì)形式也有4個(gè)周期,首周期為0.2 s,其后每個(gè)周期較前一個(gè)周期多0.2 s,將其定義為單調(diào)遞增型的激勵(lì)函數(shù)。另外,對(duì)于一個(gè)脈沖激光而言,激光熱源可以寫成一個(gè)關(guān)于時(shí)間空間分布的函數(shù),如式(3)所示:

圖3 激勵(lì)激光脈沖序列Fig.3 Excitation laser pulse sequence

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

(3)

其中,A為光學(xué)吸收率,將其設(shè)為0.44；I0為激光功率密度,將其設(shè)為1600000 W/m2(根據(jù)激光發(fā)生器而定)；f(x,y)為激光光斑空間分布；g(t)為激勵(lì)函數(shù)。

至此,完成對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置,接下來(lái)通過(guò)編碼即可獲得正弦脈沖串激光激勵(lì)下結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱流的傳播過(guò)程以及內(nèi)部缺陷對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。圖4為部分時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布圖。由圖4可知,對(duì)于脫粘缺陷,從某些時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布圖上,可以清楚地看出缺陷上方的溫度發(fā)生了畸變,其溫度顯著高于周圍無(wú)缺陷處的溫度,這正是由于低熱導(dǎo)率的空氣缺陷,阻礙了熱流的縱向傳播,因此熱量在缺陷上方積聚,造成了溫度比周圍高的現(xiàn)象。

圖4 各時(shí)刻TBC系統(tǒng)表面溫度場(chǎng)分布圖Fig.4 Surface temperature field distribution diagram of TBCs at each time

以上的仿真模擬過(guò)程并未考慮噪聲,但在實(shí)際的檢測(cè)條件及環(huán)境中,我們知道,噪聲是不可能避免的。實(shí)際系統(tǒng)中的噪聲主要來(lái)源是熱噪聲,而熱噪聲是典型的高斯白噪聲。故本文以高斯白噪聲為噪聲源加入熱障涂層脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)數(shù)值模擬過(guò)程以模擬實(shí)際的檢測(cè)條件與環(huán)境。我們從上述的模擬結(jié)果中選取有缺陷和無(wú)缺陷的一點(diǎn),分別做出二者的溫度變化曲線,如圖5(a)所示,圖中虛線和實(shí)線分別為缺陷點(diǎn)和無(wú)缺陷點(diǎn)的溫度變化曲線,可見(jiàn)兩點(diǎn)的溫度變化曲線非常光滑且很有規(guī)律；現(xiàn)向其中加入均值為0.5、幅度在0～1之間的偽隨機(jī)數(shù)以模擬有噪聲的情況,添加噪聲后的結(jié)果如圖5(b)所示,由圖不難發(fā)現(xiàn),高斯噪聲的加入使得溫度曲線有較大的變化,這將會(huì)極大地降低脫粘缺陷的檢測(cè)靈敏度。

圖5 添加高斯白噪聲前后缺陷點(diǎn)與無(wú)缺陷點(diǎn)溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curves of defective and non-defective points before/after adding Gaussian white noise

為了獲得最為理想的缺陷檢測(cè)結(jié)果,首先對(duì)激勵(lì)函數(shù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。影響激勵(lì)結(jié)果的因素多種多樣,本文重點(diǎn)研究?jī)煞N激勵(lì)形式,如圖3(a),(b)所示,以及總的激勵(lì)時(shí)間對(duì)溫度變化曲線的影響。為了提高模擬準(zhǔn)確度,在模擬過(guò)程中擬加入可由編碼實(shí)現(xiàn)的空間噪聲,模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同激勵(lì)形式下激勵(lì)時(shí)間對(duì)最大溫差的影響Fig.6 Influence of excitation time on maximum temperature difference under different excitation forms

根據(jù)模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論:首先,單調(diào)遞減型多脈沖激勵(lì)的最大溫差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單調(diào)遞增型多脈沖的最大溫差,最大可達(dá)到將近9.5 ℃,故選擇單調(diào)遞減型的激勵(lì)函數(shù)；其次,激勵(lì)時(shí)間都不是越長(zhǎng)越好。對(duì)于單調(diào)遞減型多脈沖激勵(lì),溫差在2 s附近能夠達(dá)到9.22 ℃(無(wú)噪聲)或9.5 ℃(有噪聲)左右的峰值并在之后一直保持在這個(gè)溫度,如圖6中(b)所示。由溫差變化曲線,我們知道,只要加熱時(shí)間超過(guò)2 s就能得到較高的溫差效果,但是加熱時(shí)間越長(zhǎng),溫升也會(huì)提高,溫差在整個(gè)溫升中的占比也會(huì)因此減少,不利于識(shí)別缺陷,因此最佳的激勵(lì)時(shí)間為2 s左右。綜上所述,選擇單調(diào)遞減型且激勵(lì)時(shí)間為2 s左右的激勵(lì)函數(shù)作為加熱函數(shù)最為合適。需要說(shuō)明的是,這個(gè)結(jié)論是在有效激勵(lì)功率為1.76 kW(A·I0·A0,A0為激勵(lì)面積)的條件下獲得的,倘若有效激勵(lì)功率更低,那么激勵(lì)時(shí)間需要增加才能達(dá)到最佳的激勵(lì)效果；另外,最佳激勵(lì)時(shí)間與陶瓷層厚度(本文為0.4 mm)與基底材料也有一定的關(guān)系,由于陶瓷層導(dǎo)熱率低,陶瓷層越厚,最佳激勵(lì)時(shí)間也越長(zhǎng)。基底材料的導(dǎo)熱率也會(huì)影響最佳激勵(lì)時(shí)間,導(dǎo)熱率越高,越有利于熱量的傳導(dǎo),這對(duì)提高溫差有很大的幫助。

現(xiàn)以最佳的激勵(lì)形式,即圖3(a)為激勵(lì)函數(shù),模擬含有3 mm和5 mm大小脫粘缺陷的熱障涂層溫度場(chǎng)分布情況,其模擬結(jié)果如圖7所示。圖7中分別為0.35 s時(shí)刻3 mm、5 mm脫粘缺陷的溫度場(chǎng)分布圖。

(a) 3 mm

(b)5 mm圖7 3 mm、 5 mm缺陷0.35s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖Fig.7 Temperature distribution of 3 mm and 5 mm defects at 0.35 s

現(xiàn)就1 mm、 3 mm、 5 mm缺陷獲得的溫度場(chǎng)分布圖做脈沖壓縮處理,輸出壓縮后的溫度場(chǎng)分布圖并與未經(jīng)過(guò)脈沖壓縮的溫度場(chǎng)分布圖作對(duì)比,結(jié)果如圖8所示,由圖可知,無(wú)論有無(wú)噪聲,經(jīng)過(guò)脈沖壓縮處理后都能帶來(lái)肉眼可見(jiàn)的缺陷檢測(cè)能力的提升。

圖8 脈沖壓縮處理前后溫度分布圖對(duì)比Fig.8 Comparison of temperature distribution before and after pulse compression

3 熱障涂層脈沖壓縮激光紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 脈沖壓縮激光紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)及試件

圖9是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和試件的示意圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理是:安裝有控制及圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)向信號(hào)同步單元釋放控制指令,信號(hào)同步單元發(fā)出兩個(gè)同步控制信號(hào),分別用于控制風(fēng)冷激光器出光和紅外熱像儀同步采樣,紅外熱像儀采集到試件表面的溫度場(chǎng)分布信號(hào)后將數(shù)據(jù)傳輸回計(jì)算機(jī),后續(xù)可在計(jì)算機(jī)上查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行后處理。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖中6所示的就是被測(cè)TBC試件,試件的基底材料為鋁合金材料,脫粘缺陷的大小為 3 mm×3 mm的方形,埋藏在試件靠近右端的中心處,具體位置如圖中所示。

圖9 系統(tǒng)和采用試件的示意圖Fig.9 Schematic diagram of the experimental system and the specimen

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用的激勵(lì)形式為單調(diào)遞減型脈沖激勵(lì),具體參數(shù)設(shè)置為:幅值為4 V,首周期為4 s,一共有6個(gè)周期(由采樣時(shí)間和縮放系數(shù)確定),縮放系數(shù)(后一個(gè)周期較前一個(gè)周期的激勵(lì)時(shí)間之比)為0.8,采樣幀頻為50 Hz,采樣時(shí)間為20 s。需要說(shuō)明的是,4 V的幅值對(duì)應(yīng)的有效激勵(lì)功率為0.16 kW,按照模擬結(jié)果,在有效激勵(lì)功率為1.76 kW時(shí)最佳激勵(lì)時(shí)間為2 s,實(shí)驗(yàn)時(shí)有效激勵(lì)功率約為模擬時(shí)的1/10,因此激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)要相應(yīng)增加以達(dá)到好的激勵(lì)效果。經(jīng)嘗試,激勵(lì)時(shí)間增加為模擬結(jié)果的10倍,即20 s時(shí)能達(dá)到好的激勵(lì)效果。采樣結(jié)束后采用上述方法對(duì)測(cè)量的紅外圖像序列進(jìn)行脈沖壓縮處理,獲取脈沖壓縮紅外圖像。圖10為帶3 mm脫粘缺陷熱障涂層試件脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。為便于比較分別選取壓縮前原始紅外圖像序列中缺陷顯示最明顯和壓縮后圖像序列中缺陷顯示最明顯的兩紅外圖像分別如圖10(a)和(b)所示?？梢悦黠@看出,經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后紅外圖像中缺陷圖像更清晰,對(duì)比度更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于脈沖壓縮的增強(qiáng)型激光紅外熱成像法對(duì)于熱障涂層脫粘缺陷的檢測(cè)是可行的,能夠提高缺陷檢測(cè)的靈敏度和信噪比。

圖10 帶3 mm脫粘缺陷熱障涂層試件脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.10 Experimental measurement results of the pulsed-compression-enhanced laser thermography of the TBC specimen

4 結(jié) 論

為提高紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)于熱障涂層內(nèi)部脫粘缺陷的檢測(cè)能力,本論文研究了基于脈沖壓縮的增強(qiáng)型激光紅外無(wú)損檢測(cè)方法,建立了熱障涂層脫粘缺陷脈沖壓縮激光紅外檢測(cè)數(shù)值計(jì)算模型,分析了脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)方法中脈沖波形設(shè)置方式及激勵(lì)時(shí)間對(duì)脈沖壓縮增強(qiáng)方法的影響,驗(yàn)證了脈沖壓縮方法可以有效提高激光紅外熱成像檢測(cè)方法對(duì)于熱障涂層內(nèi)部不同大小缺陷的檢測(cè)能力。最后開(kāi)發(fā)了脈沖壓縮增強(qiáng)激光紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)實(shí)際熱障涂層試件內(nèi)部脫粘缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的有效性。