基于太赫茲無損檢測技術的熱障涂層厚度測量方法

■ 王兆祺 孔祥興 楊博聞 / 中國航發(fā)研究院

太赫茲無損檢測是近年來興起的一種先進檢測方法，具有優(yōu)異的非接觸、非電離、高精度和極強的非極性材料穿透性等技術優(yōu)勢，在熱障涂層（TBC）性能評價和壽命預測方面展現(xiàn)出巨大的潛力。

太赫茲光譜技術在過去的幾十年中得到了廣泛關注并取得了迅速發(fā)展，并作為一種有效的檢測手段在多個技術領域得到應用。作為一種新型的無損檢測技術，太赫茲無損檢測技術具有相干性、瞬態(tài)性、能夠穿透陶瓷層等特點，可以對航空發(fā)動機上的熱障涂層進行損傷檢測與評估，從而在航空發(fā)動機領域發(fā)揮重要作用。

基本原理

太赫茲波通常是指頻率處于0.1 ～10THz之間、波長范圍0.03 ～3mm的輻射波，在電磁頻譜上處于微波與紅外波之間。由于處于遠紅外波段，太赫茲波兼具了宏觀電子學與微觀光子學的特性，從而在無損檢測領域具有較大的技術優(yōu)勢。

太赫茲波具有多種獨特的物理性質(zhì)：第一，太赫茲波穿透性好，許多非金屬、非極性材料，如陶瓷、橡膠、泡沫、塑料、樹脂等，在太赫茲波段內(nèi)缺乏相應的振動模式且散射率較低，具有無損檢測的潛力；第二，太赫茲波具有分辨率高、波長短的特性，基于太赫茲波的成像技術具有更高的空間分辨率以及更大的景深，無損檢測的成像效果更好；第三，太赫茲波的光子能較低且屬于非接觸測量，不會損傷被測物體表面，更不會破壞被測物質(zhì)從而造成二次損傷，且對人體無害。

太赫茲時域光譜檢測技術是一種采用相干探測技術的太赫茲波產(chǎn)生與探測技術，基于太赫茲脈沖波與待測樣品之間發(fā)生的相互作用，可以測定經(jīng)待測樣本透射（或反射）后的太赫茲波電場隨時間變化的波形，再通過傅里葉變換，即可測定出樣本數(shù)據(jù)的幅值和相位，是太赫茲無損檢測領域重要的技術成果。由于該技術縱向分辨率高，可達微米級，能夠滿足薄涂層的測量要求，因此，在航空發(fā)動機熱障涂層的無損檢測領域具有較大的應用潛力。

熱障涂層是一類應用在航空發(fā)動機渦輪葉片表面的高溫保護涂層，通過在渦輪葉片金屬基體表面噴涂隔熱陶瓷材料從而有效改善發(fā)動機的效率、推力和工作溫度。熱障涂層系統(tǒng)是一種典型的多層系統(tǒng)，一般由陶瓷層、黏結(jié)層、超合金基體和熱生長氧化層組成。在服役過程中，熱障涂層的陶瓷層脫落或減薄是造成熱障涂層失效的主要原因之一，而熱障涂層的失效則會嚴重影響渦輪葉片的使用壽命甚至造成葉片損傷或斷裂，因此開展針對熱障涂層陶瓷層的無損檢測與厚度測量研究對于提高發(fā)動機的使用壽命具有重要意義，是當前發(fā)動機健康管理領域亟須解決的關鍵問題。

熱障涂層的陶瓷層一般選用質(zhì)量分數(shù)為7%～8%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）材料，黏結(jié)層材料是鈷鉻鋁釔合金（CoCrAlY）或鎳鉻鋁釔合金（NiCrAlY），主要作用為抗氧化、抗腐蝕。由于太赫茲波具有非金屬穿透性，因此射入熱障涂層的太赫茲波可在空氣與陶瓷界面發(fā)生反射和透射，并且透射后的太赫茲波還可繼續(xù)傳播至黏結(jié)層。同時，由于金屬材料對于太赫茲波近乎是全反射，因此太赫茲波在黏結(jié)層發(fā)生全反射而無法繼續(xù)傳播至金屬基底，從而實現(xiàn)太赫茲波在陶瓷層內(nèi)部的傳播，太赫茲波在熱障涂層的傳播路徑可簡化為圖1所示。

圖1 熱障涂層太赫茲波傳播路徑

在太赫茲波垂直入射條件下，熱障涂層厚度計算的數(shù)學模型為d=cΔt/2n，這表明如果可以測量材料上下兩個表面回波之間的相對延時Δt，就可以根據(jù)涂層的折射率和光速計算得到涂層的厚度，從而實現(xiàn)葉片健康狀態(tài)的監(jiān)測。

測厚系統(tǒng)

基于太赫茲時域光譜技術的熱障涂層測厚系統(tǒng)主要包括飛秒激光器、光電導天線、光學延遲線、信號處理與采集模塊、上位機軟件等，如圖2 所示。系統(tǒng)的工作原理為飛秒激光脈沖經(jīng)光纖傳輸至1×2 光纖分束器被分為一強一弱兩束光，經(jīng)光纖分束器后分出較強的一束光經(jīng)光纖傳入太赫茲發(fā)射器，產(chǎn)生脈寬為皮秒量級的太赫茲脈沖波，該太赫茲脈沖波經(jīng)樣品反射后被太赫茲發(fā)射器接收；另一束較弱的飛秒激光經(jīng)光學延遲線的延時形成探測光，與從樣品反射后載有樣品信息的太赫茲脈沖波共線經(jīng)過探測器，然后經(jīng)過電流放大器、鎖相放大器的處理與放大，再經(jīng)過采集卡采集后輸入PC 機進行處理，利用相關算法計算獲得樣品參數(shù)。在信號檢測過程中，利用控制光學延遲線的移動來調(diào)節(jié)太赫茲脈沖波和探測光間的相對光程差，并利用逐點掃描得出太赫茲脈沖波的整個時域波形，試驗裝置如圖3 所示。

圖2 太赫茲熱障涂層測厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 太赫茲反射系統(tǒng)試驗裝置

飛秒激光器

飛秒激光器的主要作用是作為泵浦源，使所發(fā)出的激光在經(jīng)波分復用后被分為兩個光束，其中一束作為泵浦光束，而另一束則作為探測光束。在激光器的波長選擇方面，使用了1560nm的飛秒激光器。相比于自由空間的鈦藍寶石激光器， 1560nm的飛秒激光器通常是摻鉺的光纖激光器，可以搭建全光纖的時域光譜儀，且同時具備高穩(wěn)定性、高可靠性以及更小的體積，在一定程度上給太赫茲時域光譜儀的小型化提供了發(fā)展可能。

光電導天線

光電導天線的主要作用是實現(xiàn)太赫茲波的產(chǎn)生與探測。在保證太赫茲波時域信號脈寬的前提下，為獲得更高的信號能量，擬選擇光電導天線作為太赫茲波產(chǎn)生和探測的功能模塊。光電導天線產(chǎn)生和探測太赫茲波都利用光電導體，可以看成一種在激光作用下電導發(fā)生變化的半導體開關。當一束飛秒激光脈沖打到光電導體上時，如果入射飛秒激光的光子能量大于該光電導體的能量帶隙，則在光電導體內(nèi)部會產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對在外加偏置電壓的作用下會產(chǎn)生加速運動，從而形成瞬變的光電流，這些瞬變的電流會向外輻射太赫茲脈沖波，通常太赫茲脈沖波的脈寬在皮秒量級，原理如圖4所示。

圖4 光電導天線產(chǎn)生太赫茲脈沖

對于太赫茲脈沖波信號的接收探測，同樣利用光電導天線，可以看作是產(chǎn)生太赫茲脈沖波的逆過程。一束飛秒激光作為探測光照射到光電導天線上，使光電導體內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，與此同時，太赫茲脈沖波也照射到光電導天線上，則可將太赫茲脈沖波看作電場施加于光電導體上，使光電導體內(nèi)部的光生載流子加速運動從而產(chǎn)生感應電流。該感應電流正比于照射在光電導天線的太赫茲脈沖波的強度。

光學延遲線

利用飛秒激光器激發(fā)光電導天線產(chǎn)生太赫茲脈沖波，太赫茲脈沖波的重復頻率與用于泵浦的飛秒激光脈沖的重復頻率相同。對于這樣的瞬態(tài)信號，常用的實時采樣方法，即對被采樣信號利用奈奎斯特采樣定理在一段時間內(nèi)抽取足夠多的采樣點，對光電探測器的響應頻率要求過高，難以實現(xiàn)。因此，針對周期性超快的信號，可采用等效時間采樣，通過抽取不同周期上的信號點，實現(xiàn)對被采樣信號的重建，原理如圖5所示。

圖5 等效時間采樣原理

為了實現(xiàn)等效時間采樣，普遍采用光學延遲線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在精密移動平臺上放置一對成45°角的平面全反光鏡，使采樣光經(jīng)過該平面鏡組，利用精密平移臺的移動帶動平面鏡組移動，從而改變光程。

信號處理與采集模塊

信號處理與采集模塊主要是對所獲取的太赫茲波信號進行放大與濾波，從而獲取信號采集板卡所能接收到的電信號。光電導天線輸出的光電流較小，須經(jīng)電流放大器放大后，由鎖相放大系統(tǒng)進行信號提取，鎖相放大調(diào)制信號作用于光電導天線的發(fā)送端。電流放大器所輸出的信號與調(diào)制信號相乘后，將待測信號轉(zhuǎn)移至零頻附近，后經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號，從而提取到太赫茲波信號，并由信號采集板卡進行信號采集，并將太赫茲波信號傳輸至上位機。

上位機軟件模塊

上位機軟件模塊主要作用是完成太赫茲波信號的獲取，根據(jù)所獲取的太赫茲波信號，利用熱障涂層測厚原理結(jié)合相應的算法，完成厚度的計算，并將測厚結(jié)果進行顯示。軟件界面主要包括了太赫茲時域/頻域的波形顯示區(qū)域，人機交互區(qū)域以及結(jié)果顯示區(qū)域，其中上位機軟件的厚度計算流程如圖6所示。

圖6 太赫茲測厚系統(tǒng)上位機軟件測厚流程

試驗驗證

目前，已在實驗室環(huán)境下設計開發(fā)完成基于反射式太赫茲時域光譜技術的熱障涂層測厚系統(tǒng)，為了驗證該系統(tǒng)對于熱障涂層的測量精度與測厚效果，試制了6塊熱障涂層平面試片，所采用的噴涂技術與現(xiàn)役發(fā)動機渦輪葉片上的熱障涂層噴涂技術一致，厚度統(tǒng)計如表1所示。

表1 TBC試片厚度統(tǒng)計

表1中6個熱障涂層樣件分別具備不同厚度的金屬層，在樣件上噴涂不同次數(shù)的涂層材料，再利用掃描電鏡測出陶瓷層厚度的實際值，利用實際厚度反算涂層材料的折射率，并取6個試片的折射率平均值4.63作為該陶瓷層材料的等效折射率。

在獲得了陶瓷層的折射率之后，可以利用測厚系統(tǒng)對試片的厚度進行測量。將待測樣片置于機械臂的中心測點，通過調(diào)整機械臂的角度從而保證太赫茲波的垂直入射。之后，系統(tǒng)可以得到待測樣片中心位置的太赫茲波時域信號，通過自動尋峰算法尋找兩個陶瓷層的上下界面，根據(jù)信號的時間延遲計算出1 ～6號樣品的厚度。將太赫茲時域光譜測厚系統(tǒng)與掃描電鏡實測出的厚度進行比較，得到的試驗數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 TBC試片厚度試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過數(shù)據(jù)對比可知，太赫茲時域光譜測厚系統(tǒng)測量的相對誤差在5.6%以內(nèi)，測量精度可達到2.35%。對比試驗表明太赫茲時域光譜測厚系統(tǒng)可以完成實驗室條件下的熱障涂層厚度測量，并具備較高測量精度與測量可靠性，后續(xù)配合具體的健康管理算法，可以完成對渦輪葉片在實驗室環(huán)境下的健康評估與壽命預測。

結(jié)束語

太赫茲技術目前已經(jīng)在熱障涂層性能評估和壽命預測方面展現(xiàn)出巨大的潛力，但是由于太赫茲波的產(chǎn)生與探測主要依賴于高精度的光學元器件，所形成的傳感器探頭一般都較為笨重，因此對于航空發(fā)動機這樣內(nèi)部空間緊湊的精密系統(tǒng)，太赫茲無損檢測技術依舊停留于實驗室階段，難以真正應用于發(fā)動機的外場原位檢測中。因此，為推動航空發(fā)動機太赫茲無損檢測技術的發(fā)展，需要進一步優(yōu)化和發(fā)展先進傳感技術，開展光電導天線結(jié)構(gòu)設計、工藝設計、封裝設計等研究，進而完成太赫茲探頭的小型化設計與制造，從而真正實現(xiàn)太赫茲無損檢測技術在航空發(fā)動機健康評估與壽命預測中的應用。