CN102033107A - 用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法及探头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法及探头装置。用于检测热障涂层材料系统陶瓷涂层与金属粘结层之间的局部微小界面裂纹及其剥离。针对热障涂层结构中微小裂纹及剥离的无损检测。采用一个至少包含用于提供静态磁场的永久磁铁或电磁铁，能产生交变磁场的激励线圈以及能够用于接受试件表面超声波信号的激光干涉仪头，检测时将探头贴近热障涂层材料表面，通过涡流激励线圈和永久磁体直接在热障涂层系统陶瓷涂层下方的金属粘结层和合金基底内激发出超声波，最后与一激光干涉仪相连的激光干涉仪头来测量由金属粘结层与合金基底内部经过陶瓷层和粘结层界面进入陶瓷层的透射超声波信号来检测陶瓷层和金属粘结层之间的界面裂纹或剥离。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层结构的无损检测，特别涉及用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法及探头装置。
背景技术
热障涂层(TBC)材料系统是一种覆盖于工业燃气轮机及航空发动机叶片高温合金表面，用于降低叶片工作温度，防止叶片发生高温腐蚀的多层薄膜结构体系。热障涂层材料系统通常由4个材料基元构成，即陶瓷涂层、超合金基底、基底与陶瓷层间的金属粘结层以及陶瓷涂层与粘结层之间形成的以氧化铝为主要物质成分的热生长氧化层。陶瓷涂层是隔热材料，它的主要功能是在高温载荷下，形成沿涂层厚度的高温度剃度，减弱向基底的传热，使合金基底工作温度降低，提高材料抗热疲劳损伤和蠕变失效的耐久性。然而由于喷涂方法、表面状态、热和机械载荷作用，在运行过程中热障涂层常会产生界面裂纹、甚至剥离。通常裂纹开始于陶瓷层和粘结层的界面处。这会恶化结构件的局部环境，不但不能保护结构，反而可能加快局部损伤。目前有应用超声、红外、涡流等方法进行薄膜涂层检测，但主要应用于薄膜涂层结构的材料特性、厚度、界面整体状态的检测。对于局部的界面裂纹(剥离)等，尚无完善的无损检测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服传统无损检测方法难于检测热障涂层微小局部界面裂纹(剥离)的难点，提供一种用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法及探头装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
方形桶状壳体两端开口，底面内部两侧带有两个用于承载底板的凸台，方形桶状壳体上端外沿均匀分布有4个用于连接盖板的安装孔，方形桶状壳体正面设有一个信号输入端口；U型永久磁体上端设有可导入激光干涉仪头产生的激光束的圆柱形孔；盖板下底面带有用于固定U型永久磁体的凸台，盖板上设有用于固定激光干涉仪头带螺纹孔的固定装置；两矩形激励线圈位于底板上表面中央，并保持有间距，两矩形激励线圈与信号输入端口相连，激光干涉仪头固定在盖板上。
方形桶状壳体和盖板由奥氏体不锈钢制成。
底板由绝缘树脂材料制成。
U型永久磁体为强磁性铷铁硼材料。
激励线圈采用两个矩形线圈并排水平布置，激励线圈与信号输入端口相连时，要确保线圈和线圈中电流流向相反。
两个矩形激励线圈的尺寸相同，长和宽分别约为8毫米和4毫米，矩形激励线圈所用导线的截面宽度约为1毫米，两矩形激励线圈之间的水平间距约为1毫米。
激光干涉仪头的发射口与U型永久磁体上的圆柱形孔正对，保证激光干涉仪头发射的激光束能通过圆柱形孔并落在两矩形激励线圈之间的中线上。
一种上述探头进行热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法，具体实施过程包括：
1)将检测探头贴近热障涂层材料表面，通过在两个并排水平布置的矩形激励线圈中施加高压脉冲电流，脉冲持续时间约为0.2微秒，电流峰值约为500安培，在空间中产生瞬态交变电磁场；
2)激励线圈所产生的交变磁场在金属粘接层和合金基底内感应出涡流，并与永久磁体所产生的静磁场相互作用产生交变的洛沦兹力，从而只陶瓷层下方的金属粘接层和合金基底内激发超声波；
3)当探头下方陶瓷层和金属粘接层界面完好时，在金属粘接层和合金基底内产生的超声波的一部分会直接通过金属粘接层和陶瓷层之间的界面向上传播进入陶瓷层，并在陶瓷层表面产生相应的微小振动；当陶瓷层和金属粘接层之间存在界面裂纹或剥离时，金属粘接层和合金基底内向陶瓷层传播的一部分超声波会受到界面裂纹的阻碍，而无法进入陶瓷层；
4)通过与一激光干涉仪相连的激光干涉仪头；来测量经过陶瓷层和金属粘结层界面进入陶瓷层的透射超声波信号的幅值和延迟时间，并与在无裂纹涂层中获得的检测信号比较来检测陶瓷层和金属粘结层之间的界面裂纹或剥离。
本发明提供了一种基于激光-电磁超声技术的涂层微小局部界面裂纹的无损检测方法，克服了传统无损检测方法难于检测热障涂层的微小局部界面裂纹(剥离)的不足。
附图说明
图1为本发明检测探头部件结构图；
图2为本发明检测探头主视图；
图3为本发明检测探头工作原理图；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的工作原理和过程进行进一步详细说明。
参照图1，本发明所采用的检测探头主要部件包括内部两侧带凸台的两端开口方形桶状壳体1，使用绝缘材料制作的底板2，用于提供静态磁场的U型永久磁体3，下底面带凸台的盖板4，用于接收超声波信号的激光干涉仪头(激光接收器)5，位于开口方形桶状壳体1上的信号输入端口6，方形桶状壳体1上端外沿均匀分布有4个用于连接盖板4的安装孔7，用于产生涡流的2个矩形激励线圈8和9，使用时矩形线圈8和9中施加反向的脉冲电流，U型永久磁体3上带有一个用于导入激光干涉仪头5产生的激光束的圆形孔10，位于盖板上表面带螺纹孔的固定装置11。其中开口方形桶状壳体1和盖板4为奥氏体不锈钢，绝缘底板2为树脂材料，U型永磁体3为为强磁性铷铁硼材料。
参照图2，首先将绝缘底板2放置于内部两侧带有凸台的两端开口方形桶状壳体1底端；将2个矩形激励线圈8和9固定在绝缘底板2的中央，并保持约1毫米的间距，同时将激励线圈8和9与信号输入端口6相连，并确保线圈8和9中的电流流向相反；再将U型永磁体3放置于带绝缘底板2的方形桶状壳体1内，将盖板4放置在U型永磁体3的顶部，并通过安装孔7固定在方形桶状壳体1上；最后将激光干涉仪头5通过盖板4上带螺纹孔的固定装置11固定在盖板4上。
参照图3，根据热障涂层系统的结构特征，位于上部的陶瓷涂层12为非金属绝缘材料，而位于下部的金属粘结层13及合金基底14为金属导体材料。因此当探头靠近热障涂层系统材料表面，在激励线圈8和9中施加高压脉冲电流时，由于电磁感应效应，在线圈周围会产生交变的磁场，在交变磁场的作用下，粘结层13和合金基底14(导体层)内将产生感应电流即涡流。位于线圈两旁的U型永久磁体3产生水平方向的静态磁场，涡流在静态磁场的作用下产生交变的洛仑兹力，从而直接在陶瓷层12下部的金属粘结层13和合金基底14内激发出超声波15。参照图3a所示，当探头下方，陶瓷层12与粘结层13界面完好(即无裂纹或剥离)时，根据超声波的传播特性，在粘结层13及合金基底14内部产生的超声波15一部分将会直接向上传播而进入陶瓷层12，在超声波15的作用下，陶瓷涂层12表面质点产生振动，质点振动幅值的大小与透射到陶瓷层12内超声波的强度有关，再通过激光干涉仪头(激光接收器)5接收探头下方中心点陶瓷层12表面由超声波15引起的质点振动位移信号。参照图3b所示，当探头下方，陶瓷层12与粘结层13之间存在界面裂纹(或剥离)16时，根据裂纹对超声波的反射特性，由粘结层13和合金基底14内向陶瓷层12方向传播的一部分超声波17会受到裂纹的阻挡而不能进入陶瓷层12，只有界面裂纹(或剥离)16两侧的一部分超声波17通过扩散效应或衍射进入界面裂纹(或剥离)16上方的陶瓷层12内，因此界面裂纹(或剥离)16上方陶瓷层12内超声波17的强度将会大幅度减小，界面裂纹(或剥离)16上方陶瓷层12表面质点振动幅度也随之大大降低，同样可通过激光干涉仪头5接收探头下方中心点陶瓷层12表面的由超声波17引起的质点振动位移信号。最后将激光干涉仪头5接收到的超声波信号送入激光干涉仪，并根据所测得的超声波信号的幅值和延迟时间来判断探头下方陶瓷层与粘结层之间是否存在界面裂纹或剥离，以及裂纹或剥离的大小。
本发明采用一种激光-电磁超声组合式无损检测方法。采用一个至少包含有能用于提供静态磁场的永久磁铁或电磁铁，能产生交变磁场的激励线圈以及能够用于测量试件表面超声波动的激光接收器。检测时将检测探头贴近热障涂层材料表面，在激励线圈中施加高压脉冲电流，由于陶瓷层为绝缘层，金属粘结层和超合金基底都为导体层，因此在激励线圈产生的交变磁场作用下，只在陶瓷层下方的金属粘结层和合金基底内感应出涡流，在静态磁场作用下产生洛仑兹力，在此力的作用下产生高频机械振动，即超声波。当探头下方，陶瓷层与粘结层界面完好时，在粘结层和合金基底内产生的超声波的一部分将会直接向上传播进入陶瓷层，反之当陶瓷层与粘结层之间存在界面裂纹或剥离时，粘结层和合金基底内向陶瓷层传播的一部分超声波会受界面裂纹或剥离的阻挡，最后可通过与一激光干涉仪相连的激光接收器测量探头下方陶瓷层表面的超声波信号，并根据所测得的超声波信号的幅值和延迟时间来判断探头下方陶瓷层与粘结层之间是否存在界面裂纹或剥离，以及裂纹或剥离的大小。
Claims (8)
1.一种用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，包括方形桶状壳体(1)、底板(2)、U型永久磁体(3)、盖板(4)、激光干涉仪头(5)和两个矩形激励线圈(8，9)，其特征在于：方形桶状壳体(1)两端开口，底面内部两侧带有两个用于承载底板(2)的凸台，方形桶状壳体(1)上端外沿均匀分布有4个用于连接盖板(4)的安装孔(7)，方形桶状壳体(1)正面设有一个信号输入端口(6)；U型永久磁体(3)上端设有可导入激光干涉仪头(5)产生的激光束的圆柱形孔(10)；盖板(4)下底面带有用于固定U型永久磁体(3)的凸台，盖板(4)上设有用于固定激光干涉仪头(5)带螺纹孔的固定装置(11)；两矩形激励线圈(8，9)位于底板(2)上表面中央，并保持有间距，两矩形激励线圈(8，9)与信号输入端口(6)相连，激光干涉仪头(5)固定在盖板(4)上。
2.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，方形桶状壳体(1)和盖板(4)由奥氏体不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，底板(2)由绝缘树脂材料制成。
4.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，U型永久磁体(3)为强磁性铷铁硼材料。
5.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，激励线圈(8，9)采用两个矩形线圈并排水平布置，激励线圈(8，9)与信号输入端口(6)相连时，要确保线圈(8)和线圈(9)中电流流向相反。
6.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，两个矩形激励线圈(8，9)的尺寸相同，长和宽分别约为8毫米和4毫米，矩形激励线圈(8，9)所用导线的截面宽度约为1毫米，两矩形激励线圈(8，9)之间的水平间距约为1毫米。
7.根据权利要求1所述的用于热障涂层无损检测的激光-电磁超声探头装置，其特征在于，激光干涉仪头(5)的发射口与U型永久磁体(3)上的圆柱形孔(10)正对，保证激光干涉仪头(5)发射的激光束能通过圆柱形孔(10)并落在两矩形激励线圈(8，9)之间的中线上。
8.一种使用权利要求1所述探头进行热障涂层无损检测的激光-电磁超声方法，其特征在于，具体实施过程包括：
1)将检测探头贴近热障涂层材料表面，通过在两个并排水平布置的矩形激励线圈(8，9)中施加高压脉冲电流，脉冲持续时间约为0.2微秒，电流峰值约为500安培，在空间中产生瞬态交变电磁场；
2)激励线圈(8，9)所产生的交变磁场在金属粘接层(13)和合金基底(14)内感应出涡流，并与永久磁体(3)所产生的静磁场相互作用产生交变的洛沦兹力，从而只陶瓷层下方的金属粘接层(13)和合金基底(14)内激发超声波；
3)当探头下方陶瓷层(12)和金属粘接层(13)界面完好时，在金属粘接层和合金基底内产生的超声波(15)的一部分会直接通过金属粘接层(13)和陶瓷层(12)之间的界面向上传播进入陶瓷层(12)，并在陶瓷层(12)表面产生相应的微小振动；当陶瓷层(12)和金属粘接层(13)之间存在界面裂纹或剥离时，金属粘接层(13)和合金基底(14)内向陶瓷层(12)传播的一部分超声波(17)会受到界面裂纹的阻碍，而无法进入陶瓷层(12)；
4)通过与一激光干涉仪相连的激光干涉仪头(5)来测量经过陶瓷层(12)和金属粘结层(13)界面进入陶瓷层(12)的透射超声波信号的幅值和延迟时间，并与在无裂纹涂层中获得的检测信号比较来检测陶瓷层(12)和金属粘结层(13)之间的界面裂纹或剥离。
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