CN102954968A - 热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法 - Google Patents

热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法 Download PDF

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吕志超
苏罗川
许荣
王峰
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Abstract

热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法，检测系统包括和待测热障涂层部件连接的电磁加热设备和红外热像仪，和所述红外热像仪连接的计算机；其检测方法为：将电磁加热设备的导体线圈缠绕在待测热障涂层部件上，然后将导体线圈和供电系统相连接，随后采用红外热像仪对待测热障涂层部件的涂层表面温度场进行红外图像采集，最后将采集到的图像输入计算机，通过计算机处理后最终得到检测结果；利用电磁感应使高温合金基体升温，通过监测陶瓷涂层表面温度场得到缺陷分布；涡流产生的热量分布均匀，检测结果精度高，避免了热流注入方向的不同造成的误差；检测过程不会对待测热障涂层部件造成损伤；检测速度快、效率高；操作便捷，造价低廉。

Description

热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及热障涂层部件缺陷监测技术领域，特别涉及热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法。
背景技术
热障涂层（thermal barrier coatings，TBC）是一种先进的材料系统，主要应用于燃气轮机及发动机部件等高温环境下工作的金属制品表面。热障涂层通过阻隔高温，起到延长结构部件热疲劳寿命、改善结构部件抗氧化性能的作用。热障涂层一般由四个部分组成，由外到内依次为陶瓷涂层、热生长氧化层（TGO）、过渡层（BC）以及高温合金基体，起到热障作用的主要是陶瓷涂层。
热障涂层主要的失效形式是陶瓷涂层的剥落，导致热障涂层失效的直接原因是结构中缺陷的形成和扩展。如果发现涡轮叶片等部件内部存在较大较多缺陷就要及时更换，因此对结构中的缺陷大小及其数量的检测便成为TBC生产和服役过程中极重要的一环。
热障涂层中缺陷的形成原因主要有喷涂过程中形成的微缺陷、TGO生长扩散形成的缺陷、AL2O3相变引起的缺陷、尖晶石的生成引起的缺陷，这些缺陷主要集中在TGO附近。这种缺陷存在于结构内部，无法通过光学手段从外部进行检测，是燃气轮机涡轮叶片、发动机部件等热障涂层的应用部件工作时的主要失效隐患之一。
在热障涂层部件缺陷的实际检测中主要应用的方法是目视检测、孔探检测以及超声波和CT检测。目视检测是最简单常用的方法，可以发现涂层表面尺寸较大的缺陷，但这种方法不适用于内部缺陷的检测且检测误差较大。孔探检测是对涡轮叶片的一种检测技术，它是利用探视孔，通过光学图像对结构进行检测评估，这种方法不形成破坏和损伤，不必分解检测对象，但无法检测内部缺陷。超声波CT检测技术是根据缺陷周围的散射波反演物体内部结构图像的技术，可检测到10-2m级的内部缺陷，精度高，但其设备昂贵，检测成本较高，检测技术复杂。
如何对热障涂层系统中的缺陷进行无损检测成为热障涂层应用中亟待解决的问题。其主要要求有：不仅能检测热障涂层表面的缺陷，而且能检测其内部缺陷；具有较高的精度；检测时不能对TBC造成破坏；具有较高的精度；操作便捷且具有较高的检测效率。
基于以上几点考虑，我们提出了一种对热障涂层部件进行无损检测的系统。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统及检测方法，本发明检测系统及检测方法不仅能检测热障涂层表面的缺陷，而且能检测其内部缺陷；具有较高的精度；检测时不对热障涂层造成破坏；具有较高的精度；操作便捷且具有较高的检测效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统，包括和待测热障涂层部件连接的电磁加热设备和红外热像仪，和红外热像仪连接的计算机。
所述电磁加热设备包括相连接的交流电供电系统和导体线圈。
上述检测系统对热障涂层部件的检测方法，首先将电磁加热设备的导体线圈缠绕在待测热障涂层部件上，然后将导体线圈和供电系统相连接，通电后的导体线圈产生的交变磁场作用于待测热障涂层部件上，待测热障涂层部件中的高温合金基体将在此交变磁场的作用下产生很强的涡流从而产生大量的热量，这些热量从高温合金基体向温度较低的陶瓷涂层转移，随后采用红外热像仪对待测热障涂层部件的涂层表面温度场进行红外图像采集，根据物理学中的斯蒂芬-玻尔兹曼定律，可知热辐射与绝对温度四次方成正比，Eb＝εσ0T4，其中Eb是辐射力，ε是材料的黑度，σ0是黑体辐射常数，T是绝对温度。温度的改变引起辐射力变化为δEb＝4εσ0T3δT。再根据维恩位移定律，最大单色辐射力波长与温度之间有λmT＝2.8976×10-3m□K，温度的变化引起最大单色辐射力波长改变为热障涂层若存在界面脱粘，则脱粘处导热率与完好处不同，导热率大小与脱粘程度相关，则热障涂层表面温度不同。反映在热像上即存在斑块。斑块大小、颜色与脱粘面积、损伤程度相关。将采集到的图像输入计算机，分析热像中是否存在斑块、斑块数量以及斑块大小与颜色，可以确定脱粘位置、缺陷数量和损伤程度。
本发明的优点在于：利用电磁感应使高温合金基体升温，热量从高温合金基体向温度较低的陶瓷涂层转移，通过监测陶瓷涂层表面温度场得到缺陷分布，从而对热障涂层中的缺陷进行检测。涡流产生的热量分布均匀，检测结果精度高，避免了热流注入方向的不同造成的误差；检测过程不会对待测热障涂层部件造成损伤；检测速度快、效率高；操作便捷，造价低廉。
附图说明
图1是本发明检测系统示意图。
图2是本发明方法实施效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统，，包括和待测热障涂层部件连接的电磁加热设备和红外热像仪，和红外热像仪连接的计算机。所述电磁加热设备包括相连接的交流电供电系统和导体线圈。
本发明检测系统对热障涂层部件的检测方法，首先将电磁加热设备的导体线圈缠绕在待测热障涂层部件上，然后将导体线圈和供电系统相连接，通电后的导体线圈产生的交变磁场作用于待测热障涂层部件上，待测热障涂层部件中的高温合金基体将在此交变磁场的作用下产生很强的涡流从而产生大量的热量，这些热量从高温合金基体向温度较低的陶瓷涂层转移，随后采用红外热像仪对待测热障涂层部件的涂层表面温度场进行红外图像采集，最后将采集到的图像输入计算机，通过计算机处理后最终得到检测结果，即热障涂层部件中的缺陷大小、位置和数量信息。
本发明的工作原理为：热障涂层部件中高温合金基体的电阻很低，热导率很高，陶瓷涂层不导电，且热导率极低。电磁加热设备产生交变磁场作用于待测热障涂层部件，由于电磁感应，高温合金基体将在此交变磁场的作用下产生很强的涡流从而产生大量的热量。这些热量从高温合金基体向温度较低的陶瓷涂层转移，红外热像仪对涂层表面温度场进行红外图像采集。由于空气的热导率远低于陶瓷涂层，因此涂层与基体间的缺陷将会影响热流从基体向涂层的传播如图2所示，从而导致陶瓷涂层表面温度场的改变，缺陷上方温度较低，不同温度的表面区域的红外辐射能力不同，采集到的红外图像就会发生变化。根据物理学中的斯蒂芬-玻尔兹曼定律，可知热辐射与绝对温度四次方成正比，Eb＝εσ0T4，其中Eb是辐射力，ε是材料的黑度，σ0是黑体辐射常数，T是绝对温度。温度的改变引起辐射力变化为δEb＝4εσ0T3δT。再根据维恩位移定律，最大单色辐射力波长与温度之间有λmT＝2.8976×10-3m□K，温度的变化引起最大单色辐射力波长改变为
Figure BDA00002357877200051
热障涂层若存在界面脱粘，则脱粘处导热率与完好处不同，导热率大小与脱粘程度相关，则热障涂层表面温度不同。反映在热像上即存在斑块。斑块大小、颜色与脱粘面积、损伤程度相关。将采集到的图像输入计算机，分析热像中是否存在斑块、斑块数量以及斑块大小与颜色，可以确定脱粘位置、缺陷数量和损伤程度。

Claims (3)

1.热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统，其特征在于：包括和待测热障涂层部件连接的电磁加热设备和红外热像仪，和红外热像仪连接的计算机。
2.根据权利要求1所述的热障涂层部件电磁涡流热成像无损检测系统，其特征在于：所述电磁加热设备包括相连接的交流电供电系统和导体线圈。
3.权利要求2所述的检测系统对热障涂层部件的检测方法，其特征在于：首先将电磁加热设备的导体线圈缠绕在待测热障涂层部件上，然后将导体线圈和供电系统相连接，通电后的导体线圈产生的交变磁场作用于待测热障涂层部件上，待测热障涂层部件中的高温合金基体将在此交变磁场的作用下产生很强的涡流从而产生大量的热量，这些热量从高温合金基体向温度较低的陶瓷涂层转移，随后采用红外热像仪对待测热障涂层部件的涂层表面温度场进行红外图像采集，最后将采集到的图像输入计算机，分析热像中是否存在斑块、斑块数量以及斑块大小与颜色，从而确定脱粘位置、缺陷数量和损伤程度。
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