CN104502446A - 基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机检测领域，公开了一种基于无损检测技术预测透平叶片高温合金涂层服役状况的方法，包括步骤：选取一个测试位置，利用高频电涡流对选取的测试位置进行测试，获得阻抗—扫描频率测试谱线图；制作一个基体标准试块，再制作涂覆有可接受的最大厚度和最小厚度高温合金涂层的标准试块各一个，利用相同频率的高频电涡流分别测试获得基体标准试块和最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图；将测试位置的阻抗-扫描频率测试图与标准阻抗—扫描频率测试谱线图进行对比，判断测试位置的高温合金涂层是否失效，对未失效的危险点位置预测剩余寿命。本发明能够快速对高温合金涂层服役状况进行分析。

Description

基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机热端部件涂覆高温合金涂层服役状况快速分析技术领域，特别是涉及一种基于无损检测技术预测透平叶片高温合金涂层服役状况的方法。

背景技术

随着燃气轮机进口温度不断提高和服役环境不断恶化，燃气轮机高温热端部件一般都涂覆有隔热和抗高温氧化涂层，尤其以透平前几级叶片必须涂覆合金涂层或热障涂层，以保护基体合金免受热腐蚀介质冲蚀和减少燃气到达叶片金属基体的温度，使基体材料在可承受的温度下保持一定的强度和塑性，维护部件正常运行。

然而这些涂层不可避免的由于服役而退化，这也是叶片定期更换的主要原因。对涂层的服役寿命的研究主要集中于实验室阶段，几乎没有针对电厂实际运行的热端部件表面高温合金涂层的监测和管理，电厂一般都是根据运行时间达到一定的服役时间(例如中修24000h)或允许达到一定的次数(例如中修900次)来确定维修间隔，一般中修主要是检查所有暴露于高位通道的零部件，如燃烧室过渡段以及第一级透平喷嘴组件全部拆下，往往电厂的机组会出现未达到维修时间叶片涂层出现破坏而造成叶片的损伤甚至机组事故，或者出现达到了中修的时间，叶片涂层完好和机组运行良好，不需要进行维修，在实际运行过程中难以准确监测和管理高温合金涂层的服役状况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何快速对高温合金涂层服役状况进行分析，获得涂层服役寿命，指导电厂用户制定合理的维修周期。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于无损检测技术预测透平叶片高温合金涂层服役状况的方法，其可以包括如下步骤：

S1：选取一个待测的透平叶片高温合金涂层的测试位置，利用高频电涡流对选取的测试位置进行测试，获得阻抗—扫描频率测试谱线图；

S2：制作一个与待测的透平叶片基体材质相同的基体标准试块，再制作一个涂覆有可接受的最大厚度高温合金涂层的标准试块和一个涂覆有可接受的最小厚度高温合金涂层的标准试块，涂覆的高温合金涂层的厚度通过测量得出，利用与S1中相同频率的高频电涡流分别测试获得基体标准试块的基体阻抗—扫描频率测试谱线图，和最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图；

S3：对S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图进行处理，将处理后的S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图与S2中获得的基体标准阻抗—扫描频率测试谱线图以及最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图进行对比，判断S1中的测试位置的高温合金涂层是否失效；

S4：若判断待测的透平叶片未达到服役寿命，通过高频电涡流继续测定该透平叶片上的危险点位置处的高温合金涂层厚度，经过误差分析，获得该危险点处的高温合金涂层有效相厚度和消耗铝厚度，根据高温合金涂层寿命预测模型，预测该透平叶片高温合金涂层的剩余寿命。

其中，所述扫描频率的范围为0.1～30MHz。

其中，所述步骤S1中，对待测的透平叶片高温合金涂层区域进行网格划分确定所述测试位置，以透平叶片轴向为纵轴，以平行于透平叶片平台区为横轴截面，以高频电涡流的测试探头的直径为间距，在叶身表面划分网格线，以网格线的交叉点作为测试位置的坐标值或相对坐标点，进行逐点测试或进行分区域测试。

其中，所述步骤S1中，测试高温合金涂层时，需要除去透平叶片表面的铁磁性杂质。

其中，所述步骤S2中，最小厚度和最大厚度高温合金涂层的厚度为80μm和200μm。

其中，所述步骤S3中，所述判断高温合金涂层是否失效包括以下步骤：确定涂层所属类型，根据测得的阻抗—扫描频率测试谱线图与基体标准阻抗—扫描频率图谱和最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图比较，若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体曲线上方，则跳到步骤S4；若待测涂层的阻抗-扫描频率图位于最大厚度的标准阻抗-扫描频率以上，则涂层完好，为涂层的设计寿命；若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体曲线下方，则判断涂层失效，测试结束；若新涂层的阻抗-扫描频率图位于最小厚度的标准阻抗-扫描频率图以下，则判断新涂层不合格。

其中，所述步骤S4中，高温合金涂层危险点位置确定，该位置与叶片设计、机组运行工况相关，机组叶片气动设计不同，叶片冷却方式不同，涂层表面温度不同，危险点的位置各不相同，通过气动设计预测涂层危险点位置，或通过破坏性分析确定叶片破坏位置，判断危险点位置，或采用全面测试多点查找，确定危险点位置。

其中，所述步骤S4中，利用涡流检测传感器连接涡流检测仪，将涡流检测传感器置于空气中，建立涡流信号平衡点，采集每一个测试位置的涡流信号，按照模型：

计算出待测的高温合金涂层厚度；

其中，D为待测高温合金涂层的厚度，m；f为待测高温合金涂层的电流频率，Hz；u为相对磁导率，无量纲；r为电导率，S/m；

获得的高温合金涂层厚度带入寿命预测模型，假设原始高温合金涂层的有效相厚度为L₁，总寿命为t_总，服役后高温合金涂层的有效相厚度为L₂，剩余寿命为t_剩，其中t_剩＝(L₂/L₁)·t_总，即可获得高温合金涂层的剩余寿命。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，利用高频电涡流测试技术建立了高温合金涂层电涡流无损检测与寿命预测、服役状况之间的关系，高频电涡流设备简单，扫描频率和信号处理装置简单易携带，可以快速获得高温合金涂层的阻抗图谱，与标准涂层的阻抗图谱进行对比，快速判断服役后的叶片高温合金涂层是否存在缺陷，对不存在缺陷和涂层完整的涂层，获得特征相的厚度，代入寿命预测模型，可对叶片进行剩余寿命预测，实现了涂层寿命预测管理；不受场地和人员的限制，可实现大规模自动化的检测。

附图说明

图1为本发明一种基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法具体实施过程示意图；

图2为热障涂层示意图；

图3为阻抗-频率与涂层服役状况关系图；

图4为典型的MCrAlY涂层服役后微观结构变化图；

图5为本发明一种实施例的6B机组叶片的测试示意图；

图6为本发明一种实施例的6B机组GT29+涂层的测试结果。

图中：10：氧化锆层；20：TGO层；30：有效相层；40：基体；

图4中：L₁，L₂，L₃为各个层的测量厚度，r₁，r₂，r₃为各个层的电导率，r₄为基体的电导率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

快速对高温合金涂层服役状况进行分析，通过高温合金涂层内部特征相在服役过程中变化，引起高温合金涂层化学成分变化，从而通过测定电导率和磁导率的变化情况，获得高温合金涂层的扫描频率和阻抗关系图谱，判断高温合金涂层是否存在缺陷和损坏，对高温合金涂层没有达到使用寿命的危险点位置进行特征相厚度的测量，通过氧化动力学曲线和高温合金涂层厚度关系，获得高温合金涂层服役寿命。高频电涡流对高温合金涂层内部微观组织变化进行表征，高温合金涂层电导率和磁导率不同，可以通过直观谱线反映出来。无损检测的目的在于获得一种非破坏性的方法评价高温合金涂层质量控制和提高高温合金涂层健康寿命管理的准确性，高温合金涂层在服役的过程中存在涂层氧化和腐蚀，以及涂层内部的裂纹萌生和长大现象，机组的服役过程中如何实现无损检测，控制涂层的服役过程对于机组的涂层破坏造成基体40无法修复引起的叶片的报废，避免造成重大的经济损失。如图1所示，为本发明提供的一种基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其可以包括如下步骤：

S1：选取一个待测的透平叶片高温合金涂层的测试位置，利用高频电涡流对选取的测试位置进行测试，获得阻抗—扫描频率测试谱线图，其中扫描频率的范围为0.1～30MHz；

高频电涡流是通过电涡流信号对导电膜层反射阻抗所产生的趋肤效应，不受基体40是否磁性的影响，只要膜层是导电材料就可以测量；

如图2所示，为燃气轮机高温部件的涂层体系，一般分为上层热障涂层，下层粘结层，随着服役温度和时间变化，两层之间生成高温氧化(TGO)层20，一般情况下，涂层体系中热障涂层的厚度为0.2～0.4mm，粘结层的厚度为0.1～0.3mm，TGO层20的生长厚度约为0.02mm；

S2：制作一个与待测的透平叶片基体40材质相同的基体40标准试块，再制作一个涂覆有可接受的最大厚度高温合金涂层的标准试块和一个涂覆有可接受的最小厚度高温合金涂层的标准试块，涂覆的高温合金涂层的厚度通过测量得出，利用与S1中相同频率的高频电涡流分别测试获得基体40标准试块的基体40阻抗—扫描频率测试谱线图，最大厚度的高温合金涂层和最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图；

S3：对S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图进行处理，将处理后的S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图与S2中获得的基体40标准阻抗—扫描频率测试谱线图以及最大厚度的高温合金涂层、最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图进行对比，判断S1中的测试位置的高温合金涂层是否失效；

S4：若判断待测的透平叶片未达到服役寿命，通过高频电涡流继续测定该透平叶片上的危险点位置处的高温合金涂层厚度，经过误差分析，获得该危险点处的高温合金涂层有效相层30厚度和消耗铝厚度，根据高温合金涂层寿命预测模型，预测该透平叶片高温合金涂层的剩余寿命。高频电涡流扫描系统采用高频频率扫描涡流技术，根据不同层的微小电导率和磁导率差异区分多层检测材料(涂层和基底)。基于电磁波和分层电导材料之间交互模型，系统采集数据通过涡流检测仪进行分析，同时得到涂层厚度和阻抗谱线，经过误差分析得到接近于真实值的涂层厚度。

基于高温合金涂层中元素高温氧化扩散理论和Arrhenius方程，可以建立高温合金涂层的寿命预测模型。高温合金涂层中热导率的变化以及高温合金涂层内部有效相的减少和TGO层20的增加，已经被许多学者研究用来预测高温合金涂层的服役状态，在涂覆热障涂层或涂覆热障涂层MCrAlY涂层，随着高温合金涂层服役时间的延长和服役温度的作用，内部出现TGO层20，如图2所示，其中TGO层20的生长满足氧化动力学公式：

δ_ox＝k_ptⁿ      (1)

$k_p=k_0\exp (-\frac{Q}{\mathrm{RT}})---\left(2\right)$

其中，δ_ox为生成TGO层20厚度，t为高温合金涂层服役的时间，n为指数，通常取值为1/2，k_p为t时刻氧化动力学系数,k₀为初始时刻氧化动力学系数，该值与高温合金涂层的成分有关，可通过实验的方法确定，Q为激活能，R为气体常数，T为高温合金涂层服役的温度。通过上述的方程联立，可求得高温合金涂层服役温度与服役时间的关系，即方程(3)

$T=-\frac{Q}{R}\frac{1}{\ln \frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ox}}}{k_0{t}^n}}---\left(3\right)$

通过方程(1)、(2)、(3)建立了高温合金涂层服役的温度-时间-内部TGO层20的厚度之间的关系，通过研究表明，高温合金涂层在服役过程中存在涂层有效相减少，TGO层20增厚，内部氧化层的增加，这些涂层的厚度都满足上述方程(1)的关系，都可以建立温度-时间-特征相厚度之间的关系，对于表面渗铝的涂层，特征相为内扩散层，其中公式(1)中的δ_ox值对应为(W-W₀),其中W₀为初始的内扩散层厚度。对于一般的高温合金涂层，随着TGO层20的生长，合金层内部的Al元素和基体40元素扩散，使得涂层内部出现有效相(即富铝的β相)减少，铝贫化层的增加，引起磁导率和电导率的变化，可以通过高频电涡流的方式测定涂层变化后的阻抗变化，当有效相层30厚度达到临界值时，判断涂层氧化寿命达到了使用寿命，涂层不能具有保护作用，出现其他元素快速氧化，最终出现涂层失效。

在役的涂层状态评估需要通过实验知道特定涂层－基底体系的β铝损耗和电导率之间的关系，此实验可以很容易地通过对比数据和一小块透平叶片的显微图像分析结果完成。

其中，所述步骤S1中，对待测的透平叶片高温合金涂层区域进行网格划分确定所述测试位置，以透平叶片轴向为纵轴，以平行于透平叶片平台区为横轴截面，以高频电涡流的测试探头的直径为间距，在叶身部位划分网格线，以网格线的交叉点作为测试位置的坐标值或相对坐标点，进行逐点测试或进行分区域测试。

其中，所述步骤S1中，测试高温合金涂层时，无需对透平叶片表面进行特殊处理，仅需要除去透平叶片表面的铁磁性杂质。

其中，所述步骤S2中，最小厚度和最大厚度高温合金涂层的厚度为80μm和200μm。

其中，所述步骤S3中，所述判断高温合金涂层是否失效包括以下步骤：确定涂层所属类型，根据测得的阻抗—扫描频率测试谱线图与基体标准阻抗—扫描频率谱线图和最大厚度的高温合金涂层、最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图比较，若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体标准阻抗—扫描频率谱线图的基体曲线上方，则跳到步骤S4；若待测涂层的阻抗-扫描频率谱线图位于最大厚度的标准阻抗-扫描频率测试谱线图上方，则涂层完好，类似于未使用的涂层不需要进行剩余寿命判断，即涂层未出现退化现象；最小厚度的标准阻抗-扫描频率图，主要用来判断新的涂层是否合格，若位于最小涂层的标准阻抗-扫描频率下方，则涂层不合格；若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体标准阻抗—扫描频率谱线图的基体曲线下方，则判断涂层失效，测试结束。

其中，所述步骤S4中，高温合金涂层危险点位置确定，该位置与叶片设计、机组运行工况相关，机组叶片气动设计不同，叶片冷却方式不同，涂层表面温度不同，危险点的位置各不相同，通常情况下，可通过三种方式来确定危险点的位置。一种方法为通过气动设计来计算高温合金基体40温度最高的位置，确定为高温合金涂层的危险点位置；第二种方法为破坏性分析的方法，通过扫描电镜观察基体40和涂层在不同截面和部位的金相照片，确定叶片服役后高温合金涂层组织恶化的位置，判断为危险点位置；第三种方法也可采用无损检测的方法，对叶片全面测试多点查找，对比阻抗谱线和特征性的厚度值，确定危险点位置。这三种方法都可以确定危险点的位置，以破坏性分析最为准确，但需要耗费大量的人力和时间，需要对叶片进行充分的取样，且叶片不可恢复。

其中，所述步骤S4中，利用涡流检测传感器连接涡流检测仪，将涡流检测传感器置于空气中，建立涡流信号平衡点，采集每一个测试位置的涡流信号，按照模型：

计算出待测的高温合金涂层厚度；

其中，D为待测高温合金涂层的厚度，m；f为待测高温合金涂层的电流频率，Hz；u为相对磁导率，无量纲；r为电导率，S/m；

获得的高温合金涂层厚度带入寿命预测模型，即可获得涂层的服役温度，根据服役温度，高温合金涂层特征相临界厚度，在进行寿命预测时，需要对待测的涂层进行分析，判断涂层的类型，假设涂层服役后出现多层结构，如图4中所列举的涂层状况，不同类型的涂层，服役后涂层的组织变化情况不同，选取不同的预测涂层剩余寿命的特征相厚度，具体参数需要根据涂层的化学成分、涂层的喷涂方式、涂层服役过程中组织变化所确定。

涂层在服役过程中，内部组织发生变化，其中富含Al的MCrAlY涂层，出现Al元素向外迁移，与氧发生作用，生成具有保护作用的致密氧化铝涂层，随着Al氧化涂层逐渐增厚，出现两种结果博弈，一方面，涂层具有致密性，阻止了氧原子进一步迁移，氧化铝涂层生产速度减缓，另一方面，涂层不断增厚，内应力不断增大，当涂层到达临界尺寸时，出现剥落和破坏，会对表面的氧化锆层10造成破坏，表面1出现裂纹和脱落，内部MCrAlY层出现新的氧化，但由于MCrAlY涂层中Al元素含量有限，不能形成新的致密氧化铝涂层，其他活性元素发生氧化，出现氧化铬、氧化钇等氧化物涂层，这些涂层，不具有致密性，且氧化后容易破坏，造成涂层进一步氧化和破坏,甚至造成基体40破坏，导致涂层在整个服役过程中，出现电导率和磁导率的变化。

通过电涡流仪器进行测量，可以得到频率和阻抗关系图，如图3所示，每一个涂层测试位置都可以得到一个阻抗曲线，不同阻抗值反应不同涂层性质，如图3所示，通过制备标准样品，对样品进行服役过程失效损坏实验，获得MCrAlY涂层阻抗和频率关系图，多频扫射频率为0.6～18MHz，图中自上而下，四条曲线分别对应完整高温合金涂层阻抗图、基体40阻抗图、高温合金涂层出现缺陷阻抗图和基体40内部出现裂纹缺陷阻抗图，不同服役状态下可以测定得到不同的阻抗频率关系图。这些特征图谱作为判断依据，与服役后透平叶片表面测试得到的阻抗图进行对比，当阻抗-频率曲线位于基体40阻抗曲线之上，则涂层是完整的，同时阻抗-频率曲线位于新的涂层之下，可对涂层的服役过程进行预测；当测得涂层阻抗-频率曲线位于基体40阻抗-频率曲线之下，则表面涂层存在缺陷；当测得的涂层阻抗-频率曲线接近和超出第四条曲线，说明涂层已经遭到破坏，甚至基体40内部出现裂纹缺陷，作为首次判断涂层的服役状况，对于破坏的涂层或者存在基体40内部出现裂纹的叶片，不需要进行涂层的服役寿命计算和预测，直接作为报废件处理，因此可以快速分析涂层是否达到报废的标准。

同时，通过高频电涡流仪器，对服役前和服役后的MCrAlY涂层都可进行测试和表征涂层厚度，如图5所示，涂层电导率和阻抗值的不同，可以区分出这些涂层。在进行涂层氧化寿命预测时，主要考虑有效相30厚度变化，即图5中有效相层30厚度EBT(有效相)厚度变化，不同的高温合金涂层EBT(有效相)变化不同，可以预测涂层的服役时间。

通过软件数据库，不同的电导率对应不同的涂层厚度，经过误差分析，修正后得到每一层涂层厚度，带入涂层氧化寿命预测模型，计算涂层服役的寿命，涂层中有效相层30的厚度变化也可以作为寿命预测的评价标准。假设原始涂层的有效相层30厚度为L₁，总寿命为t_总，服役后涂层的有效性厚度为L₂，剩余寿命为t_剩，其中t_剩＝(L₂/L₁)·t_总。

还可以通过破坏性分析，获得显微照片，通过统计学的方法，得到涂层的每一个特征相的厚度值，带入寿命预测模型，获得涂层的服役寿命，与无损检测的结果进行对比，积累涂层的寿命预测的试验数据，为电厂用户获得更准确的涂层服役状况，指定维修计划，节约电厂用户的维修成本。

高温合金涂层，既可以预测表面涂覆热障涂层(TBC)完整涂层，也可以预测表面不喷涂TBC高温合金涂层，由于TBC涂层不具有导电性能，在标样测量时可以通过涂层厚度差计算得到TBC厚度。

实施例一

某电厂的6B机组在运行30523.59小时，重油运行25424.64小时，点火启动1798次，叶身表面有结垢，返修一次，返修的运行时间为24000小时，但其具体维修情况不详。叶片表面观测，存在严重的结垢现象，其中压力面尾缘一侧具有很厚的结垢层，初步分析为腐蚀产物冲刷，压力面平台区底部也存在大量的腐蚀产物的堆积，会增加氧化和腐蚀的情况，吸力面叶身90％高度以上尾缘也存在着腐蚀和高温烧损现象，叶片表面无需进行特殊的处理，仅需要判断表面的沉积产物没有铁磁性的物质存在，影响仪器的测试精度即可。

对叶片叶身表面进行网格划分，对需要测定的位置进行标记，确定测试序号，对测试位置进行探头测试，获得涂层阻抗-频率分布图，如图6所示，图中破坏性切割的试样为叶身60％位置处的横截面，通过高频无损检测设备测试图5标记的7个位置(1、2、3、4、5、6、7)，得到不同表面的涂层阻抗-频率图，先与阻抗-频率和涂层状态特征谱线进行比较，图6得到的谱线位于基体40谱线之上，说明涂层保存完整，不存在涂层缺陷和基体40缺陷，可以进一步用来判断涂层服役寿命。

一般认为，最危险涂层寿命代表了整个叶片服役寿命，通过分析，位置1处，即尾缘位置涂层处于最下端，涂层阻抗最低。利用高频电涡流测厚技术，涡流检测传感器连接涡流检测仪，将涡流检测传感器置于空气中，建立涡流信号平衡点，采集每一个检测点的涡流信号，按照模型

$D=\frac{503}{\sqrt{\mathrm{fur}}}$

其中，D为待测涂层的厚度，f为待测涂层电流频率，Hz，u为相对磁导率，无量纲，r为电导率，S/m，可获得每一检测涂层的厚度，通过标准试样的标定，涡流测厚仪测定MCrAlY涂层总厚度(TCT)为300μm，测试获得有效相层30厚度(EBT，即MCrAlY中富含Al的涂层)为187μm，经过误差分析，内部扩散层的厚度计算公式W_修正＝C₁(W_总-W_有效相)+C₂W_有效相+C₃，其中C₁，C₂，C₃，为常数，此处取值为C₁＝0.45，C₂＝0.29，C₃＝0不同的数值可以根据经验获得，其中C₁为测试位置存在的平面弧度不同，而引入的误差修正，内部扩散层厚度为W_修正＝72μm，带入寿命预测公式，获得的服役温度为970℃。

对于预测涂层寿命时，需要获得危险位置的涂层失效的临界值，根据经验以新的涂层的有效相层30厚度消耗达到70％时，判断涂层将迅速的失效。将预测温度的参数带入涂层的寿命预测公式：其中

W_临界＝96μm，带入Q_BDL＝353301J/mol，K₀＝4.02×1014(μm²/h)，T＝1243K，按照计算公式:

可以获得无损检测预测的涂层寿命为6287h。

同时为了作为对比，通过破坏性试验获得涂层的总厚度为W_总＝280μm，有效相层30厚度为W_有效相＝116μm，涂层中渗铝层的厚度为W_渗铝＝83μm，内部扩散层的厚度为W＝81μm。符合经典的阿伦尼乌斯公式

$k=k_0\exp (-\frac{Q}{\mathrm{RT}})$

同时存在涂层内部的扩散层变化符合氧化动力学曲线，

(W-W₀)²＝K_pt，W₀＝10μm，其中Q为活化能常数，R为气体常数，K₀氧化动力学常数，不同的涂层都存在其特征值，经过整理，可以获得涂层的表面温度

得到公式中的常数为Q_BDL＝353301J/mol，K₀＝4.02×1014(μm²/h)，其中带入预测的数据，可得到尾缘位置的服役温度为980℃，

其中T＝1253K为涂层表面服役温度，t为涂层的服役寿命，根据涂层失效的判断标准，当涂层中有效相层30厚度达到临界值时，即W_临界为涂层的服役极限尺寸，其中W_临界＝106μm，涂层的寿命预测公式为

破坏性分析方法获得涂层寿命为5663h。

对比这两个数据，预测温度相差10℃，无损检测和破坏性分析预测的温度较接近，剩余寿命预测相差600小时，误差值在10％左右，由于叶身60％位置处，涂层的温度接近980℃，以及接近超温的服役环境，机组在重油的环境下运行，对涂层的寿命产生较大的影响，表面简单处理后，腐蚀产物仍然存在，所以预测涂层服役温度误差值较大。但此误差范围对于无损检测方法在寿命预测上的应用，仍然是有广阔的前景的，随着数据库的积累，对测定的涂层厚度进行修正，越接近于真实值，预测的服役时间的误差也就越小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：选取一个待测的透平叶片高温合金涂层的测试位置，利用高频电涡流对选取的测试位置进行测试，获得阻抗—扫描频率测试谱线图；

S2：制作一个与待测的透平叶片基体材质相同的基体标准试块，再制作涂覆有可接受的最大厚度高温合金涂层的标准试块和涂覆有可接受的最小厚度高温合金涂层的标准试块各一个，涂覆的高温合金涂层的厚度通过测量得出，利用与S1中相同频率的高频电涡流分别测试获得基体标准试块的基体标准阻抗—扫描频率测试谱线图，和最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图；

S3：对S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图进行处理，将处理后的S1中获得的阻抗—扫描频率测试谱线图与S2中获得的基体标准阻抗—扫描频率测试谱线图以及最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图进行对比，判断S1中的测试位置的高温合金涂层是否失效；

S4：若判断待测的透平叶片未达到服役寿命，通过高频电涡流继续测定该透平叶片上的危险点位置处的高温合金涂层厚度，经过误差分析，获得该危险点处的高温合金涂层有效相厚度和消耗铝厚度，根据高温合金涂层寿命预测模型，预测该透平叶片高温合金涂层的剩余寿命。

2.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述扫描频率的范围为0.1～30MHz。

3.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对待测的透平叶片高温合金涂层区域进行网格划分确定所述测试位置，以透平叶片轴向为纵轴，以平行于透平叶片平台区为横轴截面，以高频电涡流的测试探头的直径为间距，在透平叶片叶身部位划分网格线，以网格线的交叉点作为测试位置的坐标值或相对坐标点，进行逐点测试或进行分区域测试。

4.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S1中，测试高温合金涂层时，需要除去透平叶片表面的铁磁性杂质。

5.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S2中，最小厚度和最大厚度高温合金涂层的厚度为80μm和200μm。

6.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述判断高温合金涂层是否失效包括以下步骤：确定涂层所属类型，根据测得的阻抗—扫描频率测试谱线图与基体标准阻抗—扫描频率谱线图和最大厚度的高温合金涂层与最小厚度的高温合金涂层的标准阻抗—扫描频率测试谱线图比较，若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体曲线上方，则跳到步骤S4；若测得的阻抗—扫描频率测试谱线图的测量曲线位于基体曲线下方，则判断涂层失效，测试结束。

7.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S4中，高温合金涂层危险点位置确定，该危险点位置与叶片设计、机组运行工况相关，机组叶片气动设计不同，叶片冷却方式不同，涂层表面温度不同，危险点的位置各不相同，通过气动设计预测危险点位置，或通过破坏性分析确定叶片破坏位置，判断危险点位置，或采用全面测试多点查找，确定危险点位置。

8.如权利要求1所述的基于无损检测技术预测高温合金涂层服役状况的方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用涡流检测传感器连接涡流检测仪，将涡流检测传感器置于空气中，建立涡流信号平衡点，采集每一个测试位置的涡流信号，按照模型：

计算出待测的高温合金涂层厚度；

其中，D为待测高温合金涂层的厚度，m，f为待测高温合金涂层的电流频率，Hz，u为相对磁导率，无量纲，r为电导率，S/m；

获得的高温合金涂层厚度带入寿命预测模型，假设原始高温合金涂层的有效相厚度为L₁，总寿命为t_总，服役后高温合金涂层的有效相厚度为L₂，剩余寿命为t_剩，其中t_剩＝(L₂/L₁)·t_总，即可获得高温合金涂层的剩余寿命。