CN108627539B - 热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法，属于无损检测技术领域。该方法包括如下步骤：试样制备步骤、试样检测步骤、参数确定步骤和试件检测步骤。本发明通过上述技术方案，可有效实现热障抗烧蚀涂层结构的非接触无损检测，有效实现热障抗烧蚀涂层缺陷的无损检测，特别是解决了多层复合涂层结构中涂层界面缺陷的定量检测难题，并具有可操作性强和检测效率高的优点。

Description

热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法。

背景技术

热障抗烧蚀涂层广泛应用于舰船发动机、燃气涡轮机、飞行器翼片、尾翼和舵片等高温、强气流冲刷等恶劣条件下工作的构件表面以对构件表面进行热保护。为了保证构件工作的安全可靠，有必要对热障抗烧蚀涂层的质量状态进行无损检测和评估。

目前，通常基于红外热像无损检测方法对热障抗烧蚀涂层的质量状态进行无损检测和评估。在红外热像无损检测方法中，主要包括：超声热成像法、涡流热成像法、激光热成像法和灯光热激励成像法。超声热成像法适用于裂纹检测；涡流热成像需要涂层材料导电且检测深度较小；激光热成像法对试件加热面积较小，适合于小试件检测。

灯光热激励成像法是一种脉冲红外热像无损检测技术，通过采用灯光激励源对有缺陷的试件表面进行热激励，热量在试件内部热传导。若试件内部存在缺陷，热传导受到阻碍，形成稳态或瞬态不均匀温度场，最终导致试件表面温度分布不均匀。利用红外热图像采集系统采集试件表面温度信号，利用热像分析系统分析提取热像信息，获得含有缺陷信息的热响应特征。该方法优点是灵敏度较高，能实现试件大范围的快速非接触无损检测。但是，针对不同复杂热障抗烧蚀涂层结构，特别是同时含有金属和非金属材料的多层复合涂层结构，传统的灯光热激励成像检测无法有效将热量传递到每一层涂层，同时在涂层材料导热特性差异较大时，原始热图像序列无法有效采集完整，无法实现涂层质量的定量化检测和评估。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法，其包括：试样制备步骤，采用与待测试件的热障抗烧蚀涂层相同的制备工艺制备标准试样，所述标准试样的热障抗烧蚀涂层的结构与所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构相同且均为多层结构，所述标准试样的热障抗烧蚀涂层中预设有模拟一种工艺缺陷的人工缺陷，所述标准试样的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质与所述待测试件的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质相同；试样检测步骤，在多个红外热像检测系统的检测参数下，分别利用所述红外热像检测系统对所述标准试样的热障抗烧蚀涂层依次进行主动热激励、提取热像序列数据、对所述热像序列数据进行处理以获得所述标准试样的热障抗烧蚀涂层的第一检测成像结果，检测参数包括：主动热激励时的输出功率、红外热图像的采集时间或帧数、帧频；参数确定步骤，根据预设的人工缺陷尺寸与多个所述第一检测成像结果中所显示的人工缺陷尺寸，确定检测所述预设的人工缺陷所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数；试件检测步骤，基于所述最优化检测参数下的红外热像检测系统，对所述待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测以获得所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的第二检测成像结果，并与在所述最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的所述一种工艺缺陷的质量状态。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的工艺缺陷有M种，在所述试件检测步骤之前还包括：参数再确定步骤，针对(M-1)种工艺缺陷中的每一种分别执行所述试样制备步骤、试样检测步骤、参数确定步骤，以确定所述(M-1)种工艺缺陷分别所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数；所述试件检测步骤基于所述M种工艺缺陷分别所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数下的红外热像检测系统，分别对所述待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测以获得所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的M个第二检测成像结果，并与各自对应的所述最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的M种工艺缺陷的质量状态；其中，M为≥2的自然数。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，M＝3，3种工艺缺陷分别为：夹杂、分层和脱粘；所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构为4层结构。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述待测试件的热障抗烧蚀涂层中至少有两层的材质分别为金属粉末和金属粉末与隔热非金属粉末组成的复合粉末。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述检测参数还包括：所述标准试样的涂层材质扩散率和涂层厚度。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述红外热像检测系统包括：主动热激励子系统、红外热图像采集子系统和热像分析子系统；所述主动热激励子系统设置于待检件的上方，用于对所述待检件的热障抗烧蚀涂层进行主动热激励；所述红外热图像采集子系统设置于所述待检件的上方，用于提取所述待检件的热障抗烧蚀涂层的热像序列数据；所述热像分析子系统与所述主动热激励子系统和所述红外热图像采集子系统连接，用于接收检测参数，还用于对所述热像序列数据进行处理以获得所述待检件的热障抗烧蚀涂层的检测成像结果；其中，所述检测参数用于使所述主动热激励子系统和所述红外热图像子系统安装所述检测参数运行，所述待检件为标准试样或待测试件。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述主动热激励子系统包括：脉冲闪光灯和与所述脉冲闪光灯连接的功率信号控制器；所述功率信号控制器用于控制所述脉冲闪光灯的有效功率在3200J～12800J范围内调整。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述红外热图像采集子系统的探测器光谱范围为1.5～5.0μm；所述红外热图像采集子系统的帧频可调，最高帧频可达145Hz。

在如上所述的红外热像检测方法中，优选地，所述热像分析子系统通过对所热像序列数据进行减背景帧处理或拟合系数处理或一阶导数处理或二阶导数处理获得待检件的热障抗烧蚀涂层的检测成像结果。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

可有效实现热障抗烧蚀涂层结构的非接触无损检测，有效实现热障抗烧蚀涂层缺陷的无损检测，特别是解决了多层复合涂层结构中涂层界面缺陷的定量检测难题，并具有可操作性强和检测效率高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种热障抗烧蚀涂层结构及工艺缺陷示意图；

图2是本发明实施例提供的一种红外热像检测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种红外热图像采集子系统采集到的热像序列曲线图；

图4是本发明实施例提供的一种预设有模拟涂层中夹杂的人工缺陷的第一标准试样的第一检测成像结果图；

图5是本发明实施例提供的一种预设有模拟涂层界面夹杂的人工缺陷的第一标准试样的第一检测成像结果图；

图6是本发明实施例提供的一种预设有模拟分层的人工缺陷的第二标准试样的第一检测成像结果图；

图7是本发明实施例提供的一种预设有模拟脱粘的人工缺陷的第三标准试样的第一检测成像结果图。

图中符号说明如下：

11夹杂、12分层、13脱粘、2热障抗烧蚀涂层、21第一涂层、22第二涂层、23第三涂层、22第四涂层、3基体、4红外热像检测系统、41主动热激励子系统、411脉冲闪光灯、412功率信号控制器、42红外热图像采集子系统、43热像分析子系统、431系统控制模块、432热像序列分析处理模块、5待检件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在应用时，热障抗烧蚀涂层2设置于基体3的外表面上，当热障抗烧蚀涂层2的结构为多层结构时，自基体3的外表面向外依次设置各层。在图1中，示出的热障抗烧蚀涂层2设置于基体3的上表面上，由下至上依次包括第一层21、第二层22、第三层23和第四层24，共4层，即该热障抗烧蚀涂层的结构为4层结构。基体3的材质可以为金属，还可以为非金属碳纤维复合材质，本实施例对此不进行限定。本实施例提供的方法尤其适用于热障抗烧蚀涂层中至少有两层的材质分别为金属粉末和复合粉末，复合粉末为金属粉末与隔热非金属粉末形成的复合粉末。隔热非金属粉末可以为陶瓷。图1中，第一层21的材质为金属粉末，第二层22的材质为金属粉末与隔热非金属粉末形成的复合粉末，第三层23的材质为金属粉末与隔热非金属粉末形成的复合粉末，第四层24的材质为金属粉末。通常热障抗烧蚀涂层的结构中工艺缺陷主要有三种形式：夹杂11、分层12和脱粘13，每种工艺缺陷可以分布于不同的层内或界面，该界面为层与层(即相邻两层)形成的界面或层与基体3形成的界面，也就是说工艺缺陷可以位于热障抗烧蚀涂层中的不同深度处。参见图1，从左到右工艺缺陷的种类依次为夹杂11、分层12和脱粘13，分别位于第四涂层24内、第三涂层23内、第一涂层21内及第一涂层21与基体3的界面。

参见图2，针对一种工艺缺陷，本发明实施例提供了一种热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法，其包括：

试样制备步骤。在该步骤中制备标准试样，标准试样的热障抗烧蚀涂层的结构与待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构相同，结构相同指的是：层数、每层的厚度和每层的材质均相同，该待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构为多层结构，在标准试样的热障抗烧蚀涂层中通过预埋或加工的方式获得一种用于模拟工艺缺陷的人工缺陷，即采用人工缺陷模拟工艺缺陷，在一个标准试样中预设一种人工缺陷来模拟一种工艺缺陷，人工缺陷位于标准试样的热障抗烧蚀涂层中的不同深度处。标准试样的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质与待测试件的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质相同。

试样检测步骤。在多个红外热像检测系统的检测参数下，利用红外热像检测系统4对试样制备步骤制备的标准试样的热障抗烧蚀涂层2依次进行主动热激励、提取热像序列数据、对热像序列数据进行处理以获得标准试样的热障抗烧蚀涂层的第一检测成像结果，检测参数包括：主动热激励时的输出功率、红外热图像的采集时间或帧数、帧频。

该红外热像检测系统4包括主动热激励子系统41、红外热图像采集子系统42和热像分析子系统43。主动热激励子系统41设置于待检件的上方，用于对待检件的热障抗烧蚀涂层进行主动热激励，其包括：脉冲闪光灯411和功率信号控制器412，功率信号控制器412与脉冲闪光灯411连接，用于调节脉冲闪光灯的功率，优选地，脉冲闪光灯的有效功率为3200J～12800J，此时脉冲闪光灯称为高能脉冲闪光灯。

红外热图像采集子系统42设置于待检件的上方，用于提取待检件的热障抗烧蚀涂层的热像序列数据，优选地，红外热图像采集子系统42的帧频可调，最高帧频可达145Hz；红外热图像采集子系统42的探测器的光谱范围为1.5～5.0μm。在图3中，示出了红外热图像采集子系统42采集到的热像序列曲线图。

参见图2，热像分析子系统43包括系统控制模块431和热像序列分析处理模块432。系统控制模块431与主动热激励子系统41和红外热图像采集子系统42连接，用于接收输入的检测参数，检测参数包括：主动热激励时的输出功率、红外热图像的采集时间或帧数、帧频。检测参数还可以包括：标准试样涂层材质扩散率和涂层厚度；其还用于控制功率信号控制器412为脉冲闪光灯进行充电和放电，即控制主动热激励子系统41的主动热激励开始；还用于控制红外热图像采集子系统42的热像序列采集开始。热像序列分析处理模块432用于对红外热图像采集子系统42提取的热像序列数据进行处理以获得待检件的热障抗烧蚀涂层的第一检测成像结果。具体处理如下：对热像序列曲线图依次进行减背景帧处理或拟合系数处理或一阶导数处理或二阶导数处理，从而得到第一检测成像结果，如此对第一检测成像结果图像显示进行优化处理，消除温度场静态噪声和加热不均效应等因素对成像结果的影响，获得效果较好的温度场变化情况和清晰的成像结果显示，更加有效反应缺陷信息。

应用时，输入一个红外热像检测系统的检测参数，在该参数下，利用红外热像检测系统获得一个标准试样的热障抗烧蚀涂层的第一检测成像结果，依此，分别输入(N-1)个红外热像检测系统的检测参数，每个红外热像检测系统的检测参数不同，则利用红外热像检测系统4依次获得标准试样的热障抗烧蚀涂层的(N-1)个第一检测成像结果，即分别输入N个红外热像检测系统的检测参数，则利用红外热像检测系统共获得标准试样的热障抗烧蚀涂层的N个第一检测成像结果，N为大于等于2的自然数。在该步骤中，待检件5为标准试样。

参数确定步骤。根据预设的人工缺陷尺寸与多个第一检测成像结果中所显示的人工缺陷尺寸，确定检测预设的人工缺陷所需的红外热像检测系统的最优化检测参数。

具体地，当某一个第一检测成像结果中所显示的人工缺陷尺寸(或称为当量)与预设的人工缺陷尺寸一致，也就是依据某一个第一检测成像结果可以有效识别人工缺陷时，将获得该第一检测成像结果所对应的红外热像检测系统的检测系数确定为最优化检测参数。

试件检测步骤。基于最优化检测参数下的红外热像检测系统，对待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测以获得待测试件的热障抗烧蚀涂层的第二检测成像结果，并与在最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断待测试件的热障抗烧蚀涂层的关于该种工艺缺陷的质量状态。

具体地，以最优化检测参数对红外热像检测系统的检测参数进行设置，设置完后，基于前述对标准试样的热障抗烧蚀涂层的检测处理过程对待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测处理，从而获得待测试件的热障抗烧蚀涂层的第二检测成像结果。然后将其与在最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断待测试件的热障抗烧蚀涂层中与预设的人工缺陷对应的工艺缺陷的质量状态。

通常待测试件的热障抗烧蚀涂层的工艺缺陷不止一种，针对每种工艺缺陷设置一个标准试样，然后按照前述的检测处理过程，完成对待测试件的热障抗烧蚀涂层的多种工艺缺陷的分析与定量判断。

如工艺缺陷有M种，则针对M中工艺缺陷对应设置M个标准试样，每个标准试样预设模拟一种工艺缺陷的人工缺陷，然后按照前述的试样制备步骤、试样检测步骤、参数确定步骤进行处理，确定了分别检测待测试件的M种工艺缺陷时所需的最优化检测参数，然后在分别执行试件检测步骤，从而完成待测试件的热障抗烧蚀涂层的M种工艺缺陷的分析与定量判断，M为大于等于2的自然数。

下面以一个实施例对本方法进行说明。

待测试件的热障抗烧蚀涂层结构及材料参数如表1所示，设置热障抗烧蚀涂层结构的基体为钛合金金属基体。金属与隔热非金属形成的复合粉末即金属与隔热非金属形成的复合粉末。

表1待测试件的热障抗烧蚀涂层结构及材料参数

基于如上待测试件的热障抗烧蚀涂层结构和通常其存在的3(此时M＝3)种工艺缺陷，本实施例给出3件标准试样(分别为第一标准试样、第二标准试样和第三标准试样)及其人工缺陷参数，所有标准试样的涂层结构与已知热障抗烧蚀涂层结构相同，且均采用等离子喷涂技术在钛合金金属基体表面喷涂上述四层不同厚度的涂层，标准试样及其人工缺陷参数如表2所示。

表2标准试样及其人工缺陷参数

采用红外热像检测系统4对上述3件标准试样进行红外无损检测。具体过程如下：

(1)利用系统控制模块431，设置主动热激励子系统参数和红外热图像采集子系统参数，包括脉冲闪光灯输出功率、红外热图像采集时间或采集帧数、帧频以及标准试样涂层材质扩散率和涂层厚度；

(2)利用系统控制模块431，控制主动热激励子系统的功率信号控制器412为脉冲闪光灯411进行充电和放电，即开启脉冲闪光灯411激励被测的第一标准试样，同时控制红外热图像采集子系统42的热像序列采集开始；

(3)红外热图像采集子系统42开始采集第一标准试样表面的热图像数据，依据所设热像采集时间或者采集帧数参数自动停止采集，获得了如图3所示的热像序列曲线图；

(4)基于红外热图像采集子系统42采集的原始热图像数据，通过热像序列分析处理子系统432，处理第一标准试样红外热像检测结果并成像，从而得到第一标准试样的第一检测成像结果；

具体地，通过减背景帧处理或拟合系数处理或一阶导数处理或二阶导数处理，上述中的处理或称算法处理，分析第一标准试样中人工缺陷是否能有效检出，依据人工缺陷定量化最优检测结果，从而确定针对待测试件的热障抗烧蚀涂层结构的第一标准标准试样人工缺陷模拟的该种工艺缺陷的红外热像检测系统的最优化检测参数。拟合系数处理可以为对温度随时间的对数变化曲线进行多项式拟合的处理。

针对标准试样不同人工缺陷模拟的工艺缺陷，基于热像序列曲线图，通过减背景帧处理、或拟合系数处理、或一阶导数处理或二阶导数算法处理，分析标准试样中人工缺陷的是否有效检出，依据人工缺陷定量化最优红外检测结果，确定热障抗烧蚀涂层结构对应工艺缺陷的红外热像检测系统最优化检测参数。如图4、图5、图6和图7分别给出了本实施例中所采用标准试样人工缺陷的定量化最优红外检测结果，可以确定该红外热像检测系统针对第一标准试样、第二标准试样和第三标准试样的最高灵敏度分别为夹杂类缺陷第四涂层与第三涂层界面3mm×3mm、分层类缺陷第一涂层中Ф10mm和脱粘类缺陷第一涂层与基体界面3mm×5mm。

基于每种工艺缺陷的红外热像检测系统4的最优检测参数，利用图2所示红外热像检测系统完成待测试件的热障抗烧蚀涂层结构的红外热像检测，分别对比标准试样中不同人工缺陷检测结果，分析并定量判断实际热障抗烧蚀涂层结构质量状态。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.一种热障抗烧蚀涂层缺陷的红外热像检测方法，其特征在于，所述红外热像检测方法包括如下步骤：

试样制备步骤，采用与待测试件的热障抗烧蚀涂层相同的制备工艺制备标准试样，所述标准试样的热障抗烧蚀涂层的结构与所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构相同且均为多层结构，所述标准试样的热障抗烧蚀涂层中预设有模拟一种工艺缺陷的人工缺陷，所述标准试样的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质与所述待测试件的设置有热障抗烧蚀涂层的基体的材质相同；

试样检测步骤，在多个红外热像检测系统的检测参数下，分别利用所述红外热像检测系统对所述标准试样的热障抗烧蚀涂层依次进行主动热激励、提取热像序列数据、对所述热像序列数据进行处理以获得所述标准试样的热障抗烧蚀涂层的第一检测成像结果，检测参数包括：主动热激励时的输出功率、红外热图像的采集时间或帧数、帧频；

参数确定步骤，根据预设的人工缺陷尺寸与多个所述第一检测成像结果中所显示的人工缺陷尺寸，确定检测所述一种工艺缺陷所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数；和

试件检测步骤，基于所述最优化检测参数下的红外热像检测系统，对所述待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测以获得所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的第二检测成像结果，并与在所述最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的所述一种工艺缺陷的质量状态。

2.根据权利要求1所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的工艺缺陷有M种，在所述试件检测步骤之前还包括：参数再确定步骤，针对(M-1)种工艺缺陷中的每一种分别执行所述试样制备步骤、试样检测步骤、参数确定步骤，以确定所述(M-1)种工艺缺陷分别所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数；

所述试件检测步骤基于M种工艺缺陷分别所需的所述红外热像检测系统的最优化检测参数下的红外热像检测系统，分别对所述待测试件的热障抗烧蚀涂层进行检测以获得所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的M个第二检测成像结果，并与各自对应的所述最优化检测参数下获得的第一检测成像结果进行对比，分析并定量判断所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的M种工艺缺陷的质量状态；

其中，M为≥2的自然数。

3.根据权利要求1所述的红外热像检测方法，其特征在于，M＝3，3种工艺缺陷分别为：夹杂、分层和脱粘；

所述待测试件的热障抗烧蚀涂层的结构为4层结构。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述待测试件的热障抗烧蚀涂层中至少有两层的材质分别为金属粉末和金属粉末与隔热非金属粉末组成的复合粉末。

5.根据权利要求1所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述检测参数还包括：所述标准试样的涂层材质扩散率和涂层厚度。

6.根据权利要求1所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述红外热像检测系统包括：主动热激励子系统、红外热图像采集子系统和热像分析子系统；

所述主动热激励子系统设置于待检件的上方，用于对所述待检件的热障抗烧蚀涂层进行主动热激励；

所述红外热图像采集子系统设置于所述待检件的上方，用于提取所述待检件的热障抗烧蚀涂层的热像序列数据；

所述热像分析子系统与所述主动热激励子系统和所述红外热图像采集子系统连接，用于接收检测参数，还用于对所述热像序列数据进行处理以获得所述待检件的热障抗烧蚀涂层的检测成像结果；

其中，所述检测参数用于使所述主动热激励子系统和所述红外热图像子系统按照所述检测参数运行，所述待检件为标准试样或待测试件。

7.根据权利要求6所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述主动热激励子系统包括：脉冲闪光灯和与所述脉冲闪光灯连接的功率信号控制器；

所述功率信号控制器用于控制所述脉冲闪光灯的有效功率在3200J～12800J范围内调整。

8.根据权利要求6所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述红外热图像采集子系统的探测器光谱范围为1.5～5.0μm；

所述红外热图像采集子系统的帧频可调，最高帧频可达145Hz。

9.根据权利要求6所述的红外热像检测方法，其特征在于，所述热像分析子系统通过对所热像序列数据进行减背景帧处理或拟合系数处理或一阶导数处理或二阶导数处理获得待检件的热障抗烧蚀涂层的检测成像结果。

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