CN109211974B - 热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法，所述装置包括计算机、红外热像仪、采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜、第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器，其中：第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；计算机分别与红外热像仪、采集卡、滤波器相连；采集卡与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；滤波器与同步触发器相连，同步触发器分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。本发明能够实现对热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测。

Description

热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测热障涂层结构脱粘缺陷的装置及方法，具体涉及一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法。

背景技术

热障涂层是目前最先进的高温防护涂层之一，具有低导热性、良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，近年来逐渐被应用于航空、航天、动力机械、核反应堆等高温高热流环境，具有广阔的应用前景。目前，热障涂层的制备工艺主要有等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积法。热障涂层一般由合金基体、粘结层和陶瓷顶层三层材料组成。现在使用的陶瓷层大部分由氧化钇部分稳定的氧化锆组成。在热障涂层结构制备过程中，需要对涂层厚度、致密度和微观结构（气孔、微裂纹等）进行监控，保证涂层质量。在热障涂层结构构件服役过程中，涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性，甚至产生灾难性后果。因此，为了保证热端部件工作的安全可靠，无论在热障涂层结构的制备还是服役期间，对其状态进行表征和评估都是非常必要的。

目前对热障涂层结构质量和性能的检测方法可以分为两大类：有损检测和无损检测。常用的有损检测方法主要有金相检验、扫描电镜、X射线衍射分析等，这些方法的普遍缺点是具有破坏性与滞后性。而在无损检测技术方面，主要有渗透检测、阻抗检测、涡流检测和超声检测。其中：渗透检测的工艺程序复杂，使用的试液易于挥发，且只能检测表面的开口缺陷，不能检测多孔性材料。涡流检测主要用于检测涂层的厚度和气孔，但受制于具有不规则几何形状的被检构件，且由于陶瓷层的厚度不到500μm，涡流法检测灵敏度不足，难以在时域上实现界面回波信号的分离。阻抗检测通过通过电路模型测量电阻、电容等性质的变化来分析热障涂层TGO的厚度、微观结构、缺陷的生长特征。但是，由于陶瓷层中的孔洞和裂纹，以及界面形状的不规则性对测试等效电路产生影响，带来了结果的不确定性。超声检测涂层结构材料时，由于涂层厚度较薄，以至于超声波在涂层上下表面的反射回波发生混叠，且涂层的非均匀性使超声波在涂层中发生了复杂的散射与频散，从而导致常规超声检测技术难以测得声速及声衰减等参量，且检测时易受外部干扰，因而其准确性和定量性较差。

红外热波无损检测技术是一种新兴的无损检测手段。与常规检测技术相比，具有单次检测面积大、速度快、非接触、可单面检测、易于现场使用、安全、直观以及操作简便等优点，因此得到越来越广泛的研究和应用。热障涂层结构中的涂层厚度不均、涂层与基体脱粘及基体内部缺陷等，尽管缺陷类型和形成方式有所不同，但都造成了热障涂层结构缺陷与无缺陷处热物性的不连续，而这种不连续性的类型和程度，在外部热源激励的作用下，势必会使构件内部及表面表现出不同的热学物理特征。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，直径可以会聚头发直径一半的工作区间，瞬时功率大，脉宽比电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，广泛应用于物理学、光通信、生物学、临床医学等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法，将自动控制原理、光传输原理、光爆破原理、红外热波检测相结合，实现对热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，包括控制器、热波图像采集系统、激励系统、试验夹持系统四部分，其中：

所述热波图像采集系统在所述控制器控制下进行图像采集；

所述激励系统在所述控制器控制下进行激励；

所述试验夹持系统在所述控制器的控制下完成试件移动；

所述控制器为计算机；

所述热波图像采集系统包括红外热像仪；

所述激励系统包括采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜；

所述光阑放置于激光器输出端正前方，半波片放置于光阑正前方，格兰棱镜位于半波片正前方，所述凸透镜位于格兰棱镜正前方；

所述试验夹持系统包括第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器；

所述第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；

所述计算机通过数据线与红外热像仪相连；

所述计算机通过数据线与采集卡相连，采集卡通过数据线与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器通过数据线与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；

所述计算机通过数据线与滤波器相连，滤波器通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。

一种利用上述装置进行热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测方法，包括如下步骤：

第1步：清理被检测纤维金属层板试件，检查器材；

第2步：根据要求摆放器材，连接线路，将被检测纤维金属层板试件固定安装在第一移动平台上，将红外热像仪固定安装在第二移动平台上；

第3步：开启计算机、红外热像仪、滤波器、同步触发器、采集卡、RF激光驱动器进行预热处理，暂不开启飞秒激光器；

第4步：预热完成后，调节第一移动平台、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜，使激光光斑位于被检测纤维金属层板试件右上角；

第5步：调节第二移动平台并进行红外热像仪焦距调节，直至计算机显示出图像；

第6步：在计算机输出信号经过滤波器，滤波器输出至同步触发器；

第7步：在计算机输出信号到采集卡，采集卡输出信号到RF激光驱动器，RF激光驱动器输出信号到飞秒激光器，飞秒激光器发出激光，激光经过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜激励被检测纤维金属层板试件的右上角；

第8步：打开同步触发器，信号输出到第一移动平台和第二移动平台，计算机控制第一移动平台和第二移动平台在垂直平面内做同步调的等速蛇形移动，红外热像仪采集热图信息；

第9步：将上述红外热像仪采集的图像信息实时输入计算机，通过软件对输入的图像直观辨别出被检测纤维金属层板试件缺陷详尽形态。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明飞秒激光激励于纤维金属层板的光热效应诱导热波探测的方法，采用扫描式进行激励，使其温度上升幅度较小，有效防止纤维金属层板在检测时受到损伤；

2、通过本发明的检测系统及获得的图像可以用于直观检测热障涂层结构脱粘缺陷详尽特征；

3、本发明通过主动式激光激励，受外界环境影响小，具有安全、准确、高效等优势；

4、本发明通过计算机控制热波图像采集系统、激励系统和试验夹持系统，操作简单，提高各系统的协同性，降低人为因素的影响。

5、本发明所述控制器为计算机，操作简单、灵敏度高，通过本发明的装置可以实现纤维金属层板试件缺陷的检测，并能初步判断缺陷类型，为纤维金属层板的制备提供技术指导和方案改进。

6、本发明飞秒激光器激光光斑范围小，扫描时精度高，飞秒激光瞬时功率大，实现试件有效的加热。

7、本发明滤波器实现降低干扰，同步触发器实现触发移动平台移动，提高检验效果。

8、本发明的方法检测纤维金属层板安全、高效，通过红外热像仪和计算机实现内部缺陷的可视化。

附图说明

图1为本发明热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测原理；

图2为检测样件；

图3为飞秒激光扫描速度为5mm/s时，基于脉冲飞秒激光激励红外热波检测构件表面热波信号情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，如图1所示，所述装置包括计算机1、第一数据线2、采集卡3、第二数据线4、RF激光驱动器5、第三数据线6、飞秒激光器7、光阑8、半波片9、格兰棱镜10、5cm凸透镜11、第一移动平台12、第四数据线13、第二移动平台14、红外热像仪15、第五数据线16、第六数据线17、同步触发器18、第七数据线19、滤波器20、第八数据线21，其中：

所述红外热像仪15固定安装在第二移动平台14上；

所述红外热像仪15通过第六数据线17与计算机1通信连接；

所述计算机1输出端通过第一数据线2与采集卡3输入端通信连接；

所述采集卡3输出端通过第二数据线4与RF激光驱动器5输入端通信连接；

所述RF激光驱动器5输出端通过第三数据线6与飞秒激光器7输入端通信连接；

所述光阑8放置于激光器7输出端正前方；

所述半波片9放置于光阑8正前方；

所述格兰棱镜10位于半波片9正前方；

所述凸透镜11位于格兰棱镜10正前方；

所述计算机1输出端通过第八数据线21与所述滤波器20输入端通信连接；

所述滤波器20输出端通过数据线19与同步触发器18输入端通信连接；

所述同步触发器18输出端通过第四数据线13与第一移动平台12输入端通信连接；

所述同步触发器18输出端通过第五数据线16与第二移动平台16输入端通信连接。

本实施方式中，所述凸透镜为5cm凸透镜。

本实施方式中，所述飞秒激光器与光阑距离为3~8cm，优选为5cm。

本实施方式中，所述半波片距离光阑3~8cm，优选为5cm。

本实施方式中，所述格兰棱镜距离半波片3~8cm，优选为5cm。

本实施方式中，所述凸透镜距离格兰棱镜6~10cm，优选为8cm。

本实施方式中，所述凸透镜与被检测纤维金属层板试件的距离为6~10cm，优选为8cm。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置进行热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测的方法，所述方法包括以下步骤：

第1步：对被检测纤维金属层板试件的外表面小心仔细进行清洗，整理检验器材；

第2步：根据要求摆放器材，连接线路，将被检测纤维金属层板试件固定安装在第一移动平台12上，红外热像仪15安装在第二移动平台14上；

第3步：开启计算机1、红外热像仪15、滤波器20、同步触发器18、采集卡3、RF激光驱动器5进行预热处理，暂不开启飞秒激光器7；

第4步：预热完成后，调节第一移动平台12、光阑8、半波片9、格兰棱镜10、凸透镜11，使激光光斑位于被检测纤维金属层板试件右上角；

第5步：调节第二移动平台14并进行红外热像仪15焦距调节，直至计算机1显示出清晰图像；

第6步：在计算机1输出信号经过滤波器20，滤波器20输出至同步触发器18；

第7步：在计算机1输出信号到采集卡3，采集卡3输出信号到RF激光驱动器5，RF激光驱动器5输出信号激励飞秒激光器7，飞秒激光器7发出激光，激光经过光阑8、半波片9、格兰棱镜10、凸透镜11激励被检测纤维金属层板试件的右上角；

第8步：打开同步触发器18开关，同步触发器18控制第一移动平台12和第二移动平台14在竖直平面内做同步调的等速蛇形运动；

第9步：计算机1控制红外热像仪15，红外热像仪15采集热图信息实时传输给计算机1显示并保存；计算机1对图像数据进行相关分析处理，获得被检测纤维金属层板试件缺陷的详尽特征；

第10步：检验完成后，整理器材。

如图3所示，以图2所示含直径分别为2mm、4mm和6mm脱粘缺陷的热障涂层结构为例，对其进行基于脉冲飞秒激光激励红外热波检测。由图3可知，在脉冲飞秒激光激励作用下，热障涂层结构脱粘缺陷处与无缺陷处的表面热波信号分布情况呈现出一定差异，且差异大小随脱粘缺陷大小的不同而不同。基于脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法可有效实现对热障涂层结构脱粘缺陷检测。

Claims (8)

1.一种热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述装置包括控制器、热波图像采集系统、激励系统、试验夹持系统四部分，其中：

所述控制器为计算机；

所述热波图像采集系统包括红外热像仪；

所述激励系统包括采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜；

所述光阑放置于飞秒激光器输出端正前方，半波片放置于光阑正前方，格兰棱镜位于半波片正前方，所述凸透镜位于格兰棱镜正前方；

所述试验夹持系统包括第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器；

所述第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；

所述计算机通过数据线与红外热像仪相连；

所述计算机通过数据线与采集卡相连，采集卡通过数据线与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器通过数据线与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；

所述计算机通过数据线与滤波器相连，滤波器通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。

2.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述凸透镜为5cm凸透镜。

3.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述飞秒激光器与光阑距离为3~8cm。

4.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述半波片距离光阑3~8cm。

5.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述格兰棱镜距离半波片3~8cm。

6.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述凸透镜距离格兰棱镜6~10cm。

7.根据权利要求1所述的热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测装置，其特征在于所述凸透镜与被检测纤维金属层板试件的距离为6~10cm。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述装置进行热障涂层脱粘缺陷脉冲飞秒激光红外热波检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

第1步：清理被检测纤维金属层板试件，检查器材；

第2步：根据要求摆放器材，连接线路，将被检测纤维金属层板试件固定安装在第一移动平台上，将红外热像仪固定安装在第二移动平台上；

第3步：开启计算机、红外热像仪、滤波器、同步触发器、采集卡、RF激光驱动器进行预热处理，暂不开启飞秒激光器；

第4步：预热完成后，调节第一移动平台、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜，使激光光斑位于被检测纤维金属层板试件右上角；

第5步：调节第二移动平台并进行红外热像仪焦距调节，直至计算机显示出图像；

第6步：在计算机输出信号经过滤波器，滤波器输出至同步触发器；

第7步：在计算机输出信号到采集卡，采集卡输出信号到RF激光驱动器，RF激光驱动器输出信号到飞秒激光器，飞秒激光器发出激光，激光经过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜激励被检测纤维金属层板试件的右上角；

第8步：打开同步触发器，信号输出到第一移动平台和第二移动平台，计算机控制第一移动平台和第二移动平台在垂直平面内做同步调的等速蛇形移动，红外热像仪采集热图信息；

第9步：将上述红外热像仪采集的图像信息实时输入计算机，通过软件对输入的图像直观辨别出被检测纤维金属层板试件缺陷详尽形态。

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