CN110603438B - 激光热成像法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于涡轮机部件的状态评估的无损方法。该方法包括提供生成光脉冲的激光器，该光脉冲加热涡轮机部件。然后捕获加热的涡轮机部件的红外图像。然后可针对涡轮机部件的特定特性对涡轮机部件进行分析。还提供一种用于涡轮机部件的无损状态评估的系统。

Description

激光热成像法

技术领域

本公开总体涉及用于部件的无损检查的方法和系统，并且更具体地，涉及使用激光热成像法对涡轮机部件进行无损检查的方法和系统。

背景技术

在许多工业应用中，无损测试方法用于评估部件而不会造成损坏。无损测试的一个此应用使用闪光热成像法来测试涡轮发动机的部件，诸如涡轮叶片或轮叶、燃烧器吊篮或过渡部件。这些部件通常由涂覆有热障涂层的基底组成，该热障涂层保护基底免受高温和腐蚀性环境的影响。例如，涂覆的燃气涡轮机部件可能需要测试以确定热障涂层的厚度，或者该涂层是否具有任何裂纹或分层，即涂覆层已与基底分离的区段。在涡轮机的正常操作期间，严重的裂纹或分层可使得部件故障。

目前，可使用闪光热成像法进行涂覆的涡轮机部件的检查和测试，该闪光热成像法是常用的无损测试方法，在该方法中，部件表面被典型地仅持续几毫秒的光脉冲加热。在正常情况下，零件在闪光加热后会冷却，因为沉积在表面的热量会流向冷却器内部。然而，测试件中的内部异常（诸如空隙、内含物、分层、水分或厚度或密度的变化）会使得表面冷却速率的变化。然后，红外相机被用于捕获由部件发射的红外辐射，以形成热成像图像。上面涉及的内部异常将在热成像图像中可见。

尽管闪光热成像法能够对部件进行无损测试，但使用闪光灯作为光源/热源仍存在一些缺点。例如，闪光灯体积庞大，并且在比测试样品可能感兴趣的区域更大的部件区域上产生光/热。生成的热量随着时间的流逝而衰减并产生大量的背景噪声，使得必须使用滤波器来衰减信号，以便滤除这种背景噪声。另外，闪光灯需要大量时间才能将部件加热至所需温度。相比之下，激光将迅速达到所需温度。而且，与子表面层相比，使用闪光热成像法更容易获得关于涡轮机部件的表面层或热障涂层的信息。使用闪光热成像法获得关于子表面层的信息为可能的，然而，在检查期间捕获许多数据需要大量时间以分析所捕获的数据。

因此，需要将克服这些缺点的无损检查方法。

发明内容

简要描述，本公开的方面涉及用于涡轮机部件的状态评估的无损方法和系统。

提供用于涡轮机部件的状态评估的无损方法。该方法包括提供生成光脉冲的激光器，该光脉冲加热涡轮机部件。然后捕获加热的涡轮机部件的红外图像。然后，可针对涡轮机部件的特定特性分析涡轮机部件。

提供用于涡轮机部件的无损状态评估的系统。该系统包括激光源，该激光源生成加热涡轮机部件的光脉冲。包括用于检测由涡轮机部件辐射的热能的红外传感器的红外相机被用于捕获涡轮机部件的至少一个图像。辐射的热能被传输至红外传感器，以使得能够生成红外图像。

附图说明

图1示出轴向流式燃气涡轮机的侧面局部剖视图，

图2示出用于对涡轮机部件进行成像的激光热成像系统，

图3示出使用激光热成像法无损评估的涂覆的涡轮机部件。

具体实施方式

为了便于对本公开的实施例、原理和特征的理解，在下文中参考说明性实施例中的实施方式对它们进行解释。然而，本公开的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。

在下文中描述为构成各种实施例的部件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将执行与本文描述的材料相同或相似功能的许多合适的部件和材料旨在被包含在本公开的实施例的范围内。

激光可使用短脉冲提供强烈的能量，这主要是由于开/关开关的缘故。这显著降低用常规闪光源（如闪光灯）实现的背景强度。因此，激光可被用于非常快速地加热材料的表面。另外，激光束是高度可控的，具有非常局部的聚焦区域。因此，提出使用激光作为热源对涂覆的燃气涡轮机部件进行热成像无损测试的方法。

多种激光波长可供使用，使得能够使用相同的测试设置查看部件的表面特性以及子表面特性。由于覆盖层（也称为表面层）（诸如涂覆的部件的热障涂层）对于某些波长是透明的，因此可定制测试样品信息，使得在这些波长下，可在部件中诱发子表面温度升高。子表面层的该温度信号可用红外成像或主动热成像法进行数字记录。

参考图1，示出工业燃气涡轮发动机10。发动机10包括沿水平中心轴线18布置的压缩机区段12、燃烧器区段14和涡轮机区段16。燃烧器区段14包括多个燃烧器28。热工作气体从燃烧器区段14被输送通过至涡轮机区段16。

当气体沿涡轮机10中的热气体路径行进时，涡轮机10暴露于热气体的区段可包括陶瓷基涂层，该陶瓷基涂层可用于最小化部件的碱金属（诸如翼型碱金属）暴露于可致使碱金属氧化的高温。此涂层可为已知的热障涂层（TBC），该热障涂层被施加到碱金属上形成的粘结涂层上。

涡轮机10通常长时间运行。在涡轮机10的运行期间，TBC层或TBC和粘结涂层两者均可能不希望地劣化或分层。这使碱金属暴露于高温下，这可能致使碱金属氧化。以定期间隔检查涡轮机10，以检查对于各种内部部件可能已发生的磨损损坏和其他不希望的情况。此外，例行检查TBC和粘结涂层，以确定当涡轮机关闭或组装之前TBC和粘结涂层的劣化程度（即，层的剩余厚度）以及其他不希望的情况。

现在参考图2，示出根据实施例的用于涡轮机部件120的无损100状态评估的系统。激光源180生成加热涡轮机部件120的光脉冲130。该系统包括具有红外传感器150的红外（IR）相机160，该红外传感器150用于检测电磁光谱的红外区域中的热能。检测到的热能由涡轮机部件120辐射并传输至红外传感器150。IR相机160被配置成捕获涡轮机部件120的IR图像。镜140可被用于将来自激光源180的光脉冲130聚焦到涡轮机部件120上。在所示实施例中，涡轮机叶片被示出为涡轮机部件120，然而，本领域技术人员将理解，也可使用其他涡轮机部件。IR传感器150通过电连接或无线连接通信地耦合到计算机170。

计算机170可包括中央处理单元、存储器和输入/输出接口。计算机通常通过I/O接口耦合到用于可视化的显示器和使得用户能够与计算机170交互的各种输入设备（诸如键盘）。例如，用户可通过识别要检查的部件的类型，从I/O接口将部件120加载到计算机170中。使用识别出的部件类型，计算机170可根据存储在存储器中的预编程位置自动定位相机160，以便捕获期望的图像。

如先前所论述的，涡轮机部件120，特别是涡轮机叶片或轮叶，可包括基层，也称为基底，覆盖有粘结涂层，TBC施加到其上。图3示出此涂覆的涡轮机部件120的截面。基底200覆盖有粘结涂层210，热障涂层220 、TBC被施加到该粘结涂层210。基底200可包括超合金材料。

参考图1至图3，还提供用于涡轮机部件的状态评估的无损方法。可提供激光源180，该激光源180生成加热涡轮机部件120的光脉冲130。可捕获涡轮机部件120的期望部分的红外图像。然后可分析涡轮机部件120在红外图像上的特性。图3示出从光源生成的光脉冲的实施例，该光脉冲被聚焦到涂覆的涡轮机部件上。红外相机捕获从涂覆的涡轮机部件发射的红外辐射，并以红外图像的形式捕获数据。

为了捕获关于涡轮机部件120的表面上的热障涂层220的数据以及关于可包括基底200和/或粘结涂层210的子表面的数据，可通过改变激光源180的波长使用该方法。例如，可以第一指定波长激活激光源180，以便捕获关于热障涂层220的数据。然后，将激光源180聚焦以在第一脉冲持续时间内使涡轮机部件120的表面的期望区域闪光。IR相机160可被用于捕获涡轮机部件120的表面的期望区域。然后可以第一指定波长停用激光源180。接下来，为了获得关于可包括粘结涂层210和/或基底200的子表面的数据，可以第二指定波长激活激光源180。粘结涂层210和基底200通常具有相似的特性，使得它们相似地加热。然后，将激光源180聚焦以在第二脉冲持续时间内使涡轮机部件120的表面的期望区域闪光。红外相机160可被用于捕获涡轮机部件120的子表面的期望区域。然后，可以第二指定波长停用激光源180。

激光源180可为激光闪光灯，其提供不同波长和高辐射强度的宽带光的持续时间脉冲。激光源180可发射在4微米至9微米之间（被认为是中波）以及在9微米至15微米之间（被认为是长波）的波长。该表面或热障涂层在4微米至9微米之间的波长下是不透明的，使得可在该范围内的热图像中捕获TBC特性。然而，热障涂层的材料特性使得TBC对大约9微米至11微米的激光波长透明。因此，在9微米至11微米范围内的激光波长下，子表面涂层或粘结涂层210和/或基底200数据可在热图像中捕获。在实施例中，激光器的波长可设置为9.5微米至10.5微米。光脉冲130的持续时间取决于要分析的涡轮机特性，然而，光脉冲130的持续时间可在1 ms 至30 ms的范围内。对于特定区域，在陶瓷和金属厚度均匀的情况下，第一脉冲持续时间和第二脉冲持续时间可相同，或者在层厚度差异较大的情况下，第一脉冲持续时间和第二脉冲持续时间可不同。

可分析获取的数据，以便评估涡轮机部件120的状态。可通过在计算机170上运行算法以便处理所获取的像素化数据来完成该分析。该分析可包括检查期望区域中随时间的热衰减，并且可将时空信息转换成深度信息。评估涡轮机部件120的状态可包括将期望区域的获取数据与已知参数进行比较，以确定部件上的缺陷，诸如分层。缺陷或不连续性将在热成像图中显露为与正常表面或子表面状态不同的温度变化。同样，可通过测量涡轮机部件120的基底200上的热障涂层220的厚度来评估涡轮机部件120的状态。在实施例中，可在部件的使用寿命期间跟踪部件120上的热障涂层220在不同检查间隔处的厚度。

与闪光热成像法相比，激光热成像法的优点包括：更好的光源温度控制和更短的激光加热时间段，减少检查部件所需的时间量。而且，使用激光器提供改变波长的灵活性，从而可简单地通过切换激光器的波长更容易地检查基底。因此，可在相同的测试设置中一次进行两种检查，即热障涂层以及基底的检查。可理解，在涡轮机部件上收集的数据可被存储和参考以供将来使用，例如对涡轮机部件的统计分析。统计数据可被计算机用来跟踪涡轮机部件随时间的健康。

尽管已以示例性形式公开本公开的实施例，但是对于本领域技术人员而言明显的是，如所附权利要求中所阐述的，在不脱离本发明及其等同方案的精神和范围的情况下，可在其中进行许多修改、添加和删除。

Claims (7)

1.一种用于涡轮机部件（120）的状态评估的无损方法，包括：

提供生成光脉冲（130）的激光器（180），所述光脉冲（130）加热所述涡轮机部件（120）；

捕获所述加热的涡轮机部件（120）的至少一个红外图像；以及

分析所述至少一个图像上的涡轮机部件特性，

以第一指定波长激活所述激光器（180）；

聚焦所述激光器（180）以在第一脉冲持续时间内使所述涡轮机部件（120）的表面的期望区域闪光；以及

捕获所述涡轮机部件（120）的所述表面的所述期望区域的第一图像；

以所述指定波长停用所述激光器（180）；

以第二指定波长激活所述激光器（180）；

聚焦所述激光器（180）以在第二脉冲持续时间内使所述涡轮机部件（120）的子表面的所述期望区域闪光；以及

捕获所述涡轮机部件（120）的所述子表面的所述期望区域的第二图像，

其中所述第一图像含有关于所述涡轮机部件（120）的所述表面的所述期望区域的第一组数据，并且所述第二图像含有关于所述涡轮机部件（120）的所述子表面的所述期望区域的第二组数据，以及

其中所述第一指定波长和所述第二指定波长不同，

其中所述涡轮机部件（120）的表面包括热障涂层（220），并且所述涡轮机部件（120）的子表面包括位于热障涂层（220）下方的粘结涂层（210）和/或基底（200），

其中所述表面或热障涂层在第一指定波长下是不透明的，使得在第一指定波长的范围内的热图像中捕获热障涂层的特性，热障涂层的材料特性使得其对第二指定波长的激光波长透明，使得在第二指定波长的范围内的激光波长下，子表面的数据在热图像中捕获。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一指定波长在4微米至9微米的范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二指定波长在9微米至11微米的范围内。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述分析包括将所述第一组数据与已知材料参数进行比较，以便评估所述表面的损坏。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述分析包括将所述第二组数据与已知材料参数进行比较，以便评估所述子表面的损坏。

6.如权利要求1所述的方法，

其中所述捕获由红外相机（160）执行，所述红外相机（160）包括用于检测由所述涡轮机部件（120）辐射的热能的红外传感器，以及

其中所述辐射的热能被传输至所述红外传感器（150），以使得能够生成所述红外图像。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述激光器（180）的所述脉冲持续时间在1 ms 至30ms的范围内。

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