CN111089877A - 一种热障涂层无损检测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热障涂层无损检测方法，包括：使用线型激光束对样品表面进行快速扫描，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波，以一定频率采集红外热波信号；对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；对温度场异常区域进行涡流测厚，得到氧化层的厚度。可以实现大面积全景式快速扫描和局部精准测量，能够做到现场实时的高精度无损检测和参数提取。
Description
技术领域
本发明属于热障涂层的检测技术领域，具体地涉及一种热障涂层无损检测方法及设备。
背景技术
工业燃气轮机的热部件属于直接涉及安全的关键部件，基于设备性能要求，这些部件普遍具备表面热障涂层(TBC)，TBC体系常见构成为最外部的陶瓷层（topcoating，TC），粘结层（bondcoating，BC），以及介于其间随时间生长的热生长氧化层（TGO）。TBC常见喷涂方法包括等大气离子喷涂（APS）。具备热障涂层的燃气轮机部件需要在特定的检修时间点上对其TBC内部损伤状况和结构变化进行无损检测，获得对其性能和剩余使用寿命起重要影响的参数信息，为更新涂层维护计划提供具体支持数据。相关研究表明，TBC内部氧化层（TGO)的生长厚度和陶瓷层与TGO界面上靠近陶瓷层一侧的微观裂纹分布密度是TBC涂层失效的重要特征参数，对这两类参数的检测精度都需要达到微米级别，然而，TBC涂层是由多个亚功能层组成的复杂体系，其内部厚度方向上的不同材料层具备不同的物理性能，导致现有的单一无损检测方法和设备难以同时具备工程检测速度和精度，达到现场无损检测的目的，进而满足TBC涂层寿命评估的需求。
当前目前针对TBC的无损检测方法主要有超声检测技术（UT），声发射技术（AE），红外热成像技术（IRT），光激发荧光压电光谱（PLPS），涡流检测技术（ET）等，根据测量精度和设备部件涂层体系的适用性也不尽相同。
涡流检测技术利用高频交流信号在检测探头中形成电磁场，检测中利用其在导电体中产生的涡流信号随测量距离的变化特征，通过标定体系的标准测样实现对被检测部位非导电层厚度的测算。涡流检测技术测厚精度可达0.1micron，有效量程达10毫米，可用于涂层内部大面积气孔、TGO层中β-Al2O3层的厚度以及陶瓷层的剩余厚度检测，具备对TGO厚度的精确测量能力。然而商用便携式涡流测厚仪配适的探头面积最大为1000mm2，且储存数据量有限，难以描述测量数据值在三维空间较大面积上的位置分布。
公告号为CN 102954968 A的专利公开了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。该方法利用电磁感应使高温合金基体升温，无法有效的应用到实际工业中，无法快速实时的进行高精度无损检测和参数提取。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的在于提供一种热障涂层无损检测方法及设备，以同一个能量分配和信号处理体系，在一种设备中集成了激光扫描热成像模块和电涡流测厚模块，通过信号交叉对比分析，能够在大空间范围内检测涂层内部状态、特征几何尺寸，以及缺陷分布状况，可以实现大面积全景式快速扫描和局部精准测量的功能，能够做到现场实时的高精度无损检测和参数提取，满足工程设备维修流程的快速时效性要求。
为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：
一种热障涂层无损检测方法，包括以下步骤：
S01：使用线型激光束对样品表面进行快速扫描，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波，以一定频率采集红外热波信号；
S02：对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；
S03：将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；
S04：对温度场异常区域进行涡流测厚，得到氧化层的厚度。
优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括制定数据基线，所述制定数据基线包括：
获取热障涂层原始涂覆样品，将原始样品的红外成像信号作为第一数据基线；
分别以高温合金基体层、粘结层及高温合金基体层、粘结层、氧化层为基准样品进行涡流测厚，获得的厚度数据作为第二数据基线。
优选的技术方案中，所述步骤S01中采集的红外热波信号包括温度场信息与位置坐标信息。
优选的技术方案中，所述步骤S04中得到氧化层的厚度数据，包括：
以第二数据基线的高温合金基体层和粘结层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层和氧化层的共同厚度；
以高温合金基体层、粘结层和氧化层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度；
将两次测厚数据相减获得某一位置的氧化层的厚度。
本发明还公开了一种热障涂层无损检测设备，包括：
一线性激光束发射器系统，所述线性激光束发射器系统包括设置于一操作平台的激光器及设置于光路方向的凹透镜和振镜，所述操作平台通过电机控制运动，所述线性激光束发射器系统用于产生线型激光束于样品表面，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波；
一红外信号采集传感器，设置于操作平台，所述红外信号采集传感器加装有时间控制模块和计数器，以一定频率采集红外热波信号，根据红外信号采集传感器的运动速度，将每一次采集的红外信号与样品相应测试区域一一对应，将采集红外热波信号传输至红外成像信号处理模块；
一红外成像信号处理模块，对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据；
输出与控制模块，用于显示去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；
涡流测厚模块，对温度场异常区域进行涡流测厚；
所述输出与控制模块还用于得到氧化层的厚度并显示。
优选的技术方案中，数据储存模块，用于存储制定的数据基线，所述制定数据基线包括：
获取热障涂层原始涂覆样品，将原始样品的红外成像信号作为第一数据基线；
分别以高温合金基体层、粘结层及高温合金基体层、粘结层、氧化层为基准样品进行涡流测厚，获得的厚度数据作为第二数据基线。
优选的技术方案中，所述红外信号采集传感器设置有无线传输模块，用于传输采集的红外热波信号。
优选的技术方案中，所述采集的红外热波信号包括温度场信息与位置坐标信息。
优选的技术方案中，还包括设置于数据储存模块与涡流测厚模块间的模式调节模块，所述模式调节模块还连接输出与控制模块，所述模式调节模块用于获取数据储存模块中的第二数据基线。
优选的技术方案中，得到氧化层的厚度数据的方法包括：
以第二数据基线的高温合金基体层和粘结层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层和氧化层的共同厚度；
以高温合金基体层、粘结层和氧化层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度；
将两次测厚数据相减获得某一位置的氧化层的厚度。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
本发明以同一个能量分配和信号处理体系，在一种设备中集成了激光扫描热成像模块和电涡流测厚模块，通过信号交叉对比分析，能够在大空间范围内检测涂层内部状态、特征几何尺寸，以及缺陷分布状况，为涂层的持续使用和维护计划提供量化分析依据。与传统的涂层检测技术不同的是，本发明具备大面积全景式快速扫描和局部精准测量的功能，针对工程燃气轮机设备具备TBC涂层的部件，能够作到现场实时的高精度无损检测和参数提取，满足工程设备维修流程的快速时效性要求。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明热障涂层无损检测设备的原理框图；
图2为本发明线性激光束发射器系统的原理示意图；
图3为处理的温度场分布示意图；
图4为进一步处理的温度场分布示意图；
图5为真实红外成像图数据示意图；
图6为去基线后的红外成像数据；
图7为TBC涂层结构示意图；
图8为第一测厚示意图；
图9为第二测厚示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例：
如图1所示，一种热障涂层无损检测设备，包括：
线性激光束发射器系统1，用于产生线型激光束于样品表面，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波。
红外信号采集传感器2，可以以每秒50次以上的频率采集样品表面的红外热波信号，根据红外信号采集传感器的运动速度，将每一次采集的红外信号与样品相应测试区域一一对应，将采集红外热波信号传输至红外成像信号处理模块。
红外成像信号处理模块3，对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据。
数据储存模块4，与红外成像信号处理模块3连接，用于存储制定的数据基线等数据。
输出与控制模块5，与红外成像信号处理模块3连接，用于显示去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；得到氧化层的厚度并显示，测试位置坐标读取，计算缺陷区域的面积占比，测量特征缺陷尺寸。输出与控制模块5以彩色图像的方式全景化展示测试区域的温度场分布，便于直观的去发现潜在的缺陷存在区域，输出与控制模块5中的确认坐标功能能为涡流测厚模块6提供需要精确测量的位置坐标，使两种测量方法有效的结合。
对红外热成像图进行分析，在输出与控制模块5中输入被测样品表面的温度的上限值与下限值，通过输出与控制模块5中的数据分析模块提取出超出该范围的区域并计算面积占比用来表征被测样品的缺陷状态，可以根据客户需要量化样品缺陷分布情况。
涡流测厚模块6，用来测量涂层厚度。
模式调节模块7，设置于数据储存模块4与涡流测厚模块6间，模式调节模块7还连接输出与控制模块5，模式调节模块用于获取数据储存模块4中的数据基线。
根据输出与控制模块5中读取的TGO层变化趋势，使用涡流测厚模块6对被测样品分区进行TGO层厚度测量，调节模式调节模块7调用两种调零基线进行厚度测量，计算出TGO层厚度显示于输出与控制模块5，通过两种测试方法的交叉对比，加快了工业化样品的测试速度，用精确的间接测量法取代了直接测量法，提高了TGO层厚度的测量精度。
计算得到氧化层的厚度数据的方法包括以下步骤：
以第二数据基线的高温合金基体层和粘结层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层和氧化层的共同厚度；
以高温合金基体层、粘结层和氧化层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度；
将两次测厚数据相减获得某一位置的氧化层的厚度。
如图2所示，线性激光束发射器系统1包括设置于一操作平台10的激光器11及设置于光路方向的凹透镜12和振镜13，操作平台10通过电机14控制运动，操作平台10还设置有红外信号采集传感器15，激光器11为高功率激光器，高功率激光器的光束经透镜整形，可以形成长度超过40cm的均匀线型光斑照射在样品20表面上。
红外信号采集传感器2加装有时间控制模块和计数器，该模块被用于控制红外信号采集频率，结合伺服电机控制的红外信号采集传感器运动速度，每一次采集的红外信号都能够被准确的与样品相应测试区域一一对应，即每一组采集的红外信号都包含温度场信息与位置坐标信息。
数据储存模块4中存储的数据基线的制定包括以下步骤：
获取热障涂层原始涂覆样品，将原始样品的红外成像信号作为第一数据基线；
分别以高温合金基体层、粘结层及高温合金基体层、粘结层、氧化层为基准样品进行涡流测厚，获得的厚度数据作为第二数据基线。
红外信号采集传感器2设置有无线传输模块，用于传输采集的红外热波信号。
以燃气轮机涡轮转子叶片为例，说明本发明的实施方式。
使用线性激光束发射器系统1中高功率激光器的光束经透镜整形，可以形成长度超过40cm一均匀线型光斑照射在样品表面上，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波，热波向叶片内部传播，当热波传播到高温合金基体层时，热波发生反射与透射，有一部分热波反射回样品表面，引起样品表面温度的变化。在此过程中，使用伺服电机控制线性激光束和红外信号采集传感器所在的工作平台，保持运动速度在1.25mm/s以上。
红外信号采集传感器2的运动与激光源的运动保持一致，并以每秒50次以上的频率采集叶片表面的红外热波信号，以无线传输的方式将红外热波数据传递给数据处理模块，以此来保证该测试方法的便捷性。
红外信号处理模块3将获取不同时刻的被测区域温度场分布，如图3所示，然后将获取的不同时间温度场分布进行叠加，如图4所示，由于红外探测器的高频率采集数据，可以认定温度场空间和时间上的连续性成立，最后取样品空间上每一独立点的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合组成测试叶片区域的真实红外成像图数据如图5所示。
红外信号处理模块3调取数据储存模块4中原始叶片的红外热波成像数据，然后叶片测试区域的真实红外成像信号将去除掉原始叶片的红外成像信号，获得去基线后的红外成像数据；
去基线红外成像数据以热图的形式在输出与控制模块5中显示，如图6所示，由于显示器尺寸及分辨率限制，高频率收集的红外热成像数据在显示器中不能完全被显示，因此，该模块支持选定区域放大功能，以便于对微小区域进行直观的温度场观察。
通过对叶片测试区域去基线红外热成像图分析，由于红外热成像图中颜色的差异代表着温度场的差异，可以快速确定缺陷存在处或者涂层厚度异常处的具体位置，使用涡流测厚模块6采集该区域厚度数据。
TBC涂层结构如图7所示，在测量TGO涂层厚度时，首先调节涡流测厚模式调节模块7，以基底层和粘结层的涡流测厚数据（储存在数据储存模块）为基线调零进行涡流测厚，获得表面TC层和TGO层的共同厚度a，如图8所示。然后调节涡流测厚模式调节模块，以SUB层、BC层和TGO层涡流测厚数据为基线调零进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度b，如图9所示。将两次测厚数据相减获得叶片某一确切位置的TGO层厚度数值，上述测厚数据将以数字显示的方式显示在输出与控制模块，测试精确到0.1μm。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种热障涂层无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：使用线型激光束对样品表面进行快速扫描，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波，以一定频率采集红外热波信号；
S02：对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；
S03：将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；
S04：对温度场异常区域进行涡流测厚，得到氧化层的厚度。
2.根据权利要求1所述的热障涂层无损检测方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括制定数据基线，所述制定数据基线包括：
获取热障涂层原始涂覆样品，将原始样品的红外成像信号作为第一数据基线；
分别以高温合金基体层、粘结层及高温合金基体层、粘结层、氧化层为基准样品进行涡流测厚，获得的厚度数据作为第二数据基线。
3.根据权利要求1所述的热障涂层无损检测方法，其特征在于，所述步骤S01中采集的红外热波信号包括温度场信息与位置坐标信息。
4.根据权利要求2所述的热障涂层无损检测方法，其特征在于，所述步骤S04中得到氧化层的厚度数据，包括：
以第二数据基线的高温合金基体层和粘结层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层和氧化层的共同厚度；
以高温合金基体层、粘结层和氧化层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度；
将两次测厚数据相减获得某一位置的氧化层的厚度。
5.一种热障涂层无损检测设备，其特征在于，包括：
一线性激光束发射器系统，所述线性激光束发射器系统包括设置于一操作平台的激光器及设置于光路方向的凹透镜和振镜，所述操作平台通过电机控制运动，所述线性激光束发射器系统用于产生线型激光束于样品表面，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波；
一红外信号采集传感器，设置于操作平台，所述红外信号采集传感器加装有时间控制模块和计数器，以一定频率采集红外热波信号，根据红外信号采集传感器的运动速度，将每一次采集的红外信号与样品相应测试区域一一对应，将采集红外热波信号传输至红外成像信号处理模块；
一红外成像信号处理模块，对采集的红外热波信号处理得到不同时刻的被测区域温度场分布，将获取的不同时刻温度场分布进行叠加，获取样品空间上不同位置的温度场峰值，将不同位置的温度场峰值数据整合得到样品的真实红外成像图；将得到的真实红外成像图去除制定的数据基线，获得去基线后的红外成像数据；
输出与控制模块，用于显示去基线后的红外成像数据，对得到的去基线后的红外成像数据进行分析，得到温度场异常区域；
涡流测厚模块，对温度场异常区域进行涡流测厚；
所述输出与控制模块还用于得到氧化层的厚度并显示。
6.根据权利要求5所述的热障涂层无损检测设备，其特征在于，数据储存模块，用于存储制定的数据基线，所述制定数据基线包括：
获取热障涂层原始涂覆样品，将原始样品的红外成像信号作为第一数据基线；
分别以高温合金基体层、粘结层及高温合金基体层、粘结层、氧化层为基准样品进行涡流测厚，获得的厚度数据作为第二数据基线。
7.根据权利要求5所述的热障涂层无损检测设备，其特征在于，所述红外信号采集传感器设置有无线传输模块，用于传输采集的红外热波信号。
8.根据权利要求5所述的热障涂层无损检测设备，其特征在于，所述采集的红外热波信号包括温度场信息与位置坐标信息。
9.根据权利要求6所述的热障涂层无损检测设备，其特征在于，还包括设置于数据储存模块与涡流测厚模块间的模式调节模块，所述模式调节模块还连接输出与控制模块，所述模式调节模块用于获取数据储存模块中的第二数据基线。
10.根据权利要求9所述的热障涂层无损检测设备，其特征在于，得到氧化层的厚度数据的方法包括：
以第二数据基线的高温合金基体层和粘结层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层和氧化层的共同厚度；
以高温合金基体层、粘结层和氧化层的涡流测厚数据进行基线调零后进行涡流测厚，获得表面陶瓷层厚度；
将两次测厚数据相减获得某一位置的氧化层的厚度。
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