郭偉， 董麗虹， 王慧鵬， 徐濱士 中國人民解放軍裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072

基于紅外熱像技術的渦輪葉片損傷評價研究進展

郭偉， 董麗虹*， 王慧鵬， 徐濱士 中國人民解放軍裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072

主動紅外熱像技術作為一種新型無損檢測手段，具有高效率、無污染、易操作等特點，適合用于材料表面和近表面缺陷檢測，因此在葉片類薄壁零件損傷評價方面有一定優(yōu)勢。當前基于主動紅外熱像無損檢測技術的高溫渦輪葉片損傷評價研究主要集中于熱障涂層厚度檢測、涂層脫粘檢測、涂層界面處熱生長氧化物檢測以及葉片基體疲勞裂紋檢測4個方面。但現(xiàn)有研究仍然面臨熱激勵理論不完善、紅外熱像儀識別精度不夠高以及熱圖處理方法有待改進等主要問題和困難。隨著這些理論問題和技術困難的解決，主動紅外熱像技術呈現(xiàn)出人工識別缺陷向自動識別發(fā)展、定性檢測向定量檢測發(fā)展的趨勢?？傮w而言，該技術未來在渦輪葉片損傷評價方面具有較大的應用潛力。

渦輪葉片； 熱障涂層； 紅外熱像技術； 損傷評估； 研究現(xiàn)狀

高溫渦輪葉片主要包括航空發(fā)動機渦輪葉片和燃氣輪機渦輪葉片。該類零件的共同特點是服役環(huán)境惡劣，除高強度熱沖擊外，還要在極高溫度下承受交變應力、高速沖擊等復雜載荷，其最高工作溫度超過了葉片合金材料本身可以承受的范圍，所以在基體合金表面制備熱障涂層(Thermal Barrier Boating，TBC)保護葉片基體結構，以提高渦輪葉片的使用溫度，延長葉片服役壽命[1]。

高溫渦輪葉片一旦失效，往往會導致嚴重后果，因此在葉片檢修時必須通過無損評價手段準確判斷葉片的結構完整性，及時發(fā)現(xiàn)并預防危害性故障，提高發(fā)動機工作安全性，這是航空發(fā)動機故障診斷領域一直關注的問題[2]。主動紅外熱像技術作為一種新型無損檢測技術近年來受到廣泛關注，與其他無損檢測技術相比，其在高溫渦輪葉片損傷評價方面具有一定優(yōu)勢，越來越多的研究成果也表明該技術在葉片類零件損傷評價方面具有良好的應用前景。

1 高溫渦輪葉片的主要損傷形式

高溫渦輪葉片的主要失效形式有熱障涂層剝落和葉片基體疲勞斷裂兩種。

目前廣泛應用的TBC多采用雙層結構，表層是以ZrO2為主的陶瓷層(Top Ceramic Coating，TCC)，起隔熱作用；陶瓷層與葉片合金基體之間為金屬粘結層(Bond Coating，BC)，起改善基體與陶瓷涂層物理相容性的作用。熱障涂層剝落會使剝落區(qū)基體材料暴露在高溫環(huán)境中，力學性能降低，無法承受工作載荷[3]。大量研究表明導致熱障涂層在服役過程中剝落的主要因素包括殘余應力、高溫氧化、沖蝕與外界物體的撞擊損傷和熱氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)的堆積等[4-5]。涂層中的殘余應力會導致陶瓷層分層剝落以及與粘結層的脫粘；粘結層的高溫氧化會導致其與陶瓷層結合界面脫粘[6]；高溫氣流的沖蝕會導致厚度減小，隔熱性能下降；外界物體的沖擊同樣會導致涂層剝落；葉片高溫服役過程中在涂層界面上形成的熱氧化物會增加涂層界面處的殘余應力，導致涂層脫粘。因而針對熱障涂層的損傷評價主要是對陶瓷層剩余厚度、陶瓷層脫粘、熱生長氧化物3種損傷形式的檢測評估[7]。

高溫渦輪葉片疲勞斷裂是由于在苛刻的服役環(huán)境下承受高溫、高壓、巨大離心力、腐蝕、振動等復雜載荷，葉片根部和邊緣等應力最大區(qū)域易產(chǎn)生疲勞裂紋[8]，如果繼續(xù)服役，疲勞裂紋擴展最終導致葉片斷裂。

2 主動紅外熱像無損評價技術

主動紅外熱像無損評價技術是將外部熱量以一定形式輸入被測材料，材料中的缺陷和損傷會影響熱量在材料中的傳導，從而引起材料表面熱輻射異常，通過捕捉和分析表面熱輻射信息對材料損傷程度進行評估，其原理如圖1所示。與其他無損評價方法相比，主動紅外熱像無損評價技術具有如下優(yōu)點[9-10]：①適用面廣，不受零件材料和形狀的限制，可用于所有金屬和非金屬材料，以及具有復雜形狀的零件；②效率高，單次檢測面積大，比傳統(tǒng)滲透檢測和渦流線掃描等方法效率更高；③無污染，無滲透液、熒光劑等殘留污染物，也無射線輻射等危害；④結合數(shù)字圖像處理技術可以實現(xiàn)定量檢測和評估。近年來，隨著熱激勵技術、熱成像技術和圖像處理技術的迅速發(fā)展，主動紅外熱像技術的檢測精度不斷提高，在材料缺陷檢測和損傷評估方面越來越顯示出其重要性，并有望應用于材料服役過程中的在線檢測/監(jiān)測[11]。

圖1 主動紅外熱像無損評價流程

Fig. 1 Process of active infrared thermography nondestructive evaluation

主動紅外熱像技術直接檢測的物理量是材料表面熱輻射，這一參量除與材料缺陷和損傷有關外，還受熱激勵方式、零件形狀、材料熱性能、材料均勻性和熱像儀精度等多種因素的影響。因此，如何排除其他因素的影響，突出材料缺陷和損傷對表面溫度的影響，是該技術的關鍵點和難點。當前該技術面臨兩個發(fā)展瓶頸：一是在目前的技術水平下，該方法對缺陷和損傷的檢測深度有限，適合檢測評估材料表面和近表面缺陷及損傷，以及厚度較小的零件，如涂層、薄板、葉片等；二是該技術對缺陷和損傷只能進行定性檢測和評估，定量檢測仍有困難。當前學者們提高該技術檢測能力主要有以下幾種手段：①提高熱輸入均勻性；②采取特殊激勵手段對缺陷和損傷區(qū)域進行選擇性加熱；③提高紅外熱像儀檢測精度；④對熱圖進行后期處理等。

3 研究現(xiàn)狀

針對高溫渦輪葉片的失效形式和結構特點，在過去的幾十年，多種無損評價技術被用于渦輪葉片的損傷評價和缺陷檢測，包括渦流檢測技術、光致光譜技術、聲發(fā)射技術和紅外熱像技術等[12-15]。目前基于主動紅外熱像技術進行的高溫渦輪葉片無損評價研究主要包括熱障涂層評價和葉片疲勞損傷評估兩個方面。

3.1 熱障涂層的損傷評價

3.1.1 陶瓷層厚度評價

陶瓷層厚度是考核熱障涂層的一個重要指標，熱障涂層中陶瓷層的厚度直接決定了涂層整體隔熱性能和疲勞強度，陶瓷層燒結殘余應力會導致陶瓷層內(nèi)部開裂和逐層剝離，使起隔熱作用的陶瓷層厚度減小，隔熱效果下降甚至失效。同時，工作過程中高溫高速氣流的沖蝕也會使涂層厚度減小。為保證葉片服役期間的安全可靠，使用無損檢測方法對熱障涂層中陶瓷層的厚度進行檢測非常必要。

主動紅外熱像技術用于檢測各種涂覆層厚度的研究已有先例，如等離子噴涂層的厚度[16]、人工關節(jié)件上羥磷灰石涂層的厚度[17]和油漆層厚度[18]等。因此該方法也被視為無損檢測TBC中陶瓷層厚度的理想方法，國內(nèi)外學者在這方面進行的研究工作既有涂層厚度的定性比較也有定量表征。Franke等[19]通過脈沖熱像法研究了熱循環(huán)實驗中熱響應幅值與涂層厚度和熱循環(huán)次數(shù)之間的關系，研究結果表明該方法可用于在線監(jiān)測涂層的厚度變化和失效過程。Shepard等[20]研究了脈沖熱激勵下測量熱障涂層厚度的方法，通過熱像圖信號重構 (Thermographic Signal Reconstruction，TSR) 方法對獲取的熱像時間序列進行處理，成功地計算了熱障涂層的厚度，并對涂層厚度呈階梯式分布的試件進行檢測實驗，經(jīng)TSR軟件處理后得到了涂層厚度分布圖，其測量誤差小于5%。Liu等[21]對穩(wěn)態(tài)熱流條件下TBC厚度不均和受沖擊載荷產(chǎn)生的脆性裂紋的熱像檢測進行了研究，用有限元法模擬了不同加熱條件和缺陷參數(shù)對溫度分布的影響，并分別對有人工刻槽的ZrO2陶瓷板和以壓痕法產(chǎn)生涂層內(nèi)部裂紋的TBC試件進行了檢測，結果表明穩(wěn)態(tài)熱像法可有效地區(qū)別人工刻槽與長度約為1 mm 的裂紋，并對陶瓷層厚度進行表征。郭興旺和丁蒙蒙[22]用有限元法對厚度不均勻的熱障涂層在脈沖熱激勵下表面過余溫度、最大溫差、最大對比度和最大溫差時間等可檢信息參數(shù)隨陶瓷涂層厚度差和厚度的變化關系進行了數(shù)值模擬，得到了可檢參數(shù)與厚度特征參數(shù)的關系曲線，定量地描述了主動紅外熱像技術表征熱障涂層厚度的物理規(guī)律。

3.1.2 涂層脫粘檢測

涂層脫粘也是熱障涂層主要失效方式之一，陶瓷與金屬在熱性能與力學性能之間的差異，使TBC中陶瓷層和粘結層之間存在較大殘余應力，因此在熱循環(huán)和高強度載荷作用下，陶瓷層與粘結層之間結合界面成為熱障涂層中一個脆弱區(qū)域，易發(fā)生脫粘導致涂層剝落失效。

已有研究表明，主動紅外熱像技術在評價層狀復合材料和涂覆層材料脫粘損傷方面具有效率高、檢出率高等優(yōu)勢[23-25]。李果[26]在分析熱障涂層失效模式的基礎上，研究了主動紅外熱像技術對陶瓷層-金屬粘結層TBC系統(tǒng)3種失效形式的評價效果，結果表明，在實驗環(huán)境下該方法對熱障涂層的層間脫粘和剝落失效具有良好的檢測效果。Marinetti等[27]在研究燃氣輪機葉片TBC的脈沖熱像檢測時，以傳熱過程的吸熱系數(shù)eapp的時域分析為基礎，提出以lneapp-lnt曲線極小值點對應的時間tmin為信息參數(shù)，該參數(shù)可以較好地區(qū)分涂層的厚度變化和脫粘缺陷。Bision等[28]的研究工作表明，脈沖熱像法不僅可以檢測TBC的脫粘損傷，還可以利用熱圖中提取的特征參數(shù)進一步對脫粘與其他損傷形式進行區(qū)分。Yang和Choi[29]在噴涂有抗高溫氧化涂層的燃氣渦輪葉片上使用該技術檢測到了涂層的開裂和脫粘現(xiàn)象。Marinetti等[30]對主動紅外熱像技術檢測航空葉片和燃氣渦輪葉片中常見的熱障涂層厚度不均、脫粘等損傷進行研究，并對兩種損傷形式的熱圖特征進行了分析和提取。曹善友等[31-32]用有限單元法在柱坐標系下以軸對稱模型描述熱障涂層的雙層結構，該方法將三維導熱問題簡化為二維問題，在此基礎上得到了涂層脫粘參數(shù)(深度和半徑)與可檢參數(shù)(表面溫度及溫度差)之間的定量關系，這些關系在一定程度上可以反映紅外熱像法檢測熱障涂層內(nèi)部脫粘的物理機制。Stephen為了研究不同損傷形式對激勵頻率的響應情況，使用超聲熱像法檢測了航空發(fā)動機渦輪葉片，結果如圖2所示[33]，經(jīng)處理后的熱圖顯示了多處熱障涂層脫粘、基體疲勞裂紋和涂層開裂損傷。

3.1.3 熱障涂層TGO檢測

葉片高溫服役過程中生成于陶瓷層和金屬粘結層之間的熱生長氧化物(TGO)會使兩層之間界面處的應力集中增大、結合強度降低，在界面處形成微裂紋；隨著氧化逐漸加重，TGO的體積增大，界面微裂紋開始擴展并且互相連接起來，形成大型網(wǎng)狀裂紋，嚴重削弱了陶瓷層和粘結層的界面結合力，導致氧化層與粘結層之間發(fā)生脫粘分層，最終剝落。

圖2 渦輪葉片紅外熱像檢測結果[33]

Fig.2 Testing result of turbine blades by infrared thermography[33]

目前關于TGO的產(chǎn)生機理、TGO對熱障涂層的影響、抑制其生長的方法有大量理論和試驗研究[3,34]，但仍然無法完全避免熱障涂層高溫服役時TGO的形成。因此，在涂層服役過程中對TGO進行檢測和分析十分必要。Bision等[28]研究了沿厚度方向和平面方向涂層的熱擴散系數(shù)變化，利用紅外熱成像系統(tǒng)建立了涂層熱擴散系數(shù)衰減、TGO含量和剩余循環(huán)壽命三者之間的關系；Newaz和Chen[35]利用閃光燈激勵脈沖紅外熱像法監(jiān)測涂層累積損傷過程中由TGO引起的陶瓷層-粘結層分層脫粘和陶瓷層內(nèi)部組織結構變化，并在不同積分時間下獲得了不同服役階段的涂層表面熱圖，來表征涂層的累積損傷狀態(tài)。張志強等[36]針對紅外熱像技術缺陷自動識別問題，提出了一種基于奇異值分解(SVD)的紅外序列圖像特征提取方法，并通過實驗對航空發(fā)動機葉片熱障涂層損傷類型進行識別驗證，實驗結果表明該方法可以自動識別熱障涂層中TGO的堆積及其導致的涂層斷裂。

3.2 葉片疲勞損傷程度評估

對于航空發(fā)動機和燃氣輪機高溫葉片而言，所承受的各種高強度交變載荷不僅會造成熱障涂層失效，還會使葉片基體產(chǎn)生疲勞裂紋，葉片疲勞裂紋擴展最終會導致葉片斷裂，對其安全服役造成嚴重威脅。因此，及時發(fā)現(xiàn)葉片中產(chǎn)生的疲勞裂紋，對于提高高溫渦輪葉片的服役安全性具有重要意義。

目前在飛機發(fā)動機維修檢測時，對高溫渦輪葉片疲勞裂紋的檢測仍然以目測方法為主。葉片不規(guī)則的表面形狀、復雜內(nèi)腔結構和表面覆蓋的熱障涂層，導致當前常用的磁粉、滲透、超聲、渦流等無損檢測手段在檢測該類葉片疲勞裂紋時受到局限；射線檢測效果較好，但其成本高，且存在輻射危害。主動紅外熱像技術不受零件材料和形狀的限制，檢測成本較低，因此在評估葉片疲勞損傷方面具有一定優(yōu)勢。張淑儀等[37]使用數(shù)值模擬和實驗測試相結合的方法研究了超聲紅外熱像技術對試件中疲勞裂紋的檢測效果，模擬和實驗結果均表明在0.2 s的脈沖超聲波作用后，疲勞裂紋中心處的溫度會比周圍無缺陷區(qū)域升高2～3 ℃，這一溫度差足以被紅外熱像儀分辨并捕捉。Bolu等[38]使用超聲熱像法檢測航空發(fā)動機葉片疲勞裂紋，對原始熱圖進行背景減去、線性濾波等處理以增強缺陷顯示效果(如圖3所示)。最終在已知有裂紋的60個葉片中，使用該方法檢測出來52個，檢出率達到86%，這一結果表明，紅外熱像方法可以作為一種快速評估方法，提高葉片疲勞損傷的評估效率。

4 面臨的困難和發(fā)展方向

4.1 面臨的主要困難

主動紅外熱像無損評價結果受多種因素的影響，在應用于實際零件時應該首先確定該零件的損傷形式和缺陷類型，在此基礎上采取適當?shù)募钍侄魏蛨D像處理方法。總體而言，目前針對渦輪葉片損傷形式的紅外熱像評估技術還處于實驗室研究階段，該領域的研究仍然面臨以下幾個問題：

圖3 渦輪葉片裂紋缺陷檢測結果[38]

Fig.3 Detecting result of crack defect in turbine blade[38]

1) 對應于葉片典型缺陷的高效熱激勵手段尚未建立。主動紅外熱像技術被用于材料檢測評估領域的時間并不長，目前大量關于熱激勵手段的研究還處于初期探索階段，熱激勵能量與材料微觀組織結構相互作用機理的研究仍然有待深入，如入射熱流與材料組織、內(nèi)部界面的相互作用等。

2) 紅外熱像儀仍然是限制該技術廣泛應用的因素之一。近年來紅外熱像儀的各項性能得到了較大提升，但某些關鍵技術指標仍然有很大的提高空間，如常見的手持式非制冷紅外熱像儀探測器分辨率僅為320×240像素，制冷式紅外熱像儀分辨率可達到640×480像素，這一指標遠低于可見光圖像采集設備。高質(zhì)量的熱圖是進行缺陷檢測和損傷評估的重要依據(jù)，材料表層下具有一定深度的微小損傷對表面熱輻射的影響很小，但在渦輪葉片等關鍵零件中這些微小損傷可能導致嚴重后果。采集清晰的熱圖有助于捕捉細微的表面溫度變化，進而提高對微小損傷的識別能力。

3) 針對渦輪葉片損傷形式的熱圖處理手段和特征信號提取程序尚未建立。針對熱障涂層損傷和葉片疲勞裂紋的熱圖處理方法及特征信號提取，是準確評估葉片損傷的前提。目前熱圖的處理大多依托現(xiàn)有的圖像處理手段，進行減背景、去噪增強和圖像序列處理等手段，還沒有形成一套行之有效的適用于葉片材料損傷評估的熱圖處理流程。

4.2 發(fā)展方向展望

要解決當前在渦輪葉片損傷評估中面臨的困難，有賴于主要技術的突破和檢測設備的性能提升。隨著科學技術的進步，基于主動紅外熱像技術的渦輪葉片損傷評估研究也將不斷取得新的進展，目前該方面研究呈現(xiàn)出以下兩個明顯的發(fā)展方向：

1) 葉片損傷自動評估。實現(xiàn)自動損傷評估，首先要提取高溫渦輪葉片幾種典型損傷形式的熱圖特征，這是進行機器自動損傷評估的基礎。在具體檢測中捕捉零件表面熱圖后，與這些損傷形式的熱圖特征進行對比分析，確定具體零件的損傷形式與程度。目前國內(nèi)外都有學者嘗試提取疲勞裂紋、界面脫粘等損傷形式的熱圖特征，這些研究數(shù)據(jù)對推進葉片損傷自動評估具有重要意義。

2) 定性檢測向定量檢測發(fā)展。目前主動紅外熱像技術在高溫渦輪葉片無損評價方面尚未形成體系，實際應用較少，對激勵手段和不同缺陷的優(yōu)化組合缺乏系統(tǒng)的理論及實驗研究，大多研究集中于對損傷的定性評價。隨著紅外熱像技術檢測精度的不斷提高，對當前主動紅外熱像技術在高溫渦輪葉片無損評價方面的研究成果進行歸納梳理，建立激勵方法-葉片缺陷-熱傳導模式-熱圖特征之間的對應關系及理論模型，形成一套針對葉片不同部位不同缺陷的行之有效的評價體系，有助于提高渦輪葉片無損評價效率并推動定性評估向定量評估發(fā)展。

5 結束語

主動紅外熱像技術是一種新型無損評價技術，該技術以其適用范圍廣、高效率、無污染等優(yōu)點吸引了國內(nèi)外研究者的加入，其在高溫渦輪葉片損傷評價中的研究和應用都處于起步階段，研究應用前景令人期待。隨著檢測設備的發(fā)展和檢測技術的進步，主動紅外熱像技術對高溫渦輪葉片的損傷評價正在從人工識別、定性評估向自動識別、定量評估的方向發(fā)展，而且該技術未來有望應用于高溫渦輪葉片的在線檢測和監(jiān)測。

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郭偉 男， 博士研究生。主要研究方向： 紅外熱像無損檢測技術。

Tel: 010-66719249

E-mail: gwhy@163.com

董麗虹 女， 博士， 副研究員。主要研究方向： 無損檢測與再制造壽命評估。

Tel: 010-66718540

E-mail: lihong.dong@126.com

Received： 2015-01-19； Revised： 2015-03-10； Accepted： 2015-04-07； Published online： 2015-04-13 14:04

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150413.1404.005.html

Foundation item： National Basic Research Program of China (2011CB013401)

*Corresponding author. Tel.： 010-66718540 E-mail: lihong.dong@126.com

Research progress of damage estimation for turbine blades based on infrared thermographic technology

GUO Wei, DONG Lihong*, WANG Huipeng, XU Binshi

ScienceandTechnologyonRemanufacturingLaboratory,AcademyofArmoredForcesEngineering,Beijing100072,China

As a new non-destructive testing technology with characteristics of high efficiency, non-pollution and easy to operate, active infrared thermography is suitable for surface and subsurface defect detecting, therefore it has some advantages for damage evaluation of thin-walled parts such as turbine blades. Currently, damage evaluation research for high-temperature turbine blades based on active infrared thermography mainly focuse on four aspects: detection of fatigue crack in blade base material, testing of thermal grown oxide in the interface, thickness measurement and debonding detection of thermal barrier coatings. However, there are some problems and difficulties for existing research, such as the thermal excitation theory is still imperfect, the recognition accuracy of thermal infrared imager is not high enough, and processing methods of thermal images need to be improved. With the resolve of these theoretical and technical problems, active infrared thermography showing two development trends: from artificial to automatically recognition, and from quantitative detection to qualitative detection of defects. Overall, this technology has a large potential on damage evaluation of turbine blades in the future.

turbine blades; thermal barrier coatings; infrared thermography technology; damage evaluation; research status

2015-01-19; 退修日期: 2015-03-10; 錄用日期: 2015-04-07； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間：

時間：2015-04-13 14:04

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150413.1404.005.html

國家“973”計劃 (2011CB013401)

.Tel.： 010-66718540 E-mail: lihong.dong@126.com

郭偉， 董麗虹， 王慧鵬， 等． 基于紅外熱像技術的渦輪葉片損傷評價研究進展[J]． 航空學報, 2016, 37(2): 429-436. GUO W, DONG L H, WANG H P, et al. Research progress of damage estimation for turbine blades based on infrared thermographic technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 429-436.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0098

V250.2

： A

： 1000-6893(2016)02-0429-08

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