陳棣湘，任 遠(yuǎn)，王 偉

（1.國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.裝備綜合保障國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073）

熱障涂層技術(shù)自20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)，就受到了各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。目前，熱障涂層已被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，以達(dá)到降低高溫部件的基體溫度和提高基體抗腐蝕能力的目的。熱障涂層主要由表面的陶瓷層（Top Coating，TC）以及與高溫合金基底相連的黏結(jié)層（Bond Coating，BC）構(gòu)成；在高溫高壓的工作環(huán)境下，在陶瓷層和黏結(jié)層之間還會(huì)產(chǎn)生熱生長(zhǎng)氧化層（Thermally Grown Oxide，TGO），其在生長(zhǎng)過(guò)程中界面應(yīng)力的不均勻性很容易導(dǎo)致界面開(kāi)裂和涂層脫落。此外，直接與高溫燃?xì)饨佑|的陶瓷層很容易產(chǎn)生燒結(jié)和相變，導(dǎo)致涂層孔隙率降低、熱導(dǎo)率增加、氧化層增厚等問(wèn)題，并有可能在內(nèi)應(yīng)力和外力的作用下產(chǎn)生裂紋甚至脫粘，導(dǎo)致涂層失效[1-3]。

針對(duì)熱障涂層的檢測(cè)需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，除了傳統(tǒng)的熒光滲透檢測(cè)法[4]外，還對(duì)紅外熱波[5]、超聲[6]、微波[7]、聲發(fā)射[8]、交流阻抗譜[8]和渦流[9]等無(wú)損檢測(cè)方法開(kāi)展了深入研究。這些無(wú)損檢測(cè)研究方法都有各自的特點(diǎn)，但也存在一些局限性。

（1）紅外熱波法：檢測(cè)面積大，檢測(cè)速度快，檢測(cè)結(jié)果直觀，但分辨率有限，通常只能檢測(cè)出尺寸在1mm以上的缺陷[10-11]。

（2）超聲法：檢測(cè)結(jié)果受陶瓷層孔隙率的影響較大[12]。

（3）微波法：由于微波遇到金屬會(huì)反射，因此難以檢測(cè)金屬黏結(jié)層的內(nèi)部缺陷。

（4）聲發(fā)射法：聲發(fā)射信號(hào)具有不確定性和不可逆性，很難用于損傷的定量檢測(cè)。

（5）交流阻抗譜法：阻抗信號(hào)受測(cè)量電極大小以及相對(duì)位置的影響大。

（6）渦流法：由于渦流只能在導(dǎo)電材料中存在，因此通常只能檢測(cè)黏結(jié)層的變化以及陶瓷層的厚度，難以檢測(cè)陶瓷層中的裂紋以及由燒結(jié)和相變導(dǎo)致的物理特性變化。

可以看出，目前針對(duì)熱障涂層的無(wú)損檢測(cè)還存在檢測(cè)手段單一、檢測(cè)不全面、定量檢測(cè)精度低等不足，發(fā)展新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有十分重要的意義。鑒于此，本文根據(jù)熱障涂層的特點(diǎn)，提出了一種基于電磁/電容復(fù)合傳感器的新的檢測(cè)方法。

電磁/電容復(fù)合傳感器

渦流法通常用于檢測(cè)導(dǎo)電材料，而電容器通常用于檢測(cè)非導(dǎo)電介質(zhì)。由于熱障涂層既包含非導(dǎo)電的陶瓷層，又包含導(dǎo)電的黏結(jié)層，單一的渦流檢測(cè)或電容檢測(cè)都不能對(duì)其進(jìn)行全面評(píng)估，只有將兩種檢測(cè)方式集成在一起，設(shè)計(jì)制備出電磁/電容復(fù)合式傳感器，才能同時(shí)對(duì)陶瓷層和黏結(jié)層進(jìn)行檢測(cè)。利用信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有望實(shí)現(xiàn)熱障涂層全面準(zhǔn)確的檢測(cè)。

傳統(tǒng)的繞制式電磁線圈具有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于體積相對(duì)較大且缺乏柔性，難以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等具有復(fù)雜型面部件的檢測(cè)，并且在檢測(cè)范圍較大、需要構(gòu)成陣列時(shí)各檢測(cè)單元的一致性難以保證。采用柔性印制電路板（Flexible Printed Circuit Boards，F(xiàn)PCB）或微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）技術(shù)在柔性基底材料上制備平面陣列式電磁檢測(cè)單元，則可以有效解決這一問(wèn)題。

傳統(tǒng)的平行板電容器由兩塊極板構(gòu)成，如果將兩塊極板轉(zhuǎn)化為平面上存在一定間距的兩個(gè)電極，同樣可以實(shí)現(xiàn)邊緣電場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)材料特性的檢測(cè)。將多個(gè)電磁檢測(cè)單元和電容檢測(cè)單元集成在同一平面的同一區(qū)域內(nèi)，就可以構(gòu)成柔性陣列式電磁/電容復(fù)合傳感器。

設(shè)計(jì)的電磁/電容復(fù)合式傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中單匝蜿蜒線圈既作為電磁激勵(lì)線圈，同時(shí)也充當(dāng)了平面電容器的驅(qū)動(dòng)電極。平面電容器的檢測(cè)電極與驅(qū)動(dòng)電極位于同一平面，而電磁檢測(cè)線圈位于背面。激勵(lì)線圈在結(jié)構(gòu)上具有周期性，在施加激勵(lì)電流后能產(chǎn)生規(guī)則的激勵(lì)磁場(chǎng)，有利于檢測(cè)微小缺陷引起的信號(hào)變化。平面電容器的檢測(cè)電極設(shè)計(jì)成U形結(jié)構(gòu)，其目的是：（1）增加平面電容結(jié)構(gòu)的面積，這樣可以增大電容量并提高電容器的檢測(cè)靈敏度；（2）在電磁檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)電極采用U型結(jié)構(gòu)，檢測(cè)電極上不會(huì)形成閉合的渦流回路，可減小檢測(cè)電極對(duì)電磁檢測(cè)信號(hào)的影響[13]。

電磁/電容復(fù)合式傳感器的工作原理如下：（1）復(fù)合式傳感器采用分時(shí)工作模式，當(dāng)工作在電磁檢測(cè)模式時(shí)，外部電路給激勵(lì)線圈通以正弦交流電流，在激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，同時(shí)在被檢導(dǎo)電材料（例如熱障涂層的黏結(jié)層及其連接的金屬基底）中產(chǎn)生渦流；（2）渦流磁場(chǎng)與激勵(lì)線圈產(chǎn)生的主磁場(chǎng)疊加，會(huì)在檢測(cè)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，根據(jù)其變化就可以檢測(cè)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的變化；（3）當(dāng)復(fù)合式傳感器工作在電容檢測(cè)模式時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極周圍會(huì)形成邊緣電場(chǎng)，電場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)的介質(zhì)變化就會(huì)導(dǎo)致平面電容器等效電容的變化；（4）將驅(qū)動(dòng)電極與正弦交流電源連接，檢測(cè)電極與放大電路連接，等效電容的變化就會(huì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。

采用柔性電路板制備的電磁/電容復(fù)合傳感器實(shí)物如圖2所示。其中蜿蜒激勵(lì)線圈和U形檢測(cè)電極的厚度為0.02mm，寬度及其間隔距離均為1mm，直線段長(zhǎng)度均為5mm，彎曲處為半圓形；檢測(cè)線圈的寬度和間隙均為0.1mm，每個(gè)檢測(cè)線圈的匝數(shù)為10，傳感器正面布置有激勵(lì)線圈和6個(gè)電極，其中兩端的啞元電極用于保證電場(chǎng)的均勻性，不向外引出信號(hào)，只有中間4個(gè)電極用于檢測(cè)；與此類似，傳感器反面布置有6個(gè)線圈，其中兩端的啞元線圈用于保證磁場(chǎng)的均勻性，不向外引出信號(hào)，只有中間4個(gè)線圈用于檢測(cè)。

采用COMSOL 軟件建立了包括復(fù)合傳感器和熱障涂層在內(nèi)的檢測(cè)模型，對(duì)傳感器的檢測(cè)特性進(jìn)行有限元仿真分析。仿真模型中復(fù)合傳感器的幾何參數(shù)與圖2所示的傳感器實(shí)物完全相同。線圈和電極的材料為銅，其電導(dǎo)率設(shè)為59.98MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，相對(duì)介電常數(shù)為1。傳感器的基底材料為聚酰亞胺，厚度為0.2mm，其電導(dǎo)率設(shè)為0.004MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，相對(duì)介電常數(shù)為4。熱障涂層由頂部的陶瓷層（緊貼傳感器基底材料）和底部的黏結(jié)層組成，其厚度和電磁參數(shù)的取值范圍如表1所示。

圖1 電磁/電容復(fù)合式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic/capacitive composite sensor structure

本節(jié)主要研究了傳感器轉(zhuǎn)移阻抗隨陶瓷層厚度和黏結(jié)層電導(dǎo)率的變化，以及平面電容器等效電容值隨陶瓷層厚度及其介電常數(shù)的變化，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)后文。

圖2 電磁/電容復(fù)合式傳感器實(shí)物Fig.2 Electromagnetic/capacitive composite sensor

熱障涂層檢測(cè)試驗(yàn)

1 熱障涂層模擬試件設(shè)計(jì)

由于熱障涂層材料體系和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其制備具有較大的技術(shù)難度。目前，國(guó)內(nèi)無(wú)損檢測(cè)試件廠商還不能提供熱障涂層標(biāo)準(zhǔn)試件。因此，根據(jù)調(diào)研得到的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了與真實(shí)熱障涂層物理屬性相似的模擬試件來(lái)開(kāi)展檢測(cè)試驗(yàn)。

在對(duì)真實(shí)熱障涂層的厚度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)及試驗(yàn)條件進(jìn)行綜合分析后，采用厚度為70～700μm的硅片模擬熱障涂層的陶瓷層，用厚度為100μm的鋁箔模擬黏結(jié)層，用厚度為10mm的紫銅板模擬發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。各層材料分別經(jīng)過(guò)拋光和除塵處理后，被緊密貼合在一起。

圖3 熱障涂層檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal barrier coating detection system structure

表1 熱障涂層的參數(shù)取值范圍Table1 Parameter range of thermal barrier coating

2 熱障涂層檢測(cè)系統(tǒng)

基于電磁/電容復(fù)合傳感器與阻抗分析儀的熱障涂層檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括4個(gè)部分：平面陣列式電磁/電容復(fù)合傳感器、多通道切換單元、阻抗分析儀和計(jì)算機(jī)。多通道切換單元在接到計(jì)算機(jī)通過(guò)串口傳來(lái)的測(cè)量指令后，通過(guò)控制多個(gè)繼電器的通道實(shí)現(xiàn)陣列式傳感器中各個(gè)電磁檢測(cè)單元和電容檢測(cè)單元的依次切換，被選中的檢測(cè)單元通過(guò)同軸電纜連接到阻抗分析儀的輸入端口，由阻抗分析儀完成電磁檢測(cè)單元阻抗信息和平面電容器等效電容的精密測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB 接口傳回到計(jì)算機(jī)，并采用LabView 軟件編寫程序進(jìn)行分析和處理。

檢測(cè)結(jié)果與分析

1 陶瓷層厚度檢測(cè)

熱障涂層在服役過(guò)程中，如果陶瓷層減薄甚至脫粘，隔熱效果就會(huì)大打折扣，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故，因此陶瓷厚度的檢測(cè)至關(guān)重要。圖4（a）所示是電磁檢測(cè)模式下，激勵(lì)頻率為1MHz時(shí)傳感器轉(zhuǎn)移阻抗（感應(yīng)電壓與激勵(lì)電流之比，由于其實(shí)部變化不明顯，因此通常取與頻率成正比的虛部）隨陶瓷層厚度的變化，可以看出，轉(zhuǎn)移阻抗虛部隨介質(zhì)材料厚度的增加而近似線性增大，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)靈敏度約為0.1Ω/mm。圖4（b）所示是電容檢測(cè)模式下，激勵(lì)頻率為100kHz，介質(zhì)材料相對(duì)介電常數(shù)為4時(shí)傳感器等效電容值隨陶瓷層厚度的變化，可以看出，等效電容值隨陶瓷層厚度的增加而減小；當(dāng)陶瓷層厚度小于0.21mm時(shí)，平面電容傳感器對(duì)陶瓷層厚度具有較高的檢測(cè)靈敏度，約為15pF/mm；當(dāng)陶瓷層厚度在0.21～0.42mm 之間時(shí)，檢測(cè)靈敏度約為3.6pF/mm；當(dāng)陶瓷層厚度大于0.42mm時(shí)，檢測(cè)靈敏度約為2.55pF/mm。由于仿真模型沒(méi)有考慮寄生電容和雜散電容的影響，等效電容的仿真計(jì)算值略小于試驗(yàn)測(cè)量值。

2 陶瓷層介電常數(shù)檢測(cè)

陶瓷層的孔隙率是影響熱障涂層隔熱性能的一個(gè)重要因素，但直接對(duì)孔隙率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量非常困難。由于陶瓷層的孔隙率變化必然導(dǎo)致其介電常數(shù)發(fā)生改變，因此，可以建立陶瓷層孔隙率與其介電常數(shù)的關(guān)系，利用平面電容器檢測(cè)涂層的介電常數(shù)，就可以間接了解陶瓷層孔隙率的變化[14]。

平面電容器等效電容值隨陶瓷層介電常數(shù)的變化如圖5所示。可以看出，電容值隨陶瓷層介電常數(shù)的增加而增加，但具有一定的非線性。通過(guò)仿真分析陶瓷層相對(duì)介電常數(shù)在1～15范圍內(nèi)變化時(shí)的等效電容值，發(fā)現(xiàn)相對(duì)介電常數(shù)每增加1時(shí)，等效電容值大約增大0.22pF。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中由于受到條件限制，只采用了相對(duì)介電常數(shù)分別為4和12.5的兩種介電材料來(lái)模擬陶瓷層介電常數(shù)的變化。從圖5中可以看出，這兩個(gè)測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的理論值（仿真分析結(jié)果）基本一致。

圖4 轉(zhuǎn)移阻抗和等效電容隨陶瓷層厚度的變化Fig.4 Variation of transfer impedance and equivalent capacitance with ceramic layer thickness

圖5 等效電容隨陶瓷層介電常數(shù)的變化Fig.5 Variation of equivalent capacitance with dielectric constant of ceramic layer

3 黏結(jié)層電導(dǎo)率檢測(cè)

熱障涂層在服役過(guò)程中，在高溫高壓的環(huán)境下，黏結(jié)層中的鋁離子會(huì)與陶瓷層中的氧離子結(jié)合，形成主要成分為Al2O3的氧化層。氧化層會(huì)隨著服役時(shí)間的增加而變厚，成為導(dǎo)致涂層脫落的主要原因，但由于氧化層通常只有幾微米厚且位于涂層內(nèi)部，直接測(cè)量起來(lái)非常困難。在氧化層增厚的過(guò)程中，消耗的鋁離子會(huì)越來(lái)越多，因此黏結(jié)層中的鋁離子會(huì)越來(lái)越少，從而導(dǎo)致黏結(jié)層的電導(dǎo)率發(fā)生變化。再加上黏結(jié)層自身的電導(dǎo)率較低，鋁離子濃度的變化引起的電導(dǎo)率變化較大。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)出黏結(jié)層電導(dǎo)率的變化，對(duì)熱障涂層的狀態(tài)評(píng)估具有重要意義。

圖6 轉(zhuǎn)移阻抗虛部隨傳感器工作頻率的變化Fig.6 Variation of imaginary part of transfer impedance with operating frequency of sensor

當(dāng)陶瓷層和黏結(jié)層的厚度分別為350μm和100μm時(shí)，改變傳感器的工作頻率并測(cè)試傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗。圖6（a）和（b）所示為黏結(jié)層電導(dǎo)率分別為11.4MS/m和37.74MS/m時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗虛部隨傳感器工作頻率（取10kHz、100kHz、1MHz、2MHz、3MHz 這5個(gè)頻率）的變化，可以看出，隨著工作頻率的增加，轉(zhuǎn)移阻抗虛部也隨之增加。轉(zhuǎn)移阻抗虛部隨黏結(jié)層電導(dǎo)率的變化不是很明顯，但通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果和測(cè)量值的分析可以發(fā)現(xiàn)：在同一工作頻率下，傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗虛部隨黏結(jié)層電導(dǎo)率增大而減小。當(dāng)工作頻率為10kHz時(shí)，黏結(jié)層電導(dǎo)率為37.74MS/m時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移阻抗虛部比電導(dǎo)率為11.4MS/m時(shí)小0.04mΩ；當(dāng)工作頻率為100kHz時(shí)，兩者的差別為0.61mΩ；當(dāng)工作頻率為1MHz時(shí)，兩者的差別擴(kuò)大到4.86mΩ。因此，為保證對(duì)黏結(jié)層電導(dǎo)率的檢測(cè)靈敏度，傳感器應(yīng)采用較高的工作頻率。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

從上述的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用電磁/電容復(fù)合傳感器的電磁檢測(cè)單元可以完成陶瓷層厚度和黏結(jié)層電導(dǎo)率的檢測(cè)，利用傳感器的電容檢測(cè)單元可以完成陶瓷層厚度和介電常數(shù)的檢測(cè)。由于熱障涂層的復(fù)雜性，無(wú)論是傳感器電磁檢測(cè)單元的轉(zhuǎn)移阻抗還是平面電容器的等效電容，都會(huì)受到多個(gè)因素的影響，而前面這些檢測(cè)結(jié)果都是在其他參數(shù)不變的情況下得到的，因此傳感器的標(biāo)定必不可少[15]。由于陶瓷層厚度的變化既會(huì)導(dǎo)致復(fù)合傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的變化，又會(huì)導(dǎo)致等效電容值的變化，因此可以利用信息融合技術(shù)，首先將兩種工作模式下獲取的檢測(cè)信息進(jìn)行融合，反演得到準(zhǔn)確的陶瓷層厚度值。在此基礎(chǔ)上，可以認(rèn)為電磁檢測(cè)單元的轉(zhuǎn)移阻抗只隨黏結(jié)層電導(dǎo)率變化，而平面電容器的等效電容只隨陶瓷層介電常數(shù)變化，這樣就可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)的反演。有關(guān)熱障涂層的多參數(shù)反演算法已取得了初步進(jìn)展[16]，還有待更深入的研究。

結(jié)論

本文提出了一種基于電磁/電容復(fù)合傳感器的熱障涂層檢測(cè)技術(shù)，對(duì)電磁/電容復(fù)合檢測(cè)機(jī)理、復(fù)合傳感器設(shè)計(jì)方法和熱障涂層參數(shù)檢測(cè)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹，主要結(jié)論如下。

（1）根據(jù)電磁渦流適合檢測(cè)導(dǎo)電材料的特性以及非導(dǎo)電材料的厚度、平面電容器適合檢測(cè)非導(dǎo)電材料的厚度和介電常數(shù)這一特點(diǎn)，將兩種檢測(cè)方法結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)傳感器的檢測(cè)能力。

（2）設(shè)計(jì)了平面陣列式電磁/電容復(fù)合式傳感器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可檢測(cè)復(fù)雜曲面等優(yōu)點(diǎn)，并搭建了基于高精度阻抗分析儀和多通道切換單元的熱障涂層檢測(cè)系統(tǒng)。

（3）分別在電磁和電容兩種檢測(cè)模式下完成了傳感器轉(zhuǎn)移阻抗和等效電容的測(cè)量，分析了測(cè)量結(jié)果與陶瓷層厚度及介電常數(shù)、黏結(jié)層電導(dǎo)率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傳感器電磁檢測(cè)單元和電容檢測(cè)單元對(duì)涂層厚度的最大檢測(cè)靈敏度分別達(dá)到0.1Ω/mm和15pF/mm，為熱障涂層的多參數(shù)定量檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。