李慧娟，郭 偉,王俊濤

(1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.陸軍裝甲兵學院士官學校，長春 130117)

電弧噴涂技術是以電弧為熱源將金屬絲材熔化，并用高速氣流使其霧化成為微小熔滴，再將其噴射到工件表面形成涂層的一種材料表面成型工藝[1-2]。與等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂等其他熱噴涂技術相比，電弧噴涂技術具有低能耗、低成本、高效率、涂層組織易調控等特點[3]。隨著新型高性能噴涂材料的不斷開發(fā)，以及噴涂工藝的不斷優(yōu)化，電弧噴涂技術的應用領域也得到了極大拓展，如：由僅能噴涂約2 mm以下的薄涂層，發(fā)展到可以噴涂成型10～20 mm厚的金屬零件[4]；由僅以手工作業(yè)方式在小范圍內進行零件表面改性強化，發(fā)展到工業(yè)自動化噴涂生產(chǎn)線進行裝備零部件的規(guī)?；尚秃驮僦圃臁?/p>

電弧噴涂層的典型結構是由無數(shù)熔融顆粒撞擊基體表面，變型堆積而成的層片狀結構，且中間夾雜部分微小氣孔、裂紋和氧化物。帶有涂層的零件在服役過程中，表面涂層直接受到摩擦力、拉伸力、交變應力、腐蝕環(huán)境的作用，因此涂層質量檢測對于保證零件的服役安全具有十分重要的意義。典型缺陷類型有：裂紋及剝落、氣孔、氧化物夾雜、厚度不均勻等。目前，較為常用的涂層質量檢測方法包括目視檢測、微觀結構檢測、超聲檢測、渦流檢測和射線檢測等[5]。目視檢測雖然效率高，但只能觀察涂層表面形態(tài)，無法識別涂層內部和界面處存在的缺陷。微觀結構檢測可獲取涂層的厚度、微觀結構和成分組成等信息，但屬于破壞性分析方法，且費時費力，不適用于工業(yè)流水線大規(guī)模的連續(xù)無損檢測。超聲檢測法利用超聲振動能量在涂層、基體和缺陷中的不同傳播特性，對涂層質量進行檢測和判斷，其局限在于超聲波在工件中傳播時受工件形狀的影響明顯，對規(guī)則形狀的工件檢測效果較好，而復雜形狀的工件不適宜采用超聲檢測方法[5]。渦流檢測可以評估涂層與基體界面分層的危害程度，可以測量涂層的厚度，但需采用校準試樣進行校準[6-7]，在工程實際中，受成本和時間因素的影響，往往難以制備標準試樣。射線檢測技術適用于大部分材料的內部缺陷檢測，但對檢測環(huán)境和操作人員的要求較高，檢測成本也相對較高，高分辨率的計算機斷層成像(CT)是一種較好的涂層質量分析技術，可對涂層中的裂紋和孔隙進行檢測，但對涂層和基體之間的界面分層缺陷檢測效果較差。

主動式紅外熱成像檢測方法作為新型無損檢測技術在復合材料脫黏缺陷的檢測中已得到了廣泛應用[8],但其在涂層質量檢測，以及檢測適用性、檢測能力等方面的研究較少。筆者對電弧噴涂涂層與基體分層缺陷開展了涂層質量的紅外熱成像檢測試驗，結果表明，主動式紅外熱成像方法能夠實現(xiàn)對涂層內部分層缺陷的準確、快速和非接觸檢測，利用熱擴散曲線能夠對分層程度進行有效區(qū)分。

1 紅外熱成像檢測方法

1.1 檢測理論

主動式紅外熱成像技術利用材料的熱學特性，依據(jù)熱傳導理論和熱輻射定律，研究了主動式激勵熱源與檢測試樣、試樣內部缺陷之間的相互作用，對材料及結構內部的損傷和缺陷進行無損檢測。利用外部熱源對待檢測表面施加變化溫度場(熱波)，熱波在待測物體內部進行熱傳導，物體內部無分層、夾雜等缺陷時，熱波到達物體底部產(chǎn)生熱反射，物體內部存在缺陷時，熱波在缺陷位置發(fā)生反射，同時由于缺陷的比熱熔與物體本身存在差異，所以反射到物體表面的熱輻射量產(chǎn)生明顯變化。利用紅外熱像儀采集熱輻射量的差異，即可分析物體內部的缺陷。物體的比熱容、尺寸、表面狀態(tài)等都會對熱的傳輸或圖像采集產(chǎn)生影響。紅外熱成像檢測原理如圖1所示。

圖1 紅外熱成像檢測原理示意

1.2 檢測應用

主動式紅外熱成像技術被大量應用于復合材料與復合結構中，隨著紅外熱成像技術分辨率及數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，其被逐漸應用于金屬及非金屬表面涂覆質量的檢測中。美國研究人員應用紅外熱成像檢測方法對渦流發(fā)動機的等離子噴涂熱障涂層進行監(jiān)測，實現(xiàn)了表面涂層從開始脫落至完全失效的全過程監(jiān)測，其利用電子顯微鏡對失效涂層進行微觀測量，驗證了紅外熱波檢測技術對熱障涂層進行質量檢測的可行性與準確性。德國薩爾布呂肯大學、肯塔基州立大學等研究機構利用紅外熱成像方法測量金屬基底上的金屬涂層和陶瓷涂層的熱特性、光學特性、幾何特性等，并檢測涂層裂縫、破裂等缺陷[9]。美國西北大學的BIRL基礎工業(yè)研究實驗室對船體的涂層進行了檢測，有效地解決了再敷涂層的脫黏、水泡等檢測難題，節(jié)省了大量人力、物力[10]。國內，首都師范大學、北京航空航天大學、北京航空材料研究院等機構采用紅外熱成像技術對熱障涂層進行微觀檢測，獲取了熱障涂層的厚度、微觀結構與成分等信息[11-12]。哈爾濱工業(yè)大學利用脈沖紅外熱成像方法對SiC涂層進行了有效檢測，并取得了良好的檢測效果[13]?；粞鉡14]利用紅外熱成像方法對鋁基底抗核加固涂層、漆層涂層、吸波涂層等不同類型涂層的涂覆質量及厚度進行檢測。結果表明，紅外熱成像方法能夠實現(xiàn)涂層內缺陷的檢測，并對涂層厚度進行有效區(qū)分。

2 試樣制備

試樣基體材料為45#鋼，尺寸為300 mm×50 mm×3 mm(長X寬X高)。在其中一個表面采用電弧噴涂方法制備3Cr13合金涂層,采用連續(xù)掃描多層疊加成型方法使涂層厚度達到約1 mm，每一遍噴涂過程之間不進行冷卻，目的是增大涂層內部熱應力，使其在試樣邊緣部位發(fā)生翹曲和界面分層。成型后的試樣外觀如圖2所示，涂層左側邊緣部位發(fā)生了界面分層和翹曲，但通過肉眼無法從表面識別分層的范圍和程度。

圖2 涂層試樣外觀

3 檢測試驗與分析

3.1 檢測系統(tǒng)

試驗選用德國AT公司生產(chǎn)的IRNDT紅外熱成像檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由用于圖像采集的紅外熱像儀，用于產(chǎn)生激勵能量的鹵素燈，以及用于數(shù)據(jù)采集與分析處理的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。圖像采集系統(tǒng)為美國FLIR公司生產(chǎn)的SC7000紅外熱像儀，其主要性能指標為：分辨率為640像素×512像素；像素間距為15 μm；波段為2.5 mm5.0 μm。鹵素燈加載總功率為5 kW，通過加載時間與頻率進行調節(jié)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于實現(xiàn)熱激勵源的調控與觸發(fā)、紅外熱像儀的信號采集、試驗條件的設置、后續(xù)數(shù)據(jù)的處理以及紅外圖像的再現(xiàn)等。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集到的紅外信號進行處理，得到被測試樣的內部信息，達到實現(xiàn)缺陷檢測的目的。

試驗過程中，利用鹵素燈對涂層表面進行熱加載，利用熱像儀采集加載過程及降溫過程中試樣表面熱輻射量的變化，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集到的熱輻射量數(shù)據(jù)進行分析與計算，得到試樣表面各位置在加載前后的熱輻射量變化與差異，從而實現(xiàn)對涂層質量的檢測。

3.2 試驗過程

檢測對象為合金涂層試樣，長度為300 mm，為使檢測對象完全處于熱像儀的視野范圍，熱像儀的可視區(qū)域尺寸至少為300 mm×300 mm(長×寬)，同時盡量減少非必要背景環(huán)境占用熱像圖畫面，根據(jù)熱像儀鏡頭焦距，調整熱像儀與檢測對象間的距離，確定檢測距離為0.4 m。

試驗采用鹵素燈熱激勵方式進行熱加載，熱加載類型為長脈沖持續(xù)加載，根據(jù)待檢涂層的材料類型選擇加載能量與加載時間，利用紅外熱像儀對涂層表面進行熱輻射量的采集。由于涂層為金屬材料，厚度較薄，所以熱像儀采集頻率選擇高頻，具體檢測參數(shù)如表1所示。

表1 紅外熱像儀檢測參數(shù)

利用上述試驗參數(shù)對試樣進行激勵加載，根據(jù)熱像儀采集加載過程中與加載結束后試樣表面的溫度場變化過程，對采集到的數(shù)據(jù)序列進行處理，選擇能夠反映內部缺陷的熱像圖，并對圖像進行分析，得到內部缺陷顯示。

3.3 試驗結果

根據(jù)主動式紅外熱成像檢測原理進行分析，熱波在物體內部隨時間的延長進行熱傳導，在不同時刻被反射回物體表面，能夠被紅外熱像儀檢測到的熱輻射量也不同，由于分層缺陷內部是空氣隙，空氣的比熱容高于試樣基體(鋼)的，所以在紅外熱像圖中缺陷區(qū)域的溫度低于完好區(qū)域的，在紅外檢測結果中呈現(xiàn)黑色。另外，隨著時間的延長，檢測的深度也隨之變化，直到全部傳導到物體下表面。因此，可以通過檢測結果平面圖中各位置灰度的差異確定缺陷在長度、寬度方向上的位置，通過缺陷出現(xiàn)的時間來確定缺陷在厚度方向上的位置。選擇不同時刻的顯示圖像對缺陷進行分析，不同時刻的試樣紅外熱成像檢測結果如圖3所示。

圖3 不同時刻的試樣紅外熱成像檢測結果

從圖3可以看出，采用主動式紅外熱成像方法能夠準確檢測出試樣中的分層缺陷。缺陷不同時刻的顯示對比度存在一定差異，圖3(b)中缺陷區(qū)域左側與圖3(a)中相同位置相比,顏色變淺，說明內部分層程度存在一定差異，可以在缺陷區(qū)域不同位置選取標記點，通過分析標記點的熱擴散曲線對脫黏缺陷進行分析。

根據(jù)試樣的實際尺寸對檢測圖像進行尺寸標定,隨后對紅外檢測圖像中的缺陷區(qū)域進行測量,在試樣上部缺陷長度為58.5 mm。

在試樣不同位置選取4個標記點，由圖3(b)及3(c)可以看出，缺陷區(qū)域不同位置的灰度存在差異，說明缺陷位置或分層厚度存在差異，因此在缺陷區(qū)域中不同灰度位置選取兩個標記點，分別用綠色與藍色標記點表示。同樣，在完好區(qū)域選擇兩個標記點，用紅色與紫色標記點表示。通過分析缺陷區(qū)域不同灰度顯示位置標記點的熱輻射曲線差異，分析缺陷的嚴重程度。1.375 s時刻4個標記點熱輻射隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 1.375 s時刻4個標記點熱輻射隨時間的變化曲線

由圖4可以看出，施加熱加載能量時物體表面的熱輻射量最大(溫度最高)，隨著時間的延長，試樣表面缺陷區(qū)域與完好區(qū)域中4個標記點的熱輻射量均逐漸降低。在熱傳導過程中，由于熱波在有限深度反射回表面的熱輻射量(溫度)與完好區(qū)域反射回表面的熱輻射量存在差異，所以缺陷區(qū)域的熱輻射曲線逐漸偏離完好區(qū)域的熱輻射曲線。圖4中紅色與紫色兩個顏色標記點均位于完好區(qū)域，兩標記點的熱輻射隨時間的變化曲線基本重合，說明完好區(qū)域的熱擴散過程保持一致。綠色標記點的熱輻射隨時間的變化曲線偏離完好區(qū)域標記點的程度要明顯大于藍色標記點的偏離程度，說明綠色標記點區(qū)域的分層厚度大于藍色標記點區(qū)域的，這與解剖試驗結果相符。

3.4 驗證分析

試樣涂層表面邊緣處與基體已發(fā)生分離，結果如圖5所示，其中“1號”區(qū)域對應熱輻射隨時間變化曲線中的綠色標記點，“2號”區(qū)域對應該曲線藍色標記點，“3號”及“4號”區(qū)域分別對應該曲線紅色與紫色標記點。由圖5可以看出，邊緣處分層最嚴重，且持續(xù)向試樣內部延伸，分層厚度逐漸減小。經(jīng)過測量“1號”區(qū)域,分層厚度達到0.3 mm，“2號”區(qū)域分層厚度約為0.1 mm，與各標記點熱輻射隨時間變化曲線的顯示結果保持一致。

圖5 分層位置解剖結果

對目視可見的分層缺陷進行測量，試樣上沿分層缺陷長度為56 mm，與紅外檢測結果的誤差為4.5%。

4 結語

(1) 對檢測結果時間序列進行了分析，不同時刻所顯示的檢測結果不同，均能對內部缺陷進行顯示。因此，主動式紅外熱成像方法能夠實現(xiàn)對電弧噴涂涂層的有效檢測。

(2) 利用不同位置標記點的熱輻射隨時間的變化曲線對分層缺陷進行描述。對不同時刻的紅外檢測圖像進行比較，不同時刻缺陷區(qū)域檢測結果灰度圖顯示不同，能夠體現(xiàn)內部分層缺陷的嚴重程度存在差異。