分享：渦輪葉片熱障涂層厚度的掃頻渦流測(cè)量方法

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，渦輪前進(jìn)氣溫度也越來(lái)越高，渦輪葉片等熱部件面臨高溫、高速、高腐蝕以及高應(yīng)力的嚴(yán)峻考驗(yàn)[1-2]。為了保證渦輪葉片等關(guān)鍵熱部件能在惡劣環(huán)境中正常工作，需要在渦輪葉片等熱部件的表面涂覆耐高溫、抗腐蝕以及抗熱氧化等性能的防護(hù)熱障涂層，以提高工作溫度和效率，減少燃油消耗，延長(zhǎng)渦輪葉片等熱端部件使用壽命，保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠工作。 

1.   檢測(cè)原理

熱障涂層具有導(dǎo)熱系數(shù)小、氣孔率低及熔點(diǎn)高的特性，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件高溫防護(hù)的重要手段[3]。 

熱障涂層結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其主要由表面的陶瓷層以及與高溫合金基體相連的黏結(jié)層構(gòu)成。黏結(jié)層位于陶瓷層和基體之間，用于改善陶瓷層和基體的物理相容性，提高基體的抗氧化性；陶瓷層位于基體最表層，主要起到防護(hù)隔熱作用。在高溫高壓的工作環(huán)境下，陶瓷層和黏結(jié)層之間還會(huì)產(chǎn)生熱生長(zhǎng)氧化層。 

圖  1  熱障涂層結(jié)構(gòu)組成示意

基于掃頻渦流技術(shù)的渦輪葉片熱障涂層厚度測(cè)量原理為：將通有交變電流的線圈接近渦輪葉片，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，渦輪葉片表面會(huì)感生出渦流，從而導(dǎo)致線圈中的電流發(fā)生改變，線圈中電流的大小與渦輪葉片熱障涂層的厚度、電導(dǎo)率等自身參數(shù)相關(guān)。并且，掃頻渦流技術(shù)基于渦流的趨膚效應(yīng)，選用頻率隨時(shí)間變化的連續(xù)電流為激勵(lì)電流，通過(guò)連續(xù)變化的激勵(lì)頻率檢測(cè)不同厚度的多層涂層，在各個(gè)掃頻頻率上分別檢波得到信號(hào)并在同一阻抗平面上顯示輸出，利用阻抗信號(hào)圖的差異性進(jìn)行甄別。其中，高的激勵(lì)頻率檢測(cè)渦輪葉片表面的薄涂層，低的激勵(lì)頻率檢測(cè)近表面的涂層。當(dāng)渦輪葉片的磁感應(yīng)響應(yīng)頻率與激勵(lì)信號(hào)的頻率相符時(shí)，渦流檢測(cè)傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將出現(xiàn)拐點(diǎn)，其幅值變化比其他頻率響應(yīng)信號(hào)的幅值變化更大，據(jù)此檢測(cè)到多層結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率細(xì)微變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)，然后通過(guò)“數(shù)據(jù)挖掘”功能，實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)件的厚度測(cè)量。 

2.   檢測(cè)設(shè)備

用于渦輪葉片熱障涂層厚度測(cè)量的掃頻渦流儀結(jié)構(gòu)主要包括掃頻激勵(lì)發(fā)生模塊、掃頻信號(hào)分離模塊、放大濾波模塊以及信號(hào)采集模塊。所采用的掃頻渦流儀需要具有很寬的測(cè)試頻率，確保在檢測(cè)過(guò)程中的激勵(lì)頻率是寬頻且連續(xù)變化的，即在硬件上具有足夠高的靈敏度且相對(duì)平坦的寬帶頻率特性。 

在信號(hào)處理方面該儀器增加了“渦流數(shù)據(jù)挖掘”功能。由于渦輪葉片熱障涂層厚度測(cè)量傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)很微弱，同時(shí)包含多個(gè)頻率成分以及各種噪聲，因此需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的頻率分離以得到各個(gè)單頻檢測(cè)信號(hào)，再對(duì)單頻信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，以濾除其噪聲成分，提取有效信號(hào)，同時(shí)使其信號(hào)的幅值與數(shù)據(jù)采集卡的量程相匹配，便于后續(xù)得到更精確的采集處理數(shù)據(jù)。在顯示模式上，對(duì)于不同頻率的激勵(lì)，缺陷的響應(yīng)信號(hào)都可以在同一屏幕上得到反映，并能直接數(shù)字顯示涂層的各層厚度。 

此次試驗(yàn)選用EEC-2030掃頻渦流檢測(cè)儀，該款儀器檢測(cè)頻率為64 Hz~30 MHz，具有多頻、掃頻、混頻、異或、疊加等多種數(shù)據(jù)融合處理功能，且具備正交檢波能力，檢測(cè)精度可到微米級(jí)別，能滿足渦輪葉片多層涂層厚度的測(cè)量要求。 

3.   檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭的靈敏度對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度有著決定性的影響，而探頭的結(jié)構(gòu)尺寸又影響探頭的靈敏度。檢測(cè)探頭由激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成，為了滿足熱障涂層厚度高頻檢測(cè)的要求，必須控制線圈匝數(shù)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)探頭小型化。檢測(cè)探頭采用傳統(tǒng)的圓柱形線圈結(jié)構(gòu)；同時(shí)，建立圓柱形檢測(cè)線圈正弦激勵(lì)下的高頻渦流解析模型，用于信號(hào)反演的求解、信號(hào)的仿真、激勵(lì)頻率的選取等。 

檢測(cè)探頭線圈的匝數(shù)、高度、線徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化會(huì)對(duì)測(cè)厚信號(hào)產(chǎn)生影響，分別對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化研究，確定陶瓷層測(cè)厚線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)。通常黏結(jié)層和基體電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)為定常量，對(duì)不同范圍內(nèi)的陶瓷層厚度進(jìn)行參數(shù)化掃描，分別研究上述參數(shù)變化對(duì)品質(zhì)因數(shù)、陶瓷層厚度、黏結(jié)層厚度信號(hào)的影響，確定檢測(cè)探頭選用漆包線線徑及線圈外徑、內(nèi)徑、高度、匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。檢測(cè)探頭采用了彈壓式結(jié)構(gòu)，保證傳感器盡可能地與被檢曲面緊貼，避免探頭提離間隙，線圈纏繞于鋅錳鐵氧體磁芯上，線圈外設(shè)置鐵磁性屏蔽套，使磁場(chǎng)聚集并屏蔽磁場(chǎng)向外擴(kuò)散，有助于提高多層涂層測(cè)量的精度和檢測(cè)的靈敏度。探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

圖  2  探頭結(jié)構(gòu)示意

4.   對(duì)比試件

對(duì)比試件的噴涂材料和多層涂層結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照真實(shí)涂層要求來(lái)制作，試件基體材料為高溫合金GH1140，黏結(jié)層材料為NiCrAlY，采用等離子噴涂技術(shù)制備，表面涂層為ZrO2材料的陶瓷層，試件陶瓷層不導(dǎo)電，基體、黏結(jié)層導(dǎo)電。模擬制作6種不同涂層厚度對(duì)比試件，涂層厚度為0~120 μm，通過(guò)電火花線切割對(duì)比試件，采用掃描電鏡來(lái)測(cè)量對(duì)比試件斷面涂層的實(shí)際厚度，從而標(biāo)定對(duì)比試件涂層的厚度。6種對(duì)比試件涂層厚度分別為0>40，60，80,10,120 μm，其實(shí)物如圖3所示。 

圖  3  對(duì)比試件實(shí)物

5.   熱障涂層厚度測(cè)量試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)一。分別對(duì)厚度為0~120 μm的6種不同厚度涂層對(duì)比試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從圖4可知，當(dāng)激勵(lì)頻率在10 MHz以下時(shí)，不同厚度涂層檢測(cè)信號(hào)的幅值沒(méi)有明顯差異，隨著激勵(lì)頻率逐步提高，檢測(cè)信號(hào)的幅值差異逐漸加大。 

圖  4  涂層厚度為0，40，60，80，100，120 μm的試件測(cè)厚結(jié)果

（2）試驗(yàn)二。分別對(duì)6種不同厚度涂層對(duì)比試件進(jìn)行厚度測(cè)量試驗(yàn)。首先，根據(jù)已知涂層厚度的試塊調(diào)整儀器的頻率范圍、掃頻點(diǎn)數(shù)、濾波、相位和靈敏度等參數(shù)，建立涂層厚度的標(biāo)定曲線。對(duì)于多層涂層厚度測(cè)量，制作每一層（包括黏結(jié)層和陶瓷層）涂層厚度的標(biāo)定曲線。其次，根據(jù)待測(cè)對(duì)比試件的涂層面積、曲率及檢測(cè)精度要求，規(guī)劃布置檢測(cè)點(diǎn)。接著，對(duì)規(guī)劃的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)掃查檢測(cè)，并保存每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的掃頻渦流信號(hào)數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)涂層厚度的標(biāo)定曲線和每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的掃頻渦流檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的涂層厚度值。儀器厚度測(cè)量數(shù)據(jù)與對(duì)比試件標(biāo)定值的比較如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可知，陶瓷層測(cè)量值與陶瓷層標(biāo)定值數(shù)值接近，最大偏差僅為12.1%；黏結(jié)層測(cè)量值與黏結(jié)層標(biāo)定值數(shù)值相差較大，最大偏差為28.6%。涂層厚度偏差的主要原因有以下兩點(diǎn)：①涂層制備過(guò)程造成涂層自身厚度制備不均勻，離散性大，試件金相分析涂層標(biāo)定值（截面）與檢測(cè)部位涂層實(shí)際厚度值存在偏離；②黏結(jié)層測(cè)量值誤差偏大，可能是黏結(jié)層是導(dǎo)電材料，位于對(duì)比試件的近表面，檢測(cè)頻率低，而陶瓷層是非導(dǎo)電材料，位于對(duì)比試件的外表面，檢測(cè)頻率高，檢測(cè)精度更高。 

6.   結(jié)論

提出一種熱障涂層厚度的掃頻渦流技術(shù)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片熱障涂層厚度的高效精確測(cè)量。具體結(jié)論如下。 

（1）在超高頻掃頻模式下，掃頻渦流技術(shù)不僅能夠測(cè)量熱障涂層的整體厚度，還能區(qū)分并測(cè)量陶瓷層厚度和黏接層厚度，測(cè)量精度更高。 

（2）熱障涂層外表面的陶瓷層厚度測(cè)量準(zhǔn)確度高，次表面的黏接層厚度測(cè)量偏差稍大，原因可能是黏接層為導(dǎo)電材料，位于對(duì)比試件內(nèi)部，而陶瓷層為非導(dǎo)電材料，位于對(duì)比試件表面，與渦流的電磁特性和趨膚效應(yīng)有關(guān)。 

（3）專(zhuān)業(yè)化的儀器硬件設(shè)計(jì)及信號(hào)處理算法，能夠提高激勵(lì)頻率，降低檢測(cè)噪聲；通過(guò)建立基于阻抗平面信號(hào)的“數(shù)據(jù)挖掘”模型，能夠減小涂層厚度測(cè)量誤差，滿足工程實(shí)際檢測(cè)要求。

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