{首页主词},&

實用新技術“深挖”航空發動機涂層內部各種隱藏缺陷

2018-09-06 12:46:03 作者：江海軍來源：無損檢測NDT 無損檢測NDT 微信號 wusunjianceNDT 功能介紹《無損檢測》期刊官方微信，為無損檢測分享至：

涂層技術作為航空發動機的核心技術，發揮著隔熱、防護、抗磨、抗沖擊、減震等等不同的作用，從而提高了航空發動機的最高工作溫度，減少燃油消耗，降低與空氣的摩擦，延長航空發動機的使用壽命，保障航空發動機的安全可靠運行。

涂層厚度不均勻、黏接質量、厚度超標都將影響涂層的性能。在制作過程中，涂層和基體材料黏接不牢甚至脫黏；在使用過程中，涂層產生裂紋或者涂層與基體脫黏分離，都將嚴重影響航空發動機的運行安全，因此對涂層缺陷的檢測十分重要。

航空發動機涂層缺陷的檢測技術主要有紅外熱波無損檢測、激光散斑技術、微波技術等。

散斑技術的加載方式分為機械加載與熱源方式加載兩種，一般用于脫黏缺陷的檢測，不適合于涂層內部細微裂紋的檢測。

紅外熱波無損檢測技術是一種數字化新型無損檢測技術，具有非接觸、非破壞、檢測面積大、檢測速度快、便于在線在役檢測、結果直觀易懂等優點，受到越來越多研究人員的關注。

紅外熱波成像技術屬于主動紅外熱成像技術，與被動紅外熱成像的區別在于其是主動施加熱激勵。目前，國際上主流采用高功率閃光燈進行熱激勵，但是閃光燈電源體積龐大而且笨重，閃光燈熱均勻性差，只能近距離進行熱激勵。為此，南京諾威爾光電系統有限公司和中國南方航空工業有限公司的研究人員們采用激光掃描紅外熱波技術，利用線狀連續激光束在試件表面進行掃描，形成高功率密度的脈沖熱激勵，實現試件表面的熱激勵。

激光掃描熱波成像基本原理

紅外熱波無損檢測技術主動采用熱激勵源對材料表面進行加熱，形成的熱波向材料內部進行傳播，材料內部的缺陷如裂紋、脫黏、損傷等會形成熱阻而影響熱波的傳播，從而引起材料表面溫度場的變化。利用紅外熱像儀記錄材料表面的溫度變化，從而可以檢測到材料內部的缺陷信息。

紅外熱波無損檢測技術的必要條件是材料內部的溫度梯度，而脈沖熱激勵則是產生這種溫度梯度的有效方法。脈沖熱激勵主要包括閃光燈和激光。

近年來，半導體激光器的發展非常迅速，由于其功率高、價格低、體積小，在工業領域得到了廣泛的應用。半導體激光器功率可以達到很高，但半導體激光器的輸出一般是點光源，功率密度很高，容易損傷材料表面，不適合直接作為紅外熱波無損檢測技術的熱激勵源。為此，研究人員提出采用線型激光束掃描方式，其激光器功率很高，功率密度低，可在材料表面形成短周期的脈沖加熱，而不會損傷材料表面。

激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術示意

如上圖所示，高功率激光器的光束經透鏡整形，形成一均勻線型光斑照射在試件表面上，數據采集處理系統通過掃描控制裝置，根據試件的特性來調節振鏡和熱像儀的掃描時序關系，從而實現對試件內部缺陷的檢測。

激光掃描熱波成像檢測系統

激光掃描熱波無損檢測設備主要由計算機、掃描控制單元、測試平臺等部分組成。測試平臺包括激光器及冷卻系統、掃描振鏡、熱像儀及光路系統等，其采用激光對試件表面進行掃描與采集紅外圖像。掃描控制單元用于控制熱像儀和激光掃描振鏡之間的同步。計算機系統用于硬件控制、系統監測、圖像分析與處理等。

激光掃描紅外熱波無損檢測設備外觀激光掃描熱波無損檢測系統中的關鍵技術在于激光掃描與采集之間的同步關系，確保激光一進入到紅外熱像儀視場就開始同步采集，對于后續圖像處理是非常有好處的。激光掃描的快慢根據試件導熱率決定，一般掃描速度在6~30mm/s之間。

檢測效果驗證

通常工件表面的涂層越厚，其溫度梯度就越大，可以有效保護基體；涂層越薄，溫度梯度越小，隔熱效果越差。但隨著涂層厚度的增加，涂層和基體界面的彈性應變能也會增加，從而導致界面裂紋擴展或者涂層與基體黏接。為此，研究人員制作了不同厚度的涂層試件，進行了兩組試驗。

人工試件

在一塊尺寸（長×寬×厚，mm）為70×30×2的不銹鋼板上制作了厚度約為0.5mm的特殊涂層，其中包括了一些人工缺陷。在制作涂層時，試件表面僅噴涂了2/3區域。

涂層試件1外觀

檢測時，熱波圖像的采集幀頻為50Hz，采集時間為10s，激光掃描時間為6s。

試件1的熱波檢測結果

在檢測圖像中可以明顯看到一個點狀缺陷和一塊狀缺陷。塊狀缺陷為人為制作而成，制作時對該區域的表面進行了特別的處理，而亮點（點狀缺陷）則是噴涂過程中產生的氣孔。其點狀缺陷水平方向長度約為0.8mm，塊狀缺陷水平方向長度約為26.8mm。右邊近1/3的黑色代表無涂層區，此處激光吸收小，溫升低。

試件1的金相檢測結果

為了驗證上述檢測結果的準確性，對該涂層試件進行了金相分析。當涂層經打磨后，可以清晰地看到塊狀及氣孔缺陷的存在。

試件1影像部位涂層與基體的結合情況由金相剖面檢測結果可看到點狀影像部位無底層形貌，點狀長度為0.75mm，且該部位面層涂層與基體存在分離現象；塊狀影像部位整個截面層涂層與基體之間均未見底層形貌，且該部位面層涂層與基體之間存在不連續的分離現象，塊狀影像部位水平方向長度約為26mm。

激光掃描熱波無損檢測技術采用激光掃描對試件進行熱激勵，產生的熱波向試件內部傳播，然后用紅外熱像儀采集試件表面熱波信號。熱波在試件內部傳播時，由于三維熱擴散作用，會逐漸發生衰減且擴散，從而使得缺陷尺寸測量結果偏大，偏差誤差在2%~5%之間。所以，從金相檢測的驗證結果來看，激光掃描熱波無損檢測技術能對涂層缺陷進行可靠檢測。

真實試件

某航空發動機的真實部件為一直徑約150mm，寬度約30mm的環形金屬件，基體為合金鋼，外表面的涂層厚度為1mm。為了進行對比，分別制作了含分層缺陷和無缺陷的兩個試件，外表看起來沒有任何區別。