渦輪葉片采用定向凝固合金和單晶合金材料，服役溫度只能達(dá)到1000℃，不能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度需要。人們發(fā)展了熱障涂層（TBC）以保護(hù)金屬基底，涂覆TBC的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片能在1600℃的高溫下運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)60%以上的熱效率，有效地增加推重比，這使得涂層結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用在核反應(yīng)堆、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等許多領(lǐng)域。

涂覆TBC的渦輪葉片通常由基底、中間過渡層以及陶瓷層組成。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和苛刻的極端高溫工作環(huán)境使得TBC在使用過程中出現(xiàn)脫粘缺陷引起的失效問題。因此，對(duì)TBC試件進(jìn)行早期無損檢測具有重大意義。

二、實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)Grzegorz采用盲孔缺陷代替脫粘缺陷進(jìn)行分析的方法，在對(duì)TBC脫粘缺陷的檢測實(shí)驗(yàn)中，通常在TBC試件的金屬基底上制作盲孔缺陷來模擬真實(shí)的脫粘缺陷。

本文的線激光掃描熱成像方法分為粗掃描階段和細(xì)掃描階段。

在粗掃描階段的檢測原理中，LLFST系統(tǒng)能夠在TBC試件表面匯聚出激光點(diǎn)，控制激光點(diǎn)以直線方向高速移動(dòng)。當(dāng)掃描速度足夠快且做線狀移動(dòng)時(shí)，激光點(diǎn)可以看作是線激光。當(dāng)該線激光以垂直于移動(dòng)方向掃描時(shí)，即構(gòu)成線激光粗掃描階段的熱激勵(lì)，粗掃描過程如圖1所示。

圖1 線激光掃描熱成像原理圖

當(dāng)線狀激光快速掃描過TBC試件表面時(shí)，對(duì)掃描到的試件表面進(jìn)行了快速線熱源加熱，掃描過后，線激光后部區(qū)域開始散熱。TBC試件的厚度相對(duì)于長度和寬度要小的多，忽略熱流的橫向擴(kuò)散，忽略陶瓷層、粘接層（共400μm）和空氣的對(duì)流換熱，這一過程可簡化為在脈沖熱流和絕熱邊界條件下的一維熱傳導(dǎo)過程。在構(gòu)件表面處的經(jīng)典熱傳導(dǎo)方程解為：

Q為表面輸入的熱流，ρ為密度，c為比熱，α為熱擴(kuò)散率，L為構(gòu)件的厚度。

由Eq.1可以看出，試件表面的溫度響應(yīng)與試件厚度L有關(guān)。當(dāng)脈沖線熱源激勵(lì)在薄板上時(shí)，由于盲孔缺陷處的L值減小，盲孔缺陷處表面溫度的幅值會(huì)增大，且根據(jù)matlab模擬得出結(jié)論，溫度的衰減也會(huì)慢于正常區(qū)域。

進(jìn)行Abaqus模擬后，得出結(jié)論：當(dāng)線熱源掃描至缺陷位置時(shí)，在缺陷處溫度突然升高，高于無缺陷處的位置；當(dāng)線熱源掃描過缺陷后，在缺陷處的熱圖像上發(fā)生明顯高溫處的溫度拖拽現(xiàn)象。

針對(duì)在粗掃檢測階段發(fā)現(xiàn)的排除噪音后溫度增高疑似缺陷的微區(qū)域，在細(xì)掃描階段的檢測原理中，在該微區(qū)域內(nèi)進(jìn)行提高功率的快速細(xì)掃描，將快速掃描的線激光近似看作為面激光脈沖加熱。

使用紅外熱像儀采集粗掃描階段和細(xì)掃描階段的紅外熱圖像。

粗掃檢測階段掃描速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)在全場范圍內(nèi)檢測出較大面積缺陷，對(duì)粗掃檢測階段發(fā)現(xiàn)的疑似缺陷位置微區(qū)域內(nèi)開展的細(xì)掃檢測階段分辨率高，對(duì)較小的缺陷有更好的分辨能力。兩種檢測階段相結(jié)合可以提高整體缺陷檢測的檢測效率和檢測靈敏度，緩解檢測效率和檢測靈敏度的矛盾。

三、后處理方法

由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)中存在噪音，并且噪音具有不確定性，僅通過紅外熱像儀拍攝的原始圖片不能夠清晰直觀地檢測出缺陷的位置及大小。為了得到更清晰直觀的溫度場圖像，我們發(fā)展了新的后處理方法來去除噪音。

對(duì)于粗掃描階段的熱圖像，本文提出了三種全新的后處理方法：構(gòu)造全場定向載波溫度場并減去方法、熱源附近加窗三時(shí)刻求振幅去噪方法和自適應(yīng)變權(quán)重濾波方法；通過三種方法的后處理，得到全場范圍內(nèi)去掉包括邊緣噪音在內(nèi)熱響應(yīng)后的缺陷響應(yīng)圖像。

對(duì)于細(xì)掃描階段的熱圖像對(duì)于面狀光源掃描后的溫度場，借鑒并優(yōu)化李艷紅等發(fā)展的紅外熱波脈沖相位法，對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)的紅外熱圖序列中所有像素點(diǎn)在時(shí)間序列上進(jìn)行離散傅里葉變換，即：

Eq.2中，T（k）為第k幀紅外熱圖像的溫度場，Δt為采樣間隔，n為離散后的頻率增量（n=1，2，...，N），Ren，Imn分別為變換后的復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。

在頻率n處的幅值A(chǔ)n和相位φn分別為:

求解出所有時(shí)刻溫度場圖像在給定頻率下的振幅場和相位場，再借鑒粗掃階段中構(gòu)造全場定向載波溫度場并減去的方法，對(duì)振幅場和相位場進(jìn)行后處理，得到疑似缺陷的微區(qū)域內(nèi)的缺陷響應(yīng)相位場和振幅場。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照三中提及的后處理方法對(duì)采集到的熱圖像進(jìn)行后處理，分別得到粗掃描的去除噪音的溫度熱響應(yīng)圖像及細(xì)掃描階段的去除噪音后的振幅場熱響應(yīng)圖像和相位場熱響應(yīng)圖像。結(jié)果圖如圖2所示。

圖2 粗掃描階段的檢測原理圖

五、結(jié)論

針對(duì)TBC產(chǎn)生的脫粘缺陷，本文發(fā)展了線激光快速掃描熱成像方法（Linear Laser Fast Scanning Thermo graphy，LLFS），利用激光打標(biāo)機(jī)和熱像儀搭建了簡便的TBC脫粘缺陷快速檢測系統(tǒng)。使用線激光掃描的方式對(duì)TBC試件進(jìn)行粗掃描和細(xì)掃描，對(duì)掃描到的圖像發(fā)展了全新的可視化熱圖像分析算法，如在粗掃階段發(fā)展的構(gòu)造定向載波溫度場降噪法、加窗三時(shí)刻振幅去噪法、自適應(yīng)變權(quán)重邊緣濾窗法等，以及在細(xì)掃階段的微區(qū)范圍內(nèi)求脈沖時(shí)間振幅與相位法等。文中開展了一系列模擬脫粘的TBC缺陷檢測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，在粗掃階段LLFST方法可以快速清晰的檢測出特征尺寸在2mm的模擬脫粘缺陷;而在細(xì)掃階段，可以高效率的檢測出特征尺寸為1mm的模擬脫粘缺陷。