热障涂层界面缺陷的红外热成像无损检测与定量表征研究

• 作 者: 韦金凤
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 热障涂层 界面缺陷 长脉冲红外热成像技术 减拟合背景 定量表征

应用热障涂层技术可有效提高航空发动机高温部件的承温能力。热障涂层具有复杂的多层结构,且其服役环境极端恶劣,使得涂层在服役过程中极易产生裂纹、脱粘等界面缺陷,这些缺陷的进一步扩展将导致涂层发生剥落失效,严重威胁了热障涂层在涡轮叶片上的安全应用。因此,开展热障涂层内部缺陷尺寸与位置的定量表征研究,对于降低发动机的事故损失至关重要。长脉冲红外热成像技术(LPT)是一种安全可靠、经济、无接触的无损检测方法,可以高效表征材料内部缺陷的状态。本课题基于LPT技术对含预制盲孔缺陷和界面缺陷的大气等离子喷涂(APS)热障涂层试样进行检测,通过运用主成分分析法、减拟合背景等图像处理技术降低了红外热图中的噪声,去除了加热不均对红外热图中缺陷识别的影响,建立了含界面缺陷热障涂层的一维热传导模型,通过对比不同尺寸缺陷处温度分布解析解与实验测得的温度分布结果,得到了模型尺寸参数与缺陷实际尺寸间的定量关系,实现了通过红外热图中缺陷处的温度分布对界面缺陷横向尺寸进行定量表征。主要研究内容如下:(1)采用APS方法在合金基底表面制备热障涂层,通过电火花加工方法在基底底面预制不同直径的圆柱形盲孔缺陷。开展了热障涂层盲孔缺陷的红外无损检测研究,提出了一种降低图像噪声的减背景红外图像处理方法,通过对涂层表面缺陷位置处的温度数据进行高斯函数拟合,得到了拟合参数和缺陷直径间的定量关系,实现了直径低至4 mm热障涂层盲孔缺陷的定量表征。(2)采用电火花加工方法在合金基底表面预制不同尺寸的圆柱形凹坑,以黄铜填平凹坑,完成界面缺陷的预制,在其表面沉积APS热障涂层。开展了热障涂层界面缺陷的红外无损检测研究,通过主成分分析法从红外序列图中提取了包含大部分温度信息的图像,并对提取的红外图像进行减拟合背景的图像算法处理,消除了激励源加热不均对红外热图中缺陷识别的影响。分析发现,当缺陷尺寸大于6 mm,缺陷处温度曲线呈带平台特征,平台宽度随缺陷尺寸减小而减小,当缺陷尺寸小于6 mm时,平台消失,缺陷处温度曲线呈拱形。(3)构建了含界面缺陷热障涂层试样的一维热传导模型,通过对比含不同尺寸缺陷热障涂层的温度分布解析解与实验测得的温度分布结果,得到了模型的尺寸参数与缺陷尺寸间的定量关系。再将模型解析解与未知尺寸缺陷的温度数据进行拟合对比,确定此缺陷在模型中的尺寸参数,结合模型尺寸参数与缺陷尺寸间的定量关系,实现了直径低至2 mm热障涂层界面缺陷的定量表征。