基于超聲特征成像技術(shù)的鋁硅熱障涂層脫粘缺陷檢測

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(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063；2.南京裕揚工程檢測有限公司，南京 210047)

基于超聲特征成像技術(shù)的鋁硅熱障涂層脫粘缺陷檢測

劉勛豐1，李楊楊1，黃勇2

(1.南昌航空大學無損檢測教育部重點實驗室，南昌330063；2.南京裕揚工程檢測有限公司，南京210047)

基于超聲特征掃描成像檢測技術(shù)，提取鋁硅熱障涂層與基體粘接面的超聲反射波參數(shù)，利用相位特征和幅值特征來判斷缺陷，判斷熱障涂層與基體結(jié)合面是否脫粘。試驗樣品的涂層厚度為0.5 mm，基體厚度為1.5 mm。通過人工方法在粘接面處制作人工脫粘缺陷。成像結(jié)果表明：結(jié)合面脫粘處的回波與正常位置的回波相比，不僅回波幅值增大，相位也發(fā)生明顯變化；通過相位特征和幅值特征能夠準確判斷出缺陷并進行成像。最后，通過金相試驗驗證了超聲特征成像技術(shù)檢測熱障涂層粘接的準確性與直觀性。

熱障涂層；超聲特征掃描成像；脫粘缺陷

美國NASA研究中心為了提高燃氣渦輪葉片、火箭發(fā)動機的抗高溫和耐腐蝕性能，提出了熱障涂層概念[1]。熱障涂層(Thermal Barrier Coatings,簡稱TBCs)在結(jié)構(gòu)材料和功能材料領域具有較大的發(fā)展?jié)摿2-6]。通過將熱障涂層沉積在高溫合金基體表面，對高溫合金材料起到隔絕空氣、散熱與隔溫的作用，保證渦輪葉片在高溫狀態(tài)下正常工作。熱障涂層技術(shù)已經(jīng)成為先進航空發(fā)動機研制中的一項關鍵技術(shù)[7-8]。目前國內(nèi)外針對熱障涂層的各種問題做了大量研究[9-10]，提出了不同的檢測方法[11-13]。楊麗和周益春利用聲發(fā)射實時檢測方法對金屬涂層損傷及其失效過程進行了研究。北京工業(yè)大學的楊月娥采用電磁波理論和數(shù)值模擬的方法，通過優(yōu)化檢測參數(shù)進行了試驗，提出了一種高頻、寬帶、高分辨率的微波無損檢測方法，并利用該方法對渦輪發(fā)動機葉片表面YSZ涂層中陶瓷頂層的厚度、孔隙率等結(jié)構(gòu)特性，粘結(jié)層表面的裂縫、陶瓷層與粘結(jié)層間的脫粘等健康狀況參數(shù)，以及陶瓷層和粘結(jié)層之間的熱生長氧化層進行了檢測和評價。哈爾濱工程大學的馮馳通過主動控制激勵熱源來對渦輪葉片進行加熱，然后利用紅外熱像儀攝取具有熱障涂層脫落情況葉片的紅外圖像，并使用偽彩色增強技術(shù)和邊緣檢測技術(shù)增強對紅外圖像中熱障涂層缺陷的分辨能力。

由于長期工作在高溫、高壓環(huán)境下，熱障涂層極易出現(xiàn)厚度減薄、粘接不良或脫落等缺陷，而嚴重地影響發(fā)動機的穩(wěn)定性與安全性。熱障涂層由于制備工藝的欠缺，組織結(jié)構(gòu)不均，不同位置的衰減性不同等原因，會影響到缺陷的判斷。筆者提出應用超聲特征成像檢測技術(shù)，提取鋁硅熱障涂層與基體結(jié)合處的超聲波幅值參數(shù)和相位參量來判斷脫粘缺陷。

1 涂層/基體界面超聲波反射與透射特性

超聲波以某一個角度入射到工件表面后，會產(chǎn)生兩個不同的波，反射波和透射波。

聲波在介質(zhì)1,2處，垂直入射條件下的聲壓反射率r12和聲壓透射率t12，可用下式表示。

式中：Z1,Z2為介質(zhì)1,2的聲阻抗。

當超聲波垂直入射到涂層/基體粘接面時，在粘接良好處，Z2為合金基體的聲阻抗，Z1為鋁硅涂層的聲阻抗，且Z2>Z1，r>0，反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0同相位。在脫粘缺陷處，Z2為空氣的聲阻抗(水浸檢測時水的聲阻抗)，Z1為涂層的聲阻抗；Z2

綜上所述，超聲波垂直入射涂層表面時，結(jié)合面粘接良好位置與脫粘缺陷的反射回波相位相反。而且，當Z1?Z2時(涂層/空氣)聲壓反射率趨近于1，透射率幾乎為0，即聲壓全反射，缺陷位置的波幅比粘接良好處幅值高很多。

2 成像技術(shù)與缺陷檢測原理

超聲特征掃描(Feature Scan)成像技術(shù)主要用于材料的檢測與評價[14]。超聲特征掃描成像技術(shù)的特征包含兩個方面：一方面是超聲波波形特征,主要有波形上升時間、下降時間、脈沖周期和頻譜特性等;另一方面是缺陷的特征,主要有缺陷的類型、形狀和大小等[15-19]。F掃描的特點是檢測結(jié)果定量化,檢測信息、檢測結(jié)果具有可識別性。其在進行實際檢測后，通過上位機軟件對采集的超聲信號進行頻譜分析和數(shù)字濾波;通過調(diào)整信號閘門對采集的超聲波信息進行特征量的提取和重構(gòu)，最終得出實際需要的特征圖像，然后保存在計算機中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查看與再處理。

2.1試樣制作

所用3塊試樣由在高溫合金基體上采用等離子噴涂方法噴涂鋁硅熱障涂層制作而成。試樣厚度為2 mm，其中基體厚度為1.5 mm，熱障涂層厚度為0.5 mm。其中，試樣1粘接良好；試樣2人工制造凸起脫粘缺陷；試樣3人工制造鋁硅熱障涂層與基體脫粘缺陷。試樣結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意

涂層產(chǎn)生脫粘缺陷的主要因素有兩個：① 制備工藝的欠缺，導致涂層在沉積到基體表面時沉積不充分，涂層與基體沒有良好的接觸，致使粘接面處的涂層出現(xiàn)小面積的凸起，從而引起局部凸起脫粘。② 基體在由高溫冷卻至低溫時出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，發(fā)生形貌變化，使得涂層與基體脫層。這種脫粘情況下，粘接面的涂層平滑沒有凸起。

圖2 不同頻率探頭檢測試樣1涂層/基體面得到的波形圖

2.2探頭的頻率選擇

當超聲波的波長與介質(zhì)的厚度相差不大時，介質(zhì)的衰減與超聲波的探頭頻率平方成正比，不同頻率探頭檢測試樣1涂層/基體面得到的波形如圖2所示。相同的檢測條件下，在沒有其他因素的干擾下，探頭的頻率越大，涂層/基體面的反射波越小。但是當頻率小于10 MHz時，超聲波波長過長，反而使得界面波與涂層/基體面的反射波混合在一起，無法檢測。

同時由于涂層的顆粒尺寸變化范圍較大，微裂紋、孔隙率較大，探頭在10 MHz以上，存在小缺陷時，容易出現(xiàn)漏檢。 因此，綜合考慮，選用10 MHz超聲波探頭檢測涂層/基體面脫粘缺陷最為合理。

2.3F特征掃描成像檢測

圖3 試樣1的涂層/基體粘接面處的回波幅值成像

由于熱障的組織結(jié)構(gòu)不均，顆粒度比較大且存在空隙和微裂紋，造成涂層不同區(qū)域的衰減性不同，而使得超聲波回波幅值存在較大的差異。為了觀察涂層的衰減差異對檢測的影響，對粘接良好的試樣1采用超聲波從涂層側(cè)入射檢測，增大增益提高粘接面回波幅值。設置檢測步距為0.5 mm，探頭為10 MHz聚焦探頭。檢測時，為了保證粘接面有較高的反射波，探頭焦點聚在涂層/基體粘接面處。圖3為試樣1的粘接面處的回波幅值特征圖像。圖中用4種顏色表示不同的幅值范圍：藍色為底波幅值30～50(歸一化幅值，下同)；綠色為底波幅值50～70；黃色為底波幅值70～90；紅色為底波幅值大于90。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在不同的區(qū)域內(nèi)，涂層面反射回來的底波幅值不同，最高區(qū)域內(nèi)的幅值高于90，較低區(qū)域內(nèi)的幅值在30左右。分別對紅色區(qū)域和藍色區(qū)域內(nèi)的A掃波形圖(見圖4)進行觀察，可看到，紅色區(qū)域的底波幅值高度96，藍色區(qū)域某點位置的底波幅值高度為46，相差50，即涂層不同位置的衰減對回波幅值的影響不同。故，無法僅僅通過閘門框住粘接面回波幅值特征來判斷涂層/基體結(jié)合面是否存在脫粘缺陷。

圖4 紅色、藍色區(qū)域(圖3中)A掃波形圖

圖5 試樣2,3的缺陷波幅值成像

由理論計算得出在涂層/基體結(jié)合面處，粘接良好區(qū)域和脫粘區(qū)域的反射回波的相位會發(fā)生變化，因此通過涂層/基體回波峰值相位對比可以判斷出是否發(fā)生脫粘。如圖5所示，超聲波從涂層面一側(cè)入射，選用10 MHz水浸聚焦探頭對試樣2,3進行檢測。移動閘門，框住相位變化的回波峰值得到的特征圖像，圖6,7分別是試樣2,3的脫粘缺陷和粘接良好區(qū)域的時域波形圖。

由圖6和圖7的波形圖可看出，在脫粘區(qū)域的回波峰值與粘接良好區(qū)域的回波峰值的相位發(fā)生了明顯變化，且回波幅值明顯升高。圖6的波峰相位發(fā)生前移，這是由于涂層噴涂時造成組織結(jié)構(gòu)在粘接面處凸起，使得涂層的厚度發(fā)生變化而引起的；圖7缺陷波的波峰位置處于正常波的波谷位置，這是由于基體熱障冷縮，使得涂層與基體整片脫層造成的。

圖6 試樣2波形圖

圖7 試樣3波形圖

3 金相法試驗驗證

3.1金相試樣的制備

為了使材料具備金相試驗觀察要求，需要對材料進行切割、鑲嵌、磨光、拋光等操作。切割是指在原工件上切下滿足觀察需求的樣本，通過磨光打磨后進行拋光。其中磨光又分為粗磨和細磨，一般粗磨后再細磨，以減少磨痕對觀察的影響。涂層試樣為形面規(guī)則的試樣，鑲嵌這個步驟可以省略，故金相試樣分為切割、磨光和拋光三個步驟。根據(jù)特征成像檢測出的結(jié)果，對試樣2和試樣3紅色區(qū)域分別進行切割、磨光、拋光。

3.2金相顯微鏡觀察

試驗采用金相顯微鏡，對制備好的金相顯微試樣進行觀察。圖8為2號試樣和3號試樣的金相顯微圖，放大倍數(shù)均為10倍。由金相圖可以看到，涂層凸起引起的脫粘缺陷和涂層與基體脫層的脫粘缺陷。這與分析結(jié)果一致。

圖8 試樣2,3的金相檢驗圖

4 結(jié)論

分析了涂層脫粘原因，通過計算討論了超聲波在涂層/基體結(jié)合面處的反射和透射特性。研究涂層衰減性對涂層脫粘缺陷判斷的影響，提出采用相位特征和幅值特征相結(jié)合來判斷脫粘缺陷的方法，并將特征成像結(jié)果與金相分析結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，該方法可以準確地找出涂層脫粘缺陷。

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TestingforDebondingDefectsofThermalBarrierCoatingsBasedonUltrasonicFeatureScanImaging

LIUXunfeng1,LIYangyang1,HUANGYong2

(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.NanjingYuyangEngineeringTestCo.,Ltd.,Nanjing210047,China)

Based on the ultrasonic feature scan imaging and on the feature parameters of ultrasonic reflection echoes from the adhered surface of Al Si thermal barrier coating and the substrate bonding, the debonding defect of thermal barrier coating and the substrate surface can be determined by using the phase characteristics and amplitude characteristics. Samples with coating thickness of 0.5 mm and substrate thickness of 1.5 mm were under testing. The results show that the amplitude of the echo is increased and the phase is also changed obviously. The phase and amplitude characteristics can accurately determine the defects and can also be used for imaging. At last, the accuracy and the sensitivity of the ultrasonic imaging technology to detect the thermal barrier coatings are verified by metallographic experiments.

thermal barrier coating; ultrasonic feature scan imaging；debonding defect

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0049-05

2017-02-27

劉勛豐(1958-),男，本科，高級工程師，主要研究方向為超聲檢測

李楊楊，280121766@qq.com

10.11973/wsjc201710011