热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置及方法与流程

本发明属于红外热波无损检测技术领域，具体涉及一种热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置及方法。

背景技术：

热障涂层(thermalbarriercoatings，简称tbcs)是目前最为先进的高温防护涂层之一，具有良好的隔热效果和抗氧化性能，被广泛应用于燃气轮机热通道部件(如透平叶片，燃烧室等)表面防护中。热障涂层一般为双层结构，由表层陶瓷层和里层金属粘结层组成，其中厚度是表征热障涂层质量的关键技术指标，它关系到涂层的使用寿命、结合强度、不均匀内应力和制造成本等的评估和计算。因此，厚度检测是热障涂层制造和使用过程中的关键技术环节，目前，热障涂层厚度检测多采用抽样破坏检验，破坏后部件无法继续使用，且检测数据较片面，不能有效反映所有部位的涂层厚度水平。

热障涂层厚度无损检测是指在不破坏部件的前提下，对涂层厚度进行精确检测的技术手段。无损检测主要有涡流法、超声波法和红外法等。涡流法原理为提离效应，受粘结层特性影响较大。超声波法是通过分析超声回波频域信号中两相邻谐振频率差来计算涂层厚度，由于谐振频率干扰因素较多，检测准确度难以保证，且步骤复杂，另外，上述两种方法均不适合非接触快速检测。

涂层厚度红外热波检测一般采用反射法涂层侧热激励，但由于热障涂层陶瓷层具有半透明性，采用可见光或激光激励时热吸收效果较差，涂层表面需喷涂水溶性黑漆，漆层厚度带来检测误差，同时在役部件涂层存在漆污染风险。另外涂层侧激励对于燃气轮机过渡段、火焰筒等内腔涂层，存在尺寸限制，难以实施。基体侧闪光灯透射法激励热障涂层厚度检测可克服上述反射法缺点，但当涂层基体合金为导热性差的高温合金、且厚度较大时，闪光灯能量密度较低，能量穿透时间较长，闪光灯透射法激励难以实施。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前热障涂层厚度检测方法存在的上述不足，提供了热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置及方法，其具有非接触、观测面积大、无需涂层表面处理、适用范围广、准确度高等优势。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置，包括信号发生器、功率放大器、脉冲激光器、红外热像仪和工控计算机；其中，

信号发生器的输出端通过功率放大器连接脉冲激光器的输入端，红外热像仪的输出端连接工控计算机的输入端，工作时，热障涂层部件设置在脉冲激光器的发射端和红外热像仪的接收端之间。

本发明进一步的改进在于，信号发生器能够输出频率为0.01μhz～500khz任意波形和频率为0.01μhz～15mhz的正弦波，通道数为1或者2，波形垂直分辨率为14位或者16位；

功率放大器，最大输出电压为400vp-p，最大输出电流为2ap-p，工作频率范围0～7khz，非线性失真度＜2％。

本发明进一步的改进在于，脉冲激光器，为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100w，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms～5s可调，波长1064nm。

本发明进一步的改进在于，红外热像仪，为非制冷型热像仪，图像大小为160×120像素，响应波段为8μm～14μm，采集帧频为8.5hz，热灵敏度为50mk。

热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测方法，该检测方法采用的装置包括信号发生器、功率放大器、脉冲激光器、红外热像仪和工控计算机，包括以下步骤：

(1)红外热像仪调校

(2)低功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，使脉冲激光器产生功率为p1、脉宽为t1的脉冲激光对热障涂层部件的基体侧进行热激励，同时，红外热像仪采集热障涂层部件的涂层侧表面温度-帧数数据，红外热像仪采集帧频为f，采集时间为t2，数据传输至工控计算机；

(3)高功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，增加脉冲激光器的功率，使其产生功率为p2，脉宽为t1的脉冲激光对热障涂层部件的基体侧进行热激励，同时，红外热像仪采集热障涂层部件的涂层侧表面温度-帧数数据，红外热像仪采集帧频为f，采集时间为t2，数据传输至工控计算机；

(4)数据处理

求相同帧数下高、低功率激光激励温度数据差值，绘制温度差值-帧数曲线，对温度差值-帧数曲线进行线性拟合，求得拟合直线的斜率k和截距值d，代入下式，求得热障涂层厚度值l：

式中，α为热障涂层热扩散率。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)具体包括如下步骤：

先确定视场，即根据检测要求确定一次成像面积大小；后对焦，即在检测工作距离放置对焦辅助参照物，调节对焦直至刻度清晰为止；最后进行红外热像仪非均匀性校正，即采用红外发射率高且均匀的材料覆盖红外热像仪视场，进行非均匀性校正。

本发明进一步的改进在于，信号发生器能够输出频率为0.01μhz～500khz任意波形和频率为0.01μhz～15mhz的正弦波，通道数为1或者2，波形垂直分辨率为14位或者16位；

功率放大器，最大输出电压为400vp-p，最大输出电流为2ap-p，工作频率范围0～7khz，非线性失真度＜2％。

本发明进一步的改进在于，脉冲激光器，为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100w，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms～5s可调，波长1064nm。

本发明进一步的改进在于，红外热像仪，为非制冷型热像仪，图像大小为160×120像素，响应波段为8μm～14μm，采集帧频为8.5hz，热灵敏度为50mk。

本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置，包括信号发生器，信号发生器的输出端通过功率放大器连接脉冲激光器的输入端，红外热像仪的输出端连接工控计算机的输入端，工作时，热障涂层部件设置在脉冲激光器的发射端和红外热像仪的接收端之间，使得本发明具有非接触的优点，克服了传统热障涂层厚度测量的涡流、超声检测装置需接触检测部件，对于特殊工况(如高温、远距离、在役运行等)部件热障涂层检测难以实施的缺点。

进一步，本发明中热障涂层激光透射法激励红外热波检测装置中信号发生器采用数字直接合成方式，分辨率为14位或16位，具有频带宽、分辨率高等优点。功率放大器为容性负载功率放大器，具有输出功率大，非线性失真度低的优点。

进一步，本发明中热障涂层激光透射法激励红外热波检测装置中脉冲激光器为半导体泵浦固体激光器，光光转换效率可高达40％以上，具有低功耗的优点；激光二级管的寿命达15000小时以上，具有性能可靠、寿命长的优点；由于其高的转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光光束质量。

进一步，本发明中热障涂层激光透射法激励红外热波检测装置中红外热像仪为非制冷型长波热像仪，开机即用，无需制冷器冷却使用，同时成本较低，轻巧方便，故障率低。激光功率和脉宽可调，可根据不同类型热障涂层设置选择最优的激光功率和脉宽。

本发明提供的热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测方法，该方法克服了传统涂层侧闪光灯激励红外热波热障涂层厚度检测方法的局限性，无需涂层表面刷漆处理，不存在漆层厚度误差和漆污染风险。对于燃机过渡段、火焰筒等部件的内腔涂层，不存在尺寸限制。该方法采用的脉冲激光具有能量密度高、非接触、方向性强等优点，可测试导热性差厚度大的合金基体热障涂层。此外，该方法为非接触式测量，可对特殊工况(如高温、远距离、在役运行等)部件热障涂层厚度进行检测，无需在涂层表面施加耦合剂，不存在涂层污染风险。该方法采用高低功率脉冲激光对热障涂层进行热激励，通过表面温差值推导出热障涂层厚度值。测量步骤简单易操作，且数据稳定性优于热障涂层厚度超声检测法。该方法热障涂层厚度测量精度高，相对误差≤10％，与传统热障涂层厚度涡流法、超声法的测量精度相当。

综上所述，热障涂层厚度红外热波检测一般采用反射法涂层侧热激励，但由于热障涂层陶瓷层具有半透明性，采用可见光或激光激励时热吸收效果较差，涂层表面需喷涂水溶性黑漆，漆层厚度带来检测误差，同时在役部件涂层存在漆污染风险。另外涂层侧激励对于燃机过渡段、火焰筒等内腔涂层，存在尺寸限制，难以实施。基体侧闪光灯透射法激励热障涂层厚度检测可克服上述反射法缺点，但当涂层基体合金为导热性差的高温合金、且厚度较大时，闪光灯能量密度较低，能量穿透时间较长，闪光灯透射法激励难以实施。热障涂层厚度涡流或超声法检测需接触部件，对于一些特殊工况(如高温、远距离、在役运行等)部件热障涂层厚度检测无法实施。同时超声法需在热障涂层表面施加耦合剂，存在涂层污染问题，且超声法需进行反射回波频谱分析，测量步骤复杂，且数据稳定性差。

附图说明

图1为热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置图。

图2为高、低功率脉冲激光激励后涂层侧温度差值-帧数曲线图，其中，斜率k＝0.059和截距值d＝2.872。

图3为高、低功率脉冲激光激励后涂层侧温度差值-帧数曲线图，其中，斜率k＝0.041和截距值d＝3.538。

图4为高、低功率脉冲激光激励后涂层侧温度差值-帧数曲线图，其中，斜率k＝0.015和截距值d＝4.296。

图5为部件热障涂层扫描电子显微镜图。

图6为部件热障涂层扫描电子显微镜图。

图7为部件热障涂层扫描电子显微镜图。

图中：1、信号发生器，2、功率放大器，3、脉冲激光器，4、红外热像仪，5、工控计算机，6、热障涂层部件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

参照附图1，本发明提供的热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置，包括信号发生器1，可输出频率为0.01μhz～500khz任意波形和频率为0.01μhz～15mhz的正弦波，通道数为2，波形垂直分辨率为16位；功率放大器2，最大输出电压为400vp-p，最大输出电流为2ap-p，工作频率范围0～7khz，非线性失真度＜1％；脉冲激光器3，为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100w，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms～5s可调，波长1064nm；红外热像仪4，为非制冷型热像仪，图像大小为160×120像素，响应波段为8μm～14μm，采集帧频为8.5hz，热灵敏度为50mk；工控计算机5，集成了热障涂层厚度算法；热障涂层部件6，为双层热障涂层结构，均采用大气等离子喷涂工艺制备，里层粘结层成分为ni-22cr-9al-37co-0.5y，设计厚度为150μm。表层陶瓷层成分为7-8wt％y203稳定zro2，设计厚度为150μm。基体合金为k438镍基等轴高温合金，厚度为15mm。工作状态时，脉冲激光器3放置于热障涂层部件6基体合金侧，且脉冲激光器3通过功率放大器2与信号发生器1输出端相连。红外热像仪4放置于热障涂层部件6涂层侧，且与工控计算机5的输入端相连。所述的测厚方法过程如下：

(1)红外热像仪调校

根据所检热障涂层部件的检测要求确定一次成像面积大小为80*80mm²。采用标准150mm刻度尺在检测工作距离为300mm处进行对焦，调节对焦直至刻度清晰为止。采用表面均匀喷涂哑光黑漆、厚度为3mm、长为150mm、宽为150mm的铝合金方板覆盖红外热像仪视场，进行红外热像仪非均匀性校正。

(2)低功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，使激光发生器产生功率为50w、脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(3)高功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，增加激光发生器功率，使其产生功率为90w，脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(4)数据处理

求相同帧数下高、低功率激光激励温度数据差值，绘制温度差值-帧数曲线，如图2所示。使用origin8.0软件进行温度差值-帧数曲线数据点线性拟合，拟合方程式为y＝a+bx，参数a为截距，b为斜率，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率k＝0.059和截距值d＝2.872，代入公式(1)，计算得热障涂层厚度值l＝168.24μm，式中，α为热障涂层热扩散率2.5×10^-9m²/s；f为红外热像仪采集帧频8.5hz。

实施例2

参照附图1，本发明提供的热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置，包括信号发生器1，可输出频率为0.01μhz～500khz任意波形和频率为0.01μhz～15mhz的正弦波，通道数为2，波形垂直分辨率为14位；功率放大器2，最大输出电压为400vp-p，最大输出电流为2ap-p，工作频率范围0～7khz，非线性失真度＜2％；脉冲激光器3，为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100w，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms～5s可调，波长1064nm；红外热像仪4，为非制冷型热像仪，图像大小为160×120像素，响应波段为8μm～14μm，采集帧频为8.5hz，热灵敏度为50mk；工控计算机5，集成了热障涂层厚度算法；热障涂层部件6，为双层热障涂层结构，均采用大气等离子喷涂制备，里层粘结层成分为ni-22cr-9al-37co-0.5y，设计厚度为150μm，表层陶瓷层成分为7-8wt％y203稳定zro2，设计厚度为200μm，基体合金为k438镍基等轴高温合金，厚度为15mm。工作状态时，脉冲激光器3放置于热障涂层部件6基体合金侧，且脉冲激光器3通过功率放大器2与信号发生器1输出端相连。红外热像仪4放置于热障涂层部件6涂层侧，且与工控计算机5的输入端相连。所述的测厚方法过程如下：

(1)红外热像仪调校

根据所检热障涂层部件的检测要求确定一次成像面积大小为80*80mm²。采用标准150mm刻度尺在检测工作距离为300mm处进行对焦，调节对焦直至刻度清晰为止。采用表面均匀喷涂哑光黑漆、厚度为3mm、长为150mm、宽为150mm的铝合金方板覆盖红外热像仪视场，进行红外热像仪非均匀性校正。

(2)低功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，使激光发生器产生功率为50w、脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(3)高功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，增加激光发生器功率，使其产生功率为90w，脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(4)数据处理

求相同帧数下高、低功率激光激励温度数据差值，绘制温度差值-帧数曲线，如图3所示。使用origin8.0软件进行温度差值-帧数曲线数据点线性拟合，拟合方程式为y＝a+bx，参数a为截距，b为斜率，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率k＝0.041和截距值d＝3.538，代入公式(1)，计算得热障涂层厚度值l＝225.30μm，式中，α为热障涂层热扩散率2.5×10^-9m²/s；f为红外热像仪采集帧频8.5hz。

实施例3

参照附图1，本发明提供的热障涂层厚度激光透射法激励红外热波检测装置，包括信号发生器1，可输出频率为0.01μhz～500khz任意波形和频率为0.01μhz～15mhz的正弦波，通道数为1，波形垂直分辨率为16位；功率放大器2，最大输出电压为400vp-p，最大输出电流为1.5ap-p，工作频率范围0～7khz，非线性失真度＜2％；脉冲激光器3，为半导体泵浦固体激光器，最大功率为100w，光斑直径5mm，脉冲宽度为1ms～5s可调，波长1064nm；红外热像仪4，为非制冷型热像仪，图像大小为160×120像素，响应波段为8μm～14μm，采集帧频为8.5hz，热灵敏度为50mk；工控计算机5，集成了热障涂层厚度算法；热障涂层部件6，为双层热障涂层结构，均采用大气等离子喷涂制备，里层粘结层成分为ni-22cr-9al-37co-0.5y，设计厚度为150μm，表层陶瓷层成分为7-8wt％y203稳定zro2，设计厚度为400μm，基体合金为k438镍基等轴高温合金，厚度为15mm。工作状态时，脉冲激光器3放置于热障涂层部件6基体合金侧，且脉冲激光器3通过功率放大器2与信号发生器1输出端相连。红外热像仪4放置于热障涂层部件6涂层侧，且与工控计算机5的输入端相连。所述的测厚方法过程如下：

(1)红外热像仪调校

根据所检热障涂层部件的检测要求确定一次成像面积大小为80*80mm²。采用标准150mm刻度尺在检测工作距离为300mm处进行对焦，调节对焦直至刻度清晰为止。采用表面均匀喷涂哑光黑漆、厚度为3mm、长为150mm、宽为150mm的铝合金方板覆盖红外热像仪视场，进行红外热像仪非均匀性校正。

(2)低功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，使激光发生器产生功率为50w、脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(3)高功率激光激励

调节信号发生器和功率放大器，增加激光发生器功率，使其产生功率为90w，脉宽为5s的脉冲激光对热障涂层部件基体侧进行热激励。同时，红外热像仪采集部件涂层侧表面温度-帧数数据，采集时间为8.5s，采集帧频为8.5hz，数据传输至工控计算机。

(4)数据处理

求相同帧数下高、低功率激光激励温度数据差值，绘制温度差值-帧数曲线，如图4所示。使用origin8.0软件进行温度差值-帧数曲线数据点线性拟合，拟合方程式为y＝a+bx，参数a为截距，b为斜率，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率k＝0.015和截距值d＝4.296，代入公式(1)，计算得热障涂层厚度值l＝409.16μm，式中，α为热障涂层热扩散率2.5×10^-9m²/s；f为红外热像仪采集帧频8.5hz。

然后切割部件，利用扫描电子显微镜方法测定热障涂层厚度，对照射光斑直径5mm区域内按顺序等距取五个位置进行热障涂层厚度检测，厚度值如表1所示，实例1部件热障涂层扫描电子显微镜照片如图5所示，实例2部件热障涂层扫描电子显微镜照片如图6所示，实例3部件热障涂层扫描电子显微镜照片如图7所示。

表1热障涂层厚度扫描电子显微镜检测结果

将扫描电子显微镜测得的热障涂层厚度与本测厚装置检测结果进行对比并分析误差，结果如表2所示。分析表明，热障涂层厚度检测相对误差均小于10％，满足工程应用要求。

表2热障涂层厚度检测结果对比