热障涂层结构的界面应力检测系统及方法与流程

本发明涉及热障涂层结构的界面应力检测技术领域，尤其是涉及一种热障涂层结构的界面应力检测系统及方法。

背景技术：

航空发动机的涡轮叶片是航空领域的核心部件，涡轮叶片的性能特别是承受高低温的能力，已经成为一个国家航空工业水平的标志。为了保证极端高温服役环境下透平叶片的安全，热障涂层(thermalbarriercoatings，tbc)因其具有低热导率和高稳定性而成为解决叶片高温挑战的核心前沿技术之一。

然而，tbc是典型的多层异质结构，包括表面陶瓷涂层、高温合金基底、金属粘接层(nicocraly)以及在陶瓷层和粘接层之间形成的热生长氧化层(themallygrowthoxide，tgo，主要成分为α-al2o3)。由于层间热膨胀系数的差异，在涂层制备及服役过程中将不可避免地引入工艺应力与服役应力，进而诱发裂纹并导致涂层开裂甚至脱落，最终造成tbc的失效，而其失效位置常发生在陶瓷层/tgo/粘接层的界面以及靠近界面附近的陶瓷层中。因此，通过实验检测tbc服役过程中关键界面处的应力分布特征对其失效机理及寿命预测具有重要意义。

包括红宝石荧光压谱法的荧光光谱力学测量技术因其高空间分辨率、无损非接触、可实现半透明陶瓷内部的应力表征、可监控tbc的服役过程，成为无损检测热障涂层内部应力的有效手段。但是红宝石荧光压谱法仅适于检测界面处tgo层内的应力分布，只有在tgo生长到一定厚度后才能使用，无法监控沉积残余应力。在热障涂层服役过程中，界面应力演化是各层共同作用且互相影响的结果，红宝石荧光法的测量无法精确表征关键界面处的应力演化过程，不能有效评估涂层寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热障涂层结构的界面应力检测系统及方法，以实现界面处各层内应力分布的同时测量。

第一方面，本发明实施例提供了一种热障涂层结构的界面应力检测系统，应用于具有热障涂层的被测物体，所述热障涂层的陶瓷层的紧邻界面处形成有掺杂稀土元素的荧光子层；所述系统包括激光光源、第一二向色镜、聚焦透镜和荧光光谱仪；所述聚焦透镜和所述荧光光谱仪分别设置在所述第一二向色镜的两侧；

所述激光光源出射的激发光束经所述第一二向色镜反射以及所述聚焦透镜聚焦后入射到所述被测物体表面；所述被测物体基于所述激发光束背向激发的稀土荧光和红宝石荧光分别经所述聚焦透镜和所述第一二向色镜后进入所述荧光光谱仪，并在所述荧光光谱仪中形成对应的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱；其中，所述稀土荧光光谱用于指示所述被测物体的荧光子层内的应力，所述红宝石荧光光谱用于指示所述被测物体的热生长氧化层内的应力。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述荧光光谱仪包括稀土荧光光谱仪和红宝石荧光光谱仪；所述第一二向色镜与所述荧光光谱仪之间还设置有第二二向色镜；

从所述第一二向色镜透射出的稀土荧光经所述第二二向色镜反射后进入所述稀土荧光光谱仪；从所述第一二向色镜透射出的红宝石荧光经所述第二二向色镜透射后进入所述红宝石荧光光谱仪。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第二二向色镜与所述稀土荧光光谱仪之间以及所述第二二向色镜与所述红宝石荧光光谱仪之间均设置有窄带滤光片。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述系统还包括设置在所述第一二向色镜与所述荧光光谱仪之间的第二二向色镜和y型光纤，所述y型光纤的每个分叉端与所述第二二向色镜之间均设置有窄带滤光片，所述y型光纤的出口端与所述荧光光谱仪连接；

从所述第一二向色镜透射出的稀土荧光经所述第二二向色镜反射后，再穿过所述窄带滤光片进入所述y型光纤；从所述第一二向色镜透射出的红宝石荧光经所述第二二向色镜透射后，再穿过所述窄带滤光片进入所述y型光纤；所述稀土荧光和所述红宝石荧光通过所述y型光纤进入所述荧光光谱仪。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述聚焦透镜包括显微物镜。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述激光光源与所述第一二向色镜之间设置有准直器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述激光光源与所述第一二向色镜之间还设置有单色片。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述激光光源与所述第一二向色镜之间还设置有反射镜，所述反射镜用于将所述激光光源出射的激发光束反射至所述第一二向色镜。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述激光光源包括半导体泵浦固体激光器。

第二方面，本发明实施例还提供一种热障涂层结构的界面应力检测方法，应用于上述第一方面所述的热障涂层结构的界面应力检测系统；所述方法包括：

获取所述热障涂层结构的界面应力检测系统检测得到的被测物体的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱；

根据所述稀土荧光光谱和所述红宝石荧光光谱，计算得到所述稀土荧光光谱的特征峰与预设的第一特征峰之间的第一峰位偏移量以及所述红宝石荧光光谱的特征峰与预设的第二特征峰之间的第二峰位偏移量；其中，所述第一特征峰为无应力状态下所激发出的原始稀土荧光光谱的特征峰，所述第二特征峰为无应力状态下所激发出的原始红宝石荧光光谱的特征峰；

根据所述第一峰位偏移量和所述第二峰位偏移量，计算得到所述被测物体的荧光子层内的应力和热生长氧化层内的应力。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例中，热障涂层结构的界面应力检测系统应用于具有热障涂层的被测物体，该热障涂层的陶瓷层的紧邻界面处形成有掺杂稀土元素的荧光子层；该系统包括激光光源、第一二向色镜、聚焦透镜和荧光光谱仪；聚焦透镜和荧光光谱仪分别设置在第一二向色镜的两侧；激光光源出射的激发光束经第一二向色镜反射以及聚焦透镜聚焦后入射到被测物体表面；被测物体基于该激发光束背向激发的稀土荧光和红宝石荧光分别经聚焦透镜和第一二向色镜后进入荧光光谱仪，并在该荧光光谱仪中形成对应的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱；其中，稀土荧光光谱用于指示被测物体的荧光子层内的应力，红宝石荧光光谱用于指示被测物体的热生长氧化层内的应力。基于双荧光法能够完整测量热障涂层内部关键界面处的应力分布特征，并能够采用扫描方式实现关键界面处层间面内应力的全场分布，从而解决了热障涂层安全评估及寿命预测研究所亟需、已有实验技术却难以有效实现的界面应力表征。与现有的红宝石荧光压谱法相比，本发明实施例提供的热障涂层结构的界面应力检测系统可以同时监控热障涂层制备过程中界面处的残余应力，完整监控整个服役过程中靠近界面处的陶瓷层内的应力分布及其演化。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测系统的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测方法的流程示意图。

图标：

10-激光光源；20-第一二向色镜；30-聚焦透镜；40-荧光光谱仪；41-稀土荧光光谱仪；42-红宝石荧光光谱仪；50-被测物体；51-高温合金基底；52-金属粘接层；53-热生长氧化层；54-荧光子层；55-表面陶瓷层；60-第二二向色镜；70-y型光纤；81-第一滤光片；82-第二滤光片；91-准直器；92-单色片；93-反光镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前红宝石荧光压谱法仅适于检测界面处tgo层内的应力分布，只有在tgo生长到一定厚度后才能使用，无法监控沉积残余应力。基于此，本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测系统及方法，联用红宝石荧光与稀土荧光，可以实现界面处各层内应力分布的同时测量，便于分析应力演化过程中的层间相互作用关系，可用于热障涂层服役环境下安全寿命的有效、精确评估。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种热障涂层结构的界面应力检测系统进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种热障涂层结构的界面应力检测系统，应用于具有热障涂层的被测物体，该热障涂层的陶瓷层的紧邻界面处形成有掺杂稀土元素的荧光子层。该热障涂层结构的界面应力检测系统可用于航空发动机涡轮叶片表面热障涂层内部界面应力分布的无损检测。因此被测物体可以是实际服役的涡轮叶片，也可以是实验用的热障涂层试件。

图1为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图，其中实线为入射光(对应激发光束)，长折线为红宝石荧光，短折线为稀土荧光。如图1所示，该系统包括激光光源10、第一二向色镜20、聚焦透镜30和荧光光谱仪40；聚焦透镜30和荧光光谱仪40分别设置在第一二向色镜20的两侧；激光光源10出射的激发光束经第一二向色镜20反射以及聚焦透镜30聚焦后入射到被测物体50表面；被测物体50基于该激发光束背向激发的稀土荧光和红宝石荧光分别经聚焦透镜30和第一二向色镜20后进入荧光光谱仪40，并在该荧光光谱仪40中形成对应的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱；其中，稀土荧光光谱用于指示被测物体50的荧光子层内的应力，红宝石荧光光谱用于指示被测物体50的热生长氧化层内的应力。

在选取激光光源10时主要考虑稀土荧光的特征波长，例如当被测物体50采用掺杂铕元素的热障涂层时，由于铕元素对应的稀土荧光的特征波长约为607nm，因此可以选用532nm的激光光源10。第一二向色镜20具有低反高透的特性，如反射532nm的激发光束，透过607nm左右的稀土荧光和694nm左右的红宝石荧光。

可选地，激光光源10包括半导体泵浦固体激光器。半导体泵浦固体激光器具有效率高、寿命长、高光束质量、较好的稳定性、结构紧凑小型化的优点。

可选地，聚焦透镜30包括显微物镜。通过聚焦透镜30可以减小入射到被测物体50表面的激光光斑的尺寸，从而提高空间分辨率。例如某些激光光源10出射的激光光斑直径为1-2mm，经聚焦透镜30聚焦后可以减小至1μm。

图2为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测系统的工作原理示意图，其中，被测物体50为热障涂层试件，该热障涂层试件由下至上依次包括：高温合金基底51、金属粘接层52、热生长氧化层53、荧光子层54和表面陶瓷层55；实线为入射光(对应激发光束)，长折线为红宝石荧光，短折线为稀土荧光。

下面将以聚焦透镜30为显微物镜为例，参照图1和图2详细说明该热障涂层结构的界面应力检测系统的工作原理：将热障涂层试件置于热障涂层结构的界面应力检测系统中，将特定波长的激发光束聚焦入射到热障涂层试件表面并穿过表面陶瓷层55，同时激发出界面附近陶瓷层(荧光子层54)内所掺杂稀土元素的荧光(稀土荧光)和界面热生长氧化层53内微量元素cr³⁺的荧光(红宝石荧光)，显微物镜背向同时收集的稀土荧光和红宝石荧光透过第一二向色镜20后，进入荧光光谱仪40形成稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱。将所激发出的稀土荧光光谱的特征峰与无应力状态下所激发出的稀土荧光光谱的特征峰相比较，根据该特征峰的偏移量可以计算出靠近界面处陶瓷层内应力的分布；同时将所激发出的cr³⁺荧光光谱(红宝石荧光光谱)的特征峰与无应力状态下所激发出的cr³⁺荧光光谱的特征峰相比较，根据该特征峰的偏移量可以计算出热生长氧化物层53内应力的分布。

具体地，在无应力状态下激发出的铕元素荧光光谱的特征峰位置约为607nm；cr³⁺荧光光谱的最强特征峰有两个，分别为r1线和r2线，无应力状态下激发出的cr³⁺荧光光谱的r1线和r2线的特征峰位置分别约为692.9nm和694.3nm。在基于稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱计算应力的分布时，首先，标注稀土荧光光谱中最强的特征峰位置，该特征峰的偏移量δre与荧光子层54内应力σre之间满足线性关系：δre＝πre·σre，其中πre为压谱系数并且可以通过已知应力作用下的标定实验获得，因此由特征峰的偏移量可以获得靠近界面的陶瓷层内的应力分布；同时，标注cr元素最强的两个荧光峰r1线和r2线的峰位，可以选用r2线光谱特征峰的偏移量计算tgo层内应力(当然也可以选择r1线光谱特征峰，这里仅为示例)，该特征峰的偏移量δtgo与tgo层内应力σtgo之间满足线性关系：δtgo＝πtgo·σtgo，其中πtgo为经验压谱系数且为常量，因此由该特征峰的偏移量可以获得tgo层内的应力分布。进一步地，可通过对热障涂层进行单点检测或面扫描检测，以完整获得热障涂层内较大区域(厘米量级)内关键界面处的应力分布信息并可分析界面处层间应力的相互影响。

本发明实施例中，该热障涂层结构的界面应力检测系统包括激光光源、第一二向色镜、聚焦透镜和荧光光谱仪；聚焦透镜和荧光光谱仪分别设置在第一二向色镜的两侧；激光光源出射的激发光束经第一二向色镜反射以及聚焦透镜聚焦后入射到被测物体表面；被测物体基于该激发光束背向激发的稀土荧光和红宝石荧光分别经聚焦透镜和第一二向色镜后进入荧光光谱仪，并在该荧光光谱仪中形成对应的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱；其中，稀土荧光光谱用于指示被测物体的荧光子层内的应力，红宝石荧光光谱用于指示被测物体的热生长氧化层内的应力。基于双荧光法能够完整测量热障涂层内部关键界面处的应力分布特征，并能够采用扫描方式实现关键界面处层间面内应力的全场分布，从而解决了热障涂层安全评估及寿命预测研究所亟需、已有实验技术却难以有效实现的界面应力表征。与现有的红宝石荧光压谱法相比，本发明实施例提供的热障涂层结构的界面应力检测系统可以同时监控热障涂层制备过程中界面处的残余应力，完整监控整个服役过程中靠近界面处的陶瓷层内的应力分布及其演化。测量过程中使用的激光光斑很小(直径可小至1μm)，即使经过涂层散射依然可以保持较高的空间分辨率，能够有效区分微米量级区域内不同位置处的应力变化。因此，本发明实施例采用的双荧光法突破了单荧光法存在的界面应力探测不完整的局限性，并可以通过面扫描检测某一局部区域中关键界面处的内应力分布，进一步研究界面处各层间应力的相互作用与影响，从而全面、有效、精确地预测热障涂层的安全服役寿命。

可选地，图2中的热障涂层试件可以基于大气等离子喷涂法(atmosphericplasmaspraying，aps)通过如下过程制备：首先，对高温合金基底51进行预处理，包括对高温合金基底51待喷涂表面进行粗糙化和净化处理；之后，在已完成预处理的高温合金基底51表面通过aps法喷涂工艺制备金属粘接层52；之后，在金属粘接层52表面通过aps法喷涂含有稀土元素的荧光子层54；最后采用aps法制备表面陶瓷层55。该热障涂层试件制备完成后，通过高温热循环即可在荧光子层54与金属粘接层52之间生成一层tgo(热生长氧化层53)。这样，所制备热障涂层试件为实现双荧光信号的检测提供了可行性。

图3为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图，如图3所示，在图1的基础上，荧光光谱仪40包括稀土荧光光谱仪41和红宝石荧光光谱仪42；第一二向色镜20与荧光光谱仪40之间还设置有第二二向色镜60；从第一二向色镜20透射出的稀土荧光经第二二向色镜60反射后进入稀土荧光光谱仪41；从第一二向色镜20透射出的红宝石荧光经第二二向色镜60透射后进入红宝石荧光光谱仪42。这样稀土荧光进入稀土荧光光谱仪41形成稀土荧光光谱，而红宝石荧光进入红宝石荧光光谱仪42形成红宝石荧光光谱。

可选地，第二二向色镜60与稀土荧光光谱仪41之间以及第二二向色镜60与红宝石荧光光谱仪42之间均设置有窄带滤光片(图3中未示出)。该窄带滤光片包括与稀土荧光的波长相匹配的第一滤光片和与红宝石荧光的波长相匹配的第二滤光片。通过窄带滤光片的滤光作用，可以滤去其他波段的光，仅保留所需波段的光，从而避免干扰，便于后续处理。

图4为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图，如图4所示，在图1的基础上，上述系统还包括设置在第一二向色镜20与荧光光谱仪40之间的第二二向色镜60和y型光纤70，y型光纤70的每个分叉端与第二二向色镜60之间均设置有窄带滤光片(第一滤光片81、第二滤光片82)，y型光纤70的出口端与荧光光谱仪40连接。从第一二向色镜20透射出的稀土荧光经第二二向色镜60反射后，再穿过第一滤光片81进入y型光纤70；从第一二向色镜20透射出的红宝石荧光经第二二向色镜60透射后，再穿过第二滤光片82进入y型光纤70；经滤光后的稀土荧光和红宝石荧光通过y型光纤70进入荧光光谱仪40。这样仅使用一台荧光光谱仪40，降低了成本，同时还可以避免干扰，便于后续处理。

图5为本发明实施例提供的另一种热障涂层结构的界面应力检测系统的结构示意图，如图5所示，在图1的基础上，激光光源10与第一二向色镜20之间设置有准直器91。通过准直器91可以使光最大效率地耦合进第一二向色镜20中。

进一步地，如图5所示，激光光源10与第一二向色镜20之间还设置有单色片92。通过单色片92可以提高从激光光源10出射的激发光束的单色性，防止杂光对检测结果造成不良影响。虽然图5中单色片92设置在准直器91与第一二向色镜20之间，但本发明的保护范围不限于此，也可以根据需要将单色片92设置在激光光源10与准直器91之间。

进一步地，如图5所示，为了便于将红宝石荧光耦合进y型光纤70，y型光纤70与第二二向色镜60之间还设置有反光镜93。

在一些可能的实施例中，激光光源10与第一二向色镜20之间还设置有反射镜(图5中未示出)，反射镜用于将激光光源10出射的激发光束反射至第一二向色镜20。该反射镜还可以与上述准直器91和单色片92连用，具体可以根据需要设置三者的位置，例如，准直器91和反射镜设置在单色片92的两侧，准直器91设置在靠近激光光源10的一侧，反射镜设置在靠近第一二向色镜20的一侧。

实施例二：

本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测方法，该方法应用于上述实施例一的热障涂层结构的界面应力检测系统。图6为本发明实施例提供的一种热障涂层结构的界面应力检测方法的流程示意图，如图6所示，该方法包括以下几个步骤：

步骤s602，获取热障涂层结构的界面应力检测系统检测得到的被测物体的稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱。

步骤s604，根据上述稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱，计算得到稀土荧光光谱的特征峰与预设的第一特征峰之间的第一峰位偏移量以及红宝石荧光光谱的特征峰与预设的第二特征峰之间的第二峰位偏移量。

其中，第一特征峰为无应力状态下所激发出的原始稀土荧光光谱的特征峰，第二特征峰为无应力状态下所激发出的原始红宝石荧光光谱的特征峰。

步骤s606，根据上述第一峰位偏移量和第二峰位偏移量，计算得到被测物体的荧光子层内的应力和热生长氧化层内的应力。

本发明实施例提供的热障涂层结构的界面应力检测方法，与上述实施例提供的热障涂层结构的界面应力检测系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。