一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置与流程

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于红外温度测试方法，尤其是一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置。

背景技术：

热障涂层(tbcs:thermalbarriercoatings)广泛应用于航空发动机与燃气轮机高温合金热端部件，用于为高温合金部件进行高温隔热防护，同时可显著提高航空发动机和燃气轮机的转化效率。热障涂层由金属粘接层与陶瓷隔热顶层组成，金属粘接层的主要成分是mcraly(m＝ni、co)或nialpt，主要起到抗高温氧化、缓和陶瓷隔热顶层与高温合金热物理性能不匹配的作用；目前广泛使用的陶瓷隔热层材料主要为氧化钇部分稳定的氧化锆(ysz)和gdzro3。

隔热是热障涂层的主要功能，隔热效果满足要求是确保涡轮叶片寿命和安全服役的最重要因素之一。热障涂层的隔热效果是指陶瓷隔热顶层的表面温度与金属粘接层界面的温度之差，温差越大隔热效果越好，反之隔热效果越差。热障涂层隔热效果的不足会引起对单晶镍基高温合金叶片的热防护不足，引起叶片组织及力学性能的快速退化，缩短叶片的服役寿命，如果出现意外的断裂将造成发动机事故。理论分析可知，热障涂层的隔热效果(热障涂层表面温度与单晶镍基合金叶片表面温度之差)取决于沿涂层厚度方向的热流密度与热障涂层热阻的乘积。热流密度主要取决于单位面积叶片内部冷却气道中冷却气膜在单位时间内所带走的热量。涂层的热阻是陶瓷层的自身热导率与涂层的厚度乘积。当热流密度一定时，热障涂层陶瓷层的厚度越大、涂层的热导率越低，则隔热效果越好。对于给定的涂层，气道冷却效果越好，热流密度越大则隔热效果越好，但强烈的冷却存在降低发动机效率的不利效应。热障涂层的隔热效果不仅与涂层自身的特性有关，而且还与外界环境有关。因此，不能直接通过涂层自身的参量实现对热障涂层隔热效果的计算，因而在模拟或真实服役环境下采用先进的测试手段实现对隔热效果的直接测量显得极其重要，不仅可以判断带新品热障涂层是否合格，还可对使用一段时间后的叶片表面热障涂层进行评价，判断其还是否满足服役要求。

目前，热障涂层隔热效果的测定主要采用对预埋铠装热电偶的圆管试件进行“外加热、内冷却”方式进行。涂层表面加热手段方面，采用炉内辐射加热，与实际热片燃气对流为主、高温辐射为辅的传热模式不同；测试手段方面，铠装外壳的导热具有一定延迟性，同时热电偶本身会影响涂层表面及基体侧气流场及温度场，导致测试数据具有延迟和不确定性；。测试环境方面，难以改变燃气特性、不能考虑涂层隔热与气膜孔交互作用、不能添加钙镁硅氧化物颗粒等实际叶片服役工况、与叶片服役状态相差较大，难以表征涂层隔热效果。测试内容方面，只能测定短时的隔热性能，未考虑服役时间、环境、涂层厚度对隔热效果的影响；适用性方面，难以满足对复杂型面叶片整个表面隔热效果分布的测量。以上因素造成在涡轮气冷叶片设计中，评估不同工况下涂层的隔热效果十分困难，这一工程问题亟需解决。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置，本发明装置可在不接触热障涂层陶瓷层表面和金属粘结层界面的前提下，实现热障涂层隔热温度的非接触式无损检测。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，包括如下步骤：

s1：对高温合金基材热障涂层样品的ysz陶瓷隔热顶层表面进行加热，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却，模拟真实服役环境；

s2：利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量ysz陶瓷顶层的表面温度ts和ysz陶瓷层与金属粘接层界面的温度ti；

s4：计算步骤s2中的ts与ti的差值，该差值即为高温合金基材热障涂层的隔热温度。

优选地，步骤s2中，用于测量陶瓷隔热顶层的表面温度ts的测温仪采用响应波长为长波长的红外测温仪，用于测量陶瓷层与金属粘接层界面的温度ti的测温仪采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外测温仪。

更进一步优选地，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号。

优选地，步骤s1中，对高温合金基材热障涂层样品的陶瓷隔热顶层表面进行加热是通过高温高速火焰流加热法或高能激光束加热法对陶瓷顶层表面进行加热实现的。

优选地，步骤s1中，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却是通过将冷却气流喷向高温合金基体面实现的。

优选地，所述的高温合金基材热障涂层样品的形状为平板或曲。

本发明公开了实现上述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法的测试装置，其特征在于，包括加热装置、冷却装置和温度测量单元；

加热装置，用于对高温合金基材热障涂层样品进行加热，冷却装置用于对高温合金基材热障涂层样品进行冷却；

所述温度测量单元，包括红外测量仪i、红外测量仪ii以及与红外测量仪i、红外测量仪ii电性相连的温度测量信号收集及处理装置。

优选地，红外测量仪i的波长为1-3μm；红外测温仪ii的波长为8-14μm。

优选地，温度测量单元还包括分别与红外测温仪i和红外测温仪ii相连的红外测温仪轨迹移动控制单元，红外测温仪轨迹移动控制单元由移动平台和控制器构成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，首先模拟真实服役环境，对高温合金基材热障涂层样品陶瓷隔热顶层表面进行加热，对高温合金基体面进行冷却，利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量陶瓷顶层的表面温度ts和陶瓷层背面与金属粘接层界面的温度ti；由ts-ti即可获得热障涂层的隔热温度。该方法不接触热障涂层表面、不改变热障涂层表面温度场、操作简单、测试构件外形适用范围广等优点。

进一步地，利用长波红外热辐射不能穿透陶瓷层的特性，而长波红外线仅来源于陶瓷层表面辐射的特点，采用响应波长为长波长红外测温仪测量热障涂层陶瓷顶层的表面温度ts，利用近红外至中红外热辐射能够部分穿过陶瓷层且陶瓷层自身不发射近红外至中红外热辐射的特性，采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外测温仪测量陶瓷层与金属粘接层界面的温度ti，

更进一步地，波长为1-3μm的红外测温仪i适用于检测较高温度区的温度，因此利用红外测温仪i对ysz陶瓷层与金属粘结层的接触面温度进行测量；波长为8-14μm的红外测温仪ii适用于检测低温区的温度，因此利用红外测温仪ii对ysz陶瓷层表面进行温度测量，采用不同的红外测温仪测定不同区域的温度，提高了装置的精确度。

进一步地，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号，不须从基体侧收集信号，相比常规的热电偶测温方法，对内部有冷却气道的真实带热障涂层高温合金叶片适用性更强。

进一步地，热障涂层隔热温度测试过程中，陶瓷隔热层表面的加热可通过燃料与氧气或空气用作助燃剂燃烧形成的高温高速火焰流、高能激光束等多种方式实现；高温合金基体的冷却可通过冷却气流实现；冷却气流不影响测试精度。

进一步地，用于测试的带高温合金热障涂层试样可以为平板、曲面及真实涡轮叶片，说明本方法的适用范围很广。

本发明还公开了实现上述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法的测试装置，包括分别用于对高温合金基材热障涂层样品进行加热和冷却的加热装置、冷却装置以及温度测量单元，红外测温仪的非接触测量，不影响热障涂层表面及高温合金构件内部原有的气体流场和温度场；该装置结构简单，利用该装置进行隔热温度测量时，温度测试响应快，且测试过程简单，实用性较强。

进一步地，通过设置分别于两个红外测温仪相连的红外测温仪轨迹移动控制单元，通过控制器对两个红外测温仪的检测区域与移动平台的运动模式进行控制，逐步对被测高温合金基材热障涂层样品的不同区域进行温度测量，再通过数据合成处理获得整个涂层样品表面的隔热温度分布；可以通过改变移动速度，实现对单点进行温度测量点式红外测温仪，也可以是对特定区域表面温度分布进行测试红外成像仪，获得特定区域的隔热温度分布。

附图说明

图1为热障涂层隔热温度非接触式测量原理及装置简图；

图2为带高温合金基体热障涂层隔热温度测量结果。

其中，1为高温合金基材热障涂层样品；2为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置，3带热障涂层高温合金基材冷却装置，4为红外测温仪i，5为红外测温仪ii；6为红外测温仪轨迹移动控制单元，7为温度测量信号收集及处理装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明公开的一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，包括以下步骤：

步骤一，通过一定方式将带高温合金基材的热障涂层样品陶瓷隔热顶层表面加热，高温合金基体面冷却，模拟其真实服役环境。

步骤二，利用长波红外热辐射不能穿透ysz陶瓷层的特性，而长波红外线仅来源于ysz陶瓷层表面辐射的特点，采用响应波长为长波长红外测温仪测量热障涂层ysz陶瓷顶层的表面温度ts。

步骤三，利用近红外至中红外热辐射能够部分穿过ysz陶瓷层且ysz陶瓷层自身不发射近红外至中红外热辐射的特性，即波长为近红外至中红外热辐射的红外热辐射仅来源于金属粘接层表面且不受ysz陶瓷层影响，采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外热辐射测温仪测量热障涂层体系中的金属粘接层表面(ysz陶瓷顶层与金属粘接层界面)的温度ti。由ts-ti即可获得热障涂层的隔热温度。

优选地，测温装置有波长范围不同的两套红外热辐射仪构成，其中一套用于测量热障涂层表层陶瓷层表面温度，该红外测温仪采用波长处于长波长红外辐射波段，另一套用于测量陶瓷层与高温合金粘结层界面处的粘结层表面温度，而红外测温仪采用波长处于近红外到中红外波段中的波段范围。

优选地，用于测试的带高温合金热障涂层试样可以为平板、曲面及真实涡轮叶片。

优选地，热障涂层隔热温度测试过程中，陶瓷隔热层表面的加热可通过燃料与氧气或空气用作助燃剂燃烧形成的高温高速火焰流、高能激光束等多种方式实现；高温合金基体的冷却可通过冷却气流实现；冷却气流不影响测试精度。

优选地，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号，不须从基体侧收集信号，相比常规的热电偶测温方法，对内部有冷却气道的真实带热障涂层高温合金叶片适用性更强。

优选地，通过对两套测温仪配置瞄准与精密扫描移动台，通过改变移动台的运动速度，可以对单点进行温度测量的点式红外测温仪，也可以是对特定区域表面温度分布进行测试的红外成像仪，获得特定区域的隔热温度分布。

优选地，该系统由两套不同波段的红外摄像仪与移动平台构成、以及控制系统构成，通过控制系统对两套红外摄像仪的检测区域与精密扫描移动台的运动模式进行控制，逐步对被测涂层的不同区域进行温度测量，在通过数据合成处理获得整个试样表面的隔热温度分布。

实施例1

如图1所示，以直径为25.4mm，厚度为2.5mm的dd6镍基单晶高温合金为基材，采用低压等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备厚度为120μm的nicocraly金属粘接层，采用大气等离子喷涂技术在金属粘接层表面制备厚度为250μm的8ysz陶瓷隔热顶层，以上述带热障涂层高温合金片作为待测试的高温合金基材热障涂层样品1。

以氧乙炔火焰枪作为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置2，采用氧乙炔火焰对热障涂层陶瓷隔热层表面进行加热模拟实际服役环境中高温燃气对叶片表面热障涂层的热冲击；以压缩空气枪作为带热障涂层高温合金基材的冷却装置3，采用冷却空气从样品背面对高温合金基体进行冷却，模拟实际服役环境中空心高温合金叶片内部气道内高压空气对高温合金基材的冷却。

随后，将响应波长为1.3μm的红外测温仪i4点式和响应波长为10μm红外测温仪ii5点式固定在红外测温仪轨迹移动控制单元6的移动平台上，，并将两台红外测温仪测量信号输出线与温度测量信号收集及处理装置7相连。点燃热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置2的火焰，开启带热障涂层高温合金基材冷却装置3压缩空气，开启两台红外测温仪，开启温度测量信号收集及处理装置7开始测量，即可获得如图2所示的测试结果，其中ysz陶瓷隔热顶层的表面温度为1150℃，ysz陶瓷隔热顶层与金属粘接层的界面温度为1000℃，因此，该实施例中的高温合金构件热障涂层的隔热温度为150℃。

实施例2：

首先，以直径为25.4mm，厚度为2.5mm的等轴晶镍基高温合金为基材，采用低压等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备厚度为120μm的nicocraly金属粘接层，采用电子束物理气相沉积法在金属粘接层表面制备厚度为200μm的8ysz陶瓷隔热顶层，以上述带热障涂层高温合金片作为带热障涂层高温合金构件。

以氧乙炔火焰枪作为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置2，利用压缩空气枪对带热障涂层高温合金基材表面冷却，通过调节冷却空气流量获得理论隔热温度200℃的冷却条件以供试验测试。

本实施例选用响应波长为1.45～1.75μm的点式红外测温仪和响应波段为8-14μm的点式红外测温仪。测试结果表明，ysz陶瓷隔热顶层的表面温度为1150℃，ysz陶瓷隔热顶层与金属粘接层的界面温度为1050℃，热障涂层的隔热温度为100℃，该隔热温度与理论结果一致。

实施例3：

首先，以直径为25.4mm，厚度为2.5mm的定向凝固镍基高温合金为基材，采用低压等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备厚度为150μm的nicocraly金属粘接层，采用大气等离子喷涂技术在金属粘接层表面制备厚度为500μm的8ysz陶瓷隔热顶层，以上述带热障涂层高温合金片作为带热障涂层高温合金构件。

以氧乙炔火焰枪作为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置，采用氧乙炔火焰对热障涂层陶瓷隔热层表面进行加热，模拟实际服役环境中高温燃气对叶片表面热障涂层的热冲击；以压缩空气枪作为带热障涂层高温合金基材冷却装置，采用冷却空气从样品背面对高温合金基体进行冷却，模拟实际服役环境中空心高温合金叶片内部气道内高压空气对高温合金基材的冷却，调节冷却气体流量使得热障涂层达到约300℃的隔热效果，开启两台红外测温仪。

采用响应波长为1.6～1.75μm点式红外测温仪和响应波段为8-14μm点式红外测温仪进行测量。测试结果表明，ysz陶瓷隔热顶层的表面平均温度为1210℃，ysz陶瓷隔热顶层与金属粘接层的界面平均温度为920℃，热障涂层的隔热温度为290℃，该隔热温度与理论结果一致。

实施例4：

在直径为25.4mm，厚度为2.5mm的铸造镍基高温合金为基材，采用低压等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备厚度为100μm的nicocraly金属粘接层，采用大气等离子喷涂技术在金属粘接层表面制备厚度为150μm的8ysz陶瓷隔热顶层，以上述带热障涂层高温合金片作为带热障涂层高温合金构件。

以氧乙炔火焰枪作为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置，采用氧乙炔火焰对热障涂层陶瓷隔热层表面进行加热模拟实际服役环境中高温燃气对叶片表面热障涂层的热冲击；以压缩空气枪作为带热障涂层高温合金基材冷却装置，采用冷却空气从样品背面对高温合金基体进行冷却，模拟实际服役环境中空心高温合金叶片内部气道内高压空气对高温合金基材的冷却，调节冷却气体流量使得热障涂层达到约100℃的隔热效果，开启两台红外测温仪。

采用响应波段分别为3.9μm点式红外测温仪和响应波段分别为8-14μm点式红外测温仪进行测量。测试结果表明，ysz陶瓷隔热顶层的表面平均温度为1050℃，ysz陶瓷隔热顶层与金属粘接层的界面平均温度为950℃，热障涂层的隔热温度为100℃，该隔热温度与理论结果一致。

实施例5：

以直径为25.4mm，厚度为2.5mm的镍基单晶高温合金为基材，采用物理气相沉积在高温合金基体表面制备厚度为100μm的nicocraly金属粘接层，采用电子束物理气相沉积在金属粘接层表面制备厚度为150μm的8ysz陶瓷隔热顶层，以上述带热障涂层高温合金片作为带热障涂层高温合金构件。

以氧乙炔火焰枪作为热障涂层陶瓷隔热顶层表面加热装置，利用压缩空气枪对带热障涂层高温合金基材表面进行冷却，通过调节冷却空气流量获得中心区域理论隔热温度150℃的冷却条件以供试验测试。

将响应波长分别为1.45～1.75μm红外热像仪和响应波段分别为8-14μm红外成像仪，调节红外摄像仪测试范围使其可涵盖整个试样表面区域，然后从涂层表面进行温度分布测量。测试结果表明，ysz陶瓷隔热顶层中心区域的表面温度为1170℃，ysz陶瓷隔热顶层与金属粘接层的界面温度为1020℃，热障涂层的隔热温度为150℃，该隔热温度与理论结果一致；试样边缘约2mm内隔热温度稍微有所降低。

综上所述，本发明的方法具有以下优势：

1、非接触测量，不影响热障涂层表面及空心叶片气道内部原有气体流场和温度场；

2、温度测试响应快、测试过程简单；

3、结合红外测温仪的扫描路径控制装置可实现复杂型面叶片表面隔热效果测试，绘制复杂型面叶片表面热障涂层隔热温度的分布云图，此外，可实现高速旋转叶片表面热障涂层隔热温度的检测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。