渦輪葉片采用定向凝固合金和單晶合金材料，服役溫度只能達(dá)到1000℃，不能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度需要。人們發(fā)展了熱障涂層（TBC）以保護(hù)金屬基底，涂覆TBC的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片能在1600℃的高溫下運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)60%以上的熱效率，有效地增加推重比，這使得涂層結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用在核反應(yīng)堆、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等許多領(lǐng)域。

涂覆TBC的渦輪葉片通常由基底、中間過渡層以及陶瓷層組成。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和苛刻的極端高溫工作環(huán)境使得TBC在使用過程中出現(xiàn)脫粘缺陷引起的失效問題。因此，對(duì)TBC試件進(jìn)行早期無損檢測(cè)具有重大意義。

二、實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)Grzegorz采用盲孔缺陷代替脫粘缺陷進(jìn)行分析的方法，在對(duì)TBC脫粘缺陷的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通常在TBC試件的金屬基底上制作盲孔缺陷來模擬真實(shí)的脫粘缺陷。

本文的線激光掃描熱成像方法分為粗掃描階段和細(xì)掃描階段。

在粗掃描階段的檢測(cè)原理中，LLFST系統(tǒng)能夠在TBC試件表面匯聚出激光點(diǎn)，控制激光點(diǎn)以直線方向高速移動(dòng)。當(dāng)掃描速度足夠快且做線狀移動(dòng)時(shí)，激光點(diǎn)可以看作是線激光。當(dāng)該線激光以垂直于移動(dòng)方向掃描時(shí)，即構(gòu)成線激光粗掃描階段的熱激勵(lì)，粗掃描過程如圖1所示。

圖1 線激光掃描熱成像原理圖

當(dāng)線狀激光快速掃描過TBC試件表面時(shí)，對(duì)掃描到的試件表面進(jìn)行了快速線熱源加熱，掃描過后，線激光后部區(qū)域開始散熱。TBC試件的厚度相對(duì)于長(zhǎng)度和寬度要小的多，忽略熱流的橫向擴(kuò)散，忽略陶瓷層、粘接層（共400μm）和空氣的對(duì)流換熱，這一過程可簡(jiǎn)化為在脈沖熱流和絕熱邊界條件下的一維熱傳導(dǎo)過程。在構(gòu)件表面處的經(jīng)典熱傳導(dǎo)方程解為：

Q為表面輸入的熱流，ρ為密度，c為比熱，α為熱擴(kuò)散率，L為構(gòu)件的厚度。

由Eq.1可以看出，試件表面的溫度響應(yīng)與試件厚度L有關(guān)。當(dāng)脈沖線熱源激勵(lì)在薄板上時(shí)，由于盲孔缺陷處的L值減小，盲孔缺陷處表面溫度的幅值會(huì)增大，且根據(jù)matlab模擬得出結(jié)論，溫度的衰減也會(huì)慢于正常區(qū)域。

進(jìn)行Abaqus模擬后，得出結(jié)論：當(dāng)線熱源掃描至缺陷位置時(shí)，在缺陷處溫度突然升高，高于無缺陷處的位置；當(dāng)線熱源掃描過缺陷后，在缺陷處的熱圖像上發(fā)生明顯高溫處的溫度拖拽現(xiàn)象。

針對(duì)在粗掃檢測(cè)階段發(fā)現(xiàn)的排除噪音后溫度增高疑似缺陷的微區(qū)域，在細(xì)掃描階段的檢測(cè)原理中，在該微區(qū)域內(nèi)進(jìn)行提高功率的快速細(xì)掃描，將快速掃描的線激光近似看作為面激光脈沖加熱。

使用紅外熱像儀采集粗掃描階段和細(xì)掃描階段的紅外熱圖像。

粗掃檢測(cè)階段掃描速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)在全場(chǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)出較大面積缺陷，對(duì)粗掃檢測(cè)階段發(fā)現(xiàn)的疑似缺陷位置微區(qū)域內(nèi)開展的細(xì)掃檢測(cè)階段分辨率高，對(duì)較小的缺陷有更好的分辨能力。兩種檢測(cè)階段相結(jié)合可以提高整體缺陷檢測(cè)的檢測(cè)效率和檢測(cè)靈敏度，緩解檢測(cè)效率和檢測(cè)靈敏度的矛盾。

三、后處理方法

由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)中存在噪音，并且噪音具有不確定性，僅通過紅外熱像儀拍攝的原始圖片不能夠清晰直觀地檢測(cè)出缺陷的位置及大小。為了得到更清晰直觀的溫度場(chǎng)圖像，我們發(fā)展了新的后處理方法來去除噪音。

對(duì)于粗掃描階段的熱圖像，本文提出了三種全新的后處理方法：構(gòu)造全場(chǎng)定向載波溫度場(chǎng)并減去方法、熱源附近加窗三時(shí)刻求振幅去噪方法和自適應(yīng)變權(quán)重濾波方法；通過三種方法的后處理，得到全場(chǎng)范圍內(nèi)去掉包括邊緣噪音在內(nèi)熱響應(yīng)后的缺陷響應(yīng)圖像。

對(duì)于細(xì)掃描階段的熱圖像對(duì)于面狀光源掃描后的溫度場(chǎng)，借鑒并優(yōu)化李艷紅等發(fā)展的紅外熱波脈沖相位法，對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)的紅外熱圖序列中所有像素點(diǎn)在時(shí)間序列上進(jìn)行離散傅里葉變換，即：

Eq.2中，T（k）為第k幀紅外熱圖像的溫度場(chǎng)，Δt為采樣間隔，n為離散后的頻率增量（n=1，2，...，N），Ren，Imn分別為變換后的復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。

在頻率n處的幅值A(chǔ)n和相位φn分別為:

求解出所有時(shí)刻溫度場(chǎng)圖像在給定頻率下的振幅場(chǎng)和相位場(chǎng)，再借鑒粗掃階段中構(gòu)造全場(chǎng)定向載波溫度場(chǎng)并減去的方法，對(duì)振幅場(chǎng)和相位場(chǎng)進(jìn)行后處理，得到疑似缺陷的微區(qū)域內(nèi)的缺陷響應(yīng)相位場(chǎng)和振幅場(chǎng)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照三中提及的后處理方法對(duì)采集到的熱圖像進(jìn)行后處理，分別得到粗掃描的去除噪音的溫度熱響應(yīng)圖像及細(xì)掃描階段的去除噪音后的振幅場(chǎng)熱響應(yīng)圖像和相位場(chǎng)熱響應(yīng)圖像。結(jié)果圖如圖2所示。

圖2 粗掃描階段的檢測(cè)原理圖

五、結(jié)論

針對(duì)TBC產(chǎn)生的脫粘缺陷，本文發(fā)展了線激光快速掃描熱成像方法（Linear Laser Fast Scanning Thermo graphy，LLFS），利用激光打標(biāo)機(jī)和熱像儀搭建了簡(jiǎn)便的TBC脫粘缺陷快速檢測(cè)系統(tǒng)。使用線激光掃描的方式對(duì)TBC試件進(jìn)行粗掃描和細(xì)掃描，對(duì)掃描到的圖像發(fā)展了全新的可視化熱圖像分析算法，如在粗掃階段發(fā)展的構(gòu)造定向載波溫度場(chǎng)降噪法、加窗三時(shí)刻振幅去噪法、自適應(yīng)變權(quán)重邊緣濾窗法等，以及在細(xì)掃階段的微區(qū)范圍內(nèi)求脈沖時(shí)間振幅與相位法等。文中開展了一系列模擬脫粘的TBC缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，在粗掃階段LLFST方法可以快速清晰的檢測(cè)出特征尺寸在2mm的模擬脫粘缺陷;而在細(xì)掃階段，可以高效率的檢測(cè)出特征尺寸為1mm的模擬脫粘缺陷。