热障涂层裂纹红外检测方法技术

本发明专利技术公开一种热障涂层裂纹红外检测方法。本方法特点是被测TBC试件通过夹具固定，超声枪以一定频率、脉冲时间长度和输出功率通过空气耦合作用于在TBC试件上，缺陷处由于摩擦或热弹效应等而生热产生相比正常区域额外的热量，从而引起其产生相对于正常区域的热对比信号，使用红外热像仪记录该表面温场变化。后期通过若干帧的前景图像平均减去若干帧的背景图像平均进行分析，可有效实现TBC裂纹的非接触超声激励红外检测，解决了TBC裂纹检测难题，且对TBC试件不造成损伤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无损探伤检测
，特别是涉及一种非接触超声激励的热障涂层红外检测方法。
技术介绍
热障涂层(TBC)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，TBC对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件能在高温下运行。典型的TBC是一种双层结构，表面是隔热TBC，中间是抗氧化粘接层，下面是基体。TBC工作环境恶劣，易受高温氧化、热腐蚀、热冲击、流体冲蚀等多种侵害，加之涂层本身存在双层或多层界面，界面两侧的材料物化性能不同，因此涂层在服役中承受的应力场复杂，涂层易出现微裂纹、分层等缺陷，其中，大多数失效的根本原因是涂层中的裂纹扩展造成的。红外无损检测技术中常用的激励方法有脉冲闪光灯、超声、激光、电磁和大功率热辐射源等，不同激励方法适用于不同场合。脉冲闪光灯和激光激励方法可应用于TBC脱粘或分层类缺陷检测，由于裂纹与其热传导方法平行，这两种激励方法不适用于TBC裂纹检测。由于涂层材料不导电，电磁激励方法也不适用。大功率热辐射源与闪光灯方法类似，且TBC涂层材料较薄，也不适用于TBC裂纹检测。超声红外无损检测技术是二十世纪末发展并逐渐成熟的一种无损检测技术。此技术以一定频率的超声施加到被测试件，超声源通常选自用作塑料焊接的超声焊枪，超声脉冲时间长度、功率及压力等参数根据检测任务可调整。其检测原理为试件在超声激励下产生振动，缺陷表面由于摩擦或由于热弹效应而产生热量，这种方法其优点是检测裂纹类缺陷效果较好。但是由于TBC表面结构为陶瓷涂层，且其与基底材料粘接在一起，传统的超声激励方法是超声枪头与被测试件直接接触且施加一定压力，在这种情况下，如果采用传统的接触式超声激励红外无损检测方法，很容易直接把涂层直接从基底材料中剥落下来或者直接破坏表面的涂层结构。
技术实现思路
本专利技术提供一种非接触超声激励的TBC裂纹红外检测方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。为达到上述目的，本专利技术提供了一种热障涂层裂纹红外检测方法，包括如下步骤：步骤1：将超声枪及其控制系统固定于实验工作平台上，并连接好两者之间的控制线，同时连接电脑与红外热像仪以及超声控制器之间的连接线；步骤2：将被测试件通过夹具进行固定，并置于超声枪头下面9mm处，如果实验环境不允许，可放置于半波长即9mm的整数倍处；步骤3：设置超声枪的输出功率和作用时间长度；步骤4：红外热像仪和表面光洁的反射铝板放在试件的两侧，反射铝板按45度角放置；步骤5：红外热像仪先开机预热并做好均匀性校对等操作处理，调节红外热像仪与反射铝板之间距离和角度等参数使之能完整记录被测试件表面感兴趣区域，做好对焦处理，并根据实际检测设置热像仪的采集频率和采集时间长度；步骤6：触发红外热像仪进行采集和超声枪的触发，记录完整的升温前、升温和降温过程，并保存于电脑；步骤7：后期图像处理和分析，采用若干帧前景图像的平均值减去若干帧背景图像平均值进行分析，改变平均帧数长度来调节缺陷信号的信噪比，从而达到正确分析是否有效检测到TBC裂纹的目的；步骤8：在步骤7中，如果所得到的图像中发现不了缺陷信号区域或者其信号较弱，可以通过适当增大步骤3中的超声波的输出功率和时间长度；步骤9：对于一个待测试件，在相同实验参数和条件下重复上述步骤，由于其缺陷尺寸不同，相应调节步骤3中的参数以及步骤7中前景图像和背景图像的平均帧数来得到信噪比足够的缺陷信号。进一步地，所述超声源为超声焊枪，其频率通常为20KHz和40KHz或其他频率，或采用非单一频率激励。进一步地，所述超声焊枪与被测试件是非接触式的。进一步地，所述超声焊枪是固定的。进一步地，所述步骤2中夹具应满足能施加一定压力，且其基座足够稳重的基本条件。本专利技术所提出的TBC裂纹非接触超声激励红外无损检测系统和方法成功实现了实施例的TBC裂纹检测，解决了TBC裂纹的红外无损检测难题，且保证被测TBC不受损伤。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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为本专利技术一个实施例的TBC裂纹非接触超声激励红外无损检测技术原理图；图2为本专利技术一个实施例中式(8)的数值模拟所得到的耦合能量与耦合距离的关系曲线图；图3为本专利技术一个实施例的TBC红外检测热图(屏幕截图)。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术系统构成和基本原理：非接触超声激励的TBC裂纹红外检测系统如图1所示，主要包括三大部分：具有一定频率(比如20KHz)的超声枪及其控制装置，电脑和红外热像仪。电脑预装有超声枪和红外热像仪的控制软件，实验开始前，被测试件放在距离超声枪头一定位置处。电脑首先触发信号让红外热像仪开始采集，延时一定时间后触发超声枪发出超声波，超声波的输出功率和输出时间可通过超声枪控制装置直接设置。根据被测材料及缺陷属性，设置超声枪的参数以及红外热像仪的采集频率和采集时间长度。通常，超声枪的作用时间结束后，红外热像仪还要采集一定时间长度的降温过程，也就是要保证采集到完整的升温和降温过程。后期，可以通过软件分析所采集到的红外视频，从而实现TBC裂纹红外检测。与传统的接触式超声激励方法不同的是，在非接触超声激励红外检测系统中，被测试件与超声枪头不直接接触，两者之间间隔一定距离。由于超声波在空气中传播存在衰减，为了保证足够的激励能量，需要设计较大的超声枪头代替传统接触式中的超声枪头。超声枪头大小、形状和材质都可以根据实际情况进行设计和选择，主要需要考虑的是其超声场分布，同时需要考虑其耐用性。由于非接触超声枪头相对较大，超声激励时其周围存在超声场分布，被测试件在一定范围均处在超声场的作用范围内，由于热弹效应和迟滞效应等作用，引起机械能显著衰减，并产生热量，在超声激励下试件整体呈温度上升状态。被测试件表面不同位置其超声场分布不同，其温度上升也略有差异，超声激励结束的时候试件表面温度开始下降。当TBC涂层有裂纹时，裂纹不同界面间在超声场作用下还会机械摩擦产生，从而产生额外的热量，由于该热量的叠加造成缺陷区域比正常区域温升更明显，从而可实现TBC裂纹的检测。本专利技术的理论基础是在超声激励下，裂纹缺陷可近似看作为一个稳定热源。假设被测试件为一半无穷大平板，其厚度为D。并假设缺陷为矩形形状，其长宽分别为L1和L2，裂纹处在涂层的表面。矩形缺陷靠近被测前表面的边缘中心点作为坐标原点，在不考虑下表面热量反射且热源函数简化为1的情况下，坐标点(u，v)在时刻τ的温度可简化为：T(u,v,τ)=12πα∫0τe-u24ατ′dτ′*erf(L24ατ′)*&lsqb本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热障涂层裂纹红外检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将超声枪及其控制系统固定于实验工作平台上，并连接好两者之间的控制线，同时连接电脑与红外热像仪以及超声控制器之间的连接线；步骤2：将被测试件通过夹具进行固定，并置于超声枪头下面9mm处，如果实验环境不允许，可放置于半波长即9mm的整数倍处；步骤3：设置超声枪的输出功率和作用时间长度；步骤4：红外热像仪和表面光洁的反射铝板放在试件的两侧，反射铝板按45度角放置；步骤5：红外热像仪先开机预热并做好均匀性校对等操作处理，调节红外热像仪与反射铝板之间距离和角度等参数使之能完整记录被测试件表面感兴趣区域，做好对焦处理，并根据实际检测设置热像仪的采集频率和采集时间长度；步骤6：触发红外热像仪进行采集和超声枪的触发，记录完整的升温前、升温和降温过程，并保存于电脑；步骤7：后期图像处理和分析，采用若干帧前景图像的平均值减去若干帧背景图像平均值进行分析，改变平均帧数长度来调节缺陷信号的信噪比，从而达到正确分析是否有效检测到TBC裂纹的目的；步骤8：在步骤7中，如果所得到的图像中发现不了缺陷信号区域或者其信号较弱，可以通过适当增大步骤3中的超声波的输出功率和时间长度；步骤9：对于一个待测试件，在相同实验参数和条件下重复上述步骤，由于其缺陷尺寸不同，相应调节步骤3中的参数以及步骤7中前景图像和背景图像的平均帧数来得到信噪比足够的缺陷信号。...

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层裂纹红外检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将超声枪及其控制系统固定于实验工作平台上，并连接好两者之间的控制线，同时连接电脑与红外热像仪以及超声控制器之间的连接线；步骤2：将被测试件通过夹具进行固定，并置于超声枪头下面9mm处，如果实验环境不允许，可放置于半波长即9mm的整数倍处；步骤3：设置超声枪的输出功率和作用时间长度；步骤4：红外热像仪和表面光洁的反射铝板放在试件的两侧，反射铝板按45度角放置；步骤5：红外热像仪先开机预热并做好均匀性校对等操作处理，调节红外热像仪与反射铝板之间距离和角度等参数使之能完整记录被测试件表面感兴趣区域，做好对焦处理，并根据实际检测设置热像仪的采集频率和采集时间长度；步骤6：触发红外热像仪进行采集和超声枪的触发，记录完整的升温前、升温和降温过程，并保存于电脑；步骤7：后期图像处理和分析，采用若干帧前景图像的平均值减去若干帧背景图像平均值进行分析，改变平均帧数长...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾智，李晓丽，陶宁，冯立春，沈京玲，王迅，张存林，
申请(专利权)人：首都师范大学，重庆师范大学，北京维泰凯信新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11