红外热波技术在热障涂层厚度检测上的应用研究

红外热波技术在热障涂层厚度检测上的应用研究

李永君;肖俊峰;朱立春;张炯;高斯峰;唐文书;南晴

【摘要】为快速准确地测量热障涂层厚度,采用基于热图序列特征时间的闪光灯激励红外热波测量方法,通过建立半无限大和有限厚度两种平板传热模型,提出根据热障涂层表面温度对数曲线线性回归时间选择二阶微分曲线负峰值时间的方法,解决了采用普通帧频热像仪采集的涂层表面温度曲线二阶微分负峰较多,无法确定特征峰值时间的困难,热障涂层厚度测量相对误差小于10%,满足工程应用要求.%In order to measure the thermal barrier coating thickness efficiently and accurately, infrared flash thermography technology based on thermal image characteristic time was adopted. A method to choose the negative peak time of the second-order differential curve according to the linear regression time of the thermal barrier coating surface temperature log curve was proposed by establishing a half-infinite and finite-thickness plate heat transfer model. The problem of inability to determine the negative peak time because of multiple negative peaks of second-order differential curve using common-frame-frequency thermal imager was solved. The relative measurement error of coating thickness was less than 10% and it meets the requirements of engineering applications.

【期刊名称】《红外技术》

【年(卷),期】2017(039)007

【总页数】6页(P669-674)

【关键词】热障涂层;红外热波;热图序列;厚度测量

【作者】李永君;肖俊峰;朱立春;张炯;高斯峰;唐文书;南晴

【作者单位】西安热工研究院有限公司,陕西西安 710054;西安热工研究院有限公司,陕西西安 710054;西安热工研究院有限公司,陕西西安 710054;西安热工研究

院有限公司,陕西西安 710054;西安热工研究院有限公司,陕西西安 710054;西安

热工研究院有限公司,陕西西安 710054;西安热工研究院有限公司,陕西西安710054

【正文语种】中文

【中图分类】TN219

热障涂层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。其中涂层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[1-2]。

目前，热障涂层厚度测量方法包括有损和无损检测2种，有损检测具有破坏性且

测量数据较片面[3]。无损检测主要有涡流法、超声波法和红外法等。涡流法机理

为提离效应，受粘结层特性影响较大[4-5]；超声波法需提取超声回波频域信号中

2相邻谐振频率差来计算涂层厚度，谐振频率干扰因素较多，测量准确度难以保证，且步骤复杂[6]，上述2种方法均不适合非接触快速检测。

红外热波技术具有非接触、快速、观测面积大、准确率高等优势，非常适合外场在线检测。目前国内外学者采用红外热波技术进行涂层测厚一般均基于涂层表面温度序列的对数二阶微分曲线峰值时间（即热图序列特征时间）进行推导。如Shepard S M[7]等人利用高帧（180Hz）热像仪，基于热图序列特征时间，对热

障涂层厚度进行测量，但高帧热像仪成本极高，工业应用较少。陶胜杰[8]等人采

用普通帧频（50Hz）热像仪，对丙烯酸黑色漆涂层进行厚度检测，误差≤7%。但由于热障涂层为非严格各向同性均质体，具有半透明性，且表面粗糙度较高，当采用普通帧频热像仪进行检测时，存在热图温度二阶微分曲线负峰较多，特征时间难以选取的困难。

因此，本文利用普通帧频（60Hz）热像仪结合闪光灯激励红外热波技术，基于热

图序列特征时间，通过理论模型分析和实验验证相结合的方法，对高温合金基体上热障涂层厚度进行测量研究，探索其可行性，以期其检测误差满足工业应用要求。本实验采用美国TWI公司的Echo Therm红外热波检测系统，主要包括热像仪、热激励系统、计算机及专用控制软件、图像采集和处理系统。热像仪为FLIR公司

的Therma-CAMSC3000焦平面制冷型热像仪，图像大小为320×240像素，响

应波段为8～9mm，采集帧频为60Hz，采集时间为15s，热灵敏度为20mK；热激励系统为两个4.8kJ的闪光灯，光脉冲宽度为2ms；使用日本电子株式会社的JSM-6360型扫描电镜观察涂层厚度；涂层试样为双层热障涂层结构，里层粘结层成分为Ni-22Cr-9Al-37Co-0.5Y，表层陶瓷层成分为7～8wt%Y2O3稳定ZrO2，基体合金为K438镍基高温合金，厚度为15mm。在涂层表面喷涂一层水溶性黑漆，以增加表面对可见光的吸收以及表面的红外辐射，结构示意图如图1所示。

试样1、试样2、试样3和试样4粘结层设计厚度相同，均为150mm。陶瓷层设计厚度相差较大，试样1到试样4陶瓷层厚度依次增加，分别为100、150、200和400mm，粘结层和陶瓷层均采用大气等离子喷涂工艺制备。

对半无限大平板材料，如图2[9-10]所示，Q代表单位面积的总热量，热源瞬时作用在平板表面上，由于是平板表面，只考虑热量在厚度方向上的一维传导，热传导方程的一维形式为：

公式(1)的解为：