2020各类涂层的检测技术介绍及对比分析

各类涂层的检测技术介绍及对比分析目前，欧美发达国家在无损检测领域开展了大量的研究和一定的应用，美国能源部为了满足燃气轮机和航空发动机涡轮热端部件材料的研制发展需求，设置了DOENTEL计划，其中重点针对复合涂层监测、测试及性能表征的无损检测技术开展了研究，发展了声发射技术、红外热成像技术、光激发荧光压电光谱等无损检测技术，并系统的开展了无损检测信号和涂层性能、特征变化的规律性研究。目前，红外热成像技术针对陶瓷涂层分层剥离，声发射技术针对模拟服役环境中涂层裂纹监测等研究取得了一定进展错误!未找到引用源。。涡流检测技术可用于涂层内部大面积气孔、TGO层中β-Al2O3层的厚度以及陶瓷层的剩余厚度检测，进而定性分析涂层的状态和剩余寿命。国内外目前均已研制出涂层厚度涡流检测仪，并且国外已经成功将其应用于燃气轮机叶片涂层质量检测，但该方法大多数研究应用还集中在单层涂层的厚度测量，很少考虑多层涂层的导电性对厚度测量的影响，测量精度低，尚无法应用于多层导电涂层检测。

2.1 超声检测技术(UT)

超声波在介质中传播时会产生传播速度的变化和能量损失，超声检测技术(UT) 通过被检材料中超声波的声速、声衰减、超声波信号的频散等参量对材料的成分及特性进行表征。超声检测技术具有检测灵敏度高、应用范围广、使用方便及成本低等优点。目前，关于涂层超声检测研究方法主要集中在超声脉冲回波技术、超声显微镜技术和超声表面波技术错误!未找到引用源。。

超声检测技术可用于涂层厚度、密度、弹性模量以及结合质量等检测。了解涂层声学特性是涂层超声检测与表征的前提，在此方面，Lescribaa错误!未找到引用源。等分析了等离子喷涂MCrAlY/YSZ 涂层声速和衰减系数，证明该技术具有检测等离子喷涂材料弹性和微观结构演变的潜力；Sugasawa等通过引入群延迟谱法分析材料声学特性并将其用于等离子喷涂氧化铝涂层检测，成功评估了声速和涂层密度；针对喷涂涂层声学特性，Rogé和Fahr等利用超声脉冲回波技术探索了其对陶瓷层和粘结层界面氧化物、陶瓷层孔隙率评估的能力(检测原理如图2-1所示)。Chen等通过开发的脉冲回波技术对热循环后等离子喷涂MCrAlY/YSZ 涂层进行超声波检测，证明了该技术可以检测陶瓷层/TGO界面早期分层缺陷。

图2-1 超声波脉冲回波技术检测原理和TBC 样品典型超声波信号

国内大连理工大学、北京理工大学对复合涂层超声检测进行了系列研究。其中大连理工大学关于涂层超声无损检测研究成果较多，采用该技术对涂层厚度、弹性模量、密度和脱粘缺陷等进行了无损表征这些研究成果对于实际工程应用具有重要价值。近些年，山东省科学院激光研究所联合大连理工大学对EB-PVD 复合涂层中TGO层超声检测开展了研究，后续又提出一种非接触式激光超声检测技术用以表征粘结层质量，进一步发掘了超声检测在复合涂层应用的潜力。北京理工大学在超声显微技术表征涂层结合强度方面进行了深入研究，并且已经联合上海材料研究所等单位制定了《无损检测涂层结合强度超声检测方法》国家标准。

复合涂层具有多层结构、厚度较小且不均匀，不仅超声信号受到时间和频率的限制，而且增加了超声信号提取、分析和处理的困难。涂层的性能受其制备方法、工艺参数等多种条件影响，这些因素使得超声检测难以获得统一的弹性模量、密度等力学、物理性能数据，降低了涂层检测的可靠性。除此之外，传统超声检测一般需将被测件浸入水中，在实际发动机部件的应用范围受限。未来复合涂层超声无损检测方法需在提高超声检测时间与频率分辨力、信号分析处理技术方面继续发展，进一步提高涂层检测精度，增强检测结果可靠性。

2.2 声发射技术(AE)

材料发生变形或产生裂纹时会释放出应变能，进而产生声发射信号(应力波)，声发射技术(AE)是一种采用声发射仪器检测声发射信号、分析信号并对声发射源进行确定的技术。通过采集构件破坏前期的声发射信号，分析采集信号的特征，从而达到动态检测构件声发射源状态、评价损伤状况、预测损伤发展趋势的目的。AE技术具有动态实时检测、对材料缺陷敏感的特点。

图2-2激光声发射测量设备检测热喷涂过程

AE技术是首先用于定性和定量评价复合涂层系统YSZ退化过程的无损检测方法。在复合涂层（热障涂层）发展早期阶段，裂纹扩展对复合涂层的寿命起决定性作用。裂纹的产生和演变会产生噪音，通过AE技术监测噪声响应，可对复合涂层进行实时检测、预测涂层使用寿命。目前，国内外学者对AE技术复合涂层无损检测的应用范围和相关理论做了大量研究。湘潭大学通过AE技术分别研究了处于热循环和高温CMAS腐蚀下复合涂层的失效模式，获得了涂层损伤行为与声发射信号的关系；Park等利用声发射技术对高温热疲劳下的复合涂层损伤进行了诊断，结果表明TGO中的应力及微裂纹是产生声发射信号的源头；Renusch 等基于声发射技术，对复合涂层循环氧化过程进行监测并建立了复合涂层损伤动力学模型，为预测涂层寿命提供了理论基础。近些年，为解决传统AE 设备传感器受高温环境限制的问题，日本Kaita等采用新型非接触激光AE技术，实现了大气等离子喷涂技术制备复合涂层陶瓷层过程的实时监控(如图2-2所示)，进一步拓展了AE技术的应用范围。目前，AE技术存在采集的信号信息复杂、数据处理困难和理论分析不够完善等问题，距复合涂层检测的工程化应用尚存在一定距离。AE技术未来在复合涂层检测的发展应用需要更先进的传感器和更先进的信号分析系统。

2.3 红外热成像技术(IRT)

红外热成像技术(IRT) 是一种基于瞬态热传导的无损检测方法。样品内部缺陷会影响热量传递，导致表面温度分布不均，IRT 技术通过红外热像仪记录表面的热像图，识别出样品损伤，其原理如图2-3所示。根据红外辐射来源，红外热成像分为两类：主动式红外热成像(外部加载产生热激励) 和被动式红外热成像(试样本身的红外辐射)。主动式红外热成像根据加热方式的不同，分为脉冲热成像、调制热成像、阶跃热成像、辐射热成像等，其中最常用的是脉冲热成像和调制热成像。

图2-3 红外热成像原理图

IRT 技术已经在国外达到了工程化应用水平，如美国TWI 公司在红外热像检测方法领域实现标准化[7]；德国西门子公司应用红外热成像手段实现了对燃气轮机涡轮叶片热障涂层实时在线监测，并建立了在线状态评估模型。目前，IRT 技术主要用于检测涂层厚度、涂层裂纹和脱粘。Shrestha 等利用脉冲热成像和调制热成像技术检测非均匀复合涂层的厚度，结果表明，脉冲成像精度为0.3~2.3μm，其检测速度比调制热成像快，且精度更高。基于脉冲红外热成像技术，Tang等通过将主成分分析法与神经网络理论相结合的方式来识别复合涂层脱粘缺陷，结果表明对于直径与深度比为 1.2~4.0的脱粘缺陷，预测误差为4%~10%，证明了IRT 技术能够定量检测复合涂层脱粘缺陷。在涂层寿命预测研究方面，Bison 等通过分析涂层平面方向和厚度方向热扩散系数规律，采用红外热成像系统确立了热扩散系数衰减与涂层剩余循环寿命之间关系；Newaz 等采用IRT 技术确立了热循环过程中涂层分层与热信号幅值的关系，验证结果表明IRT 技术可以评估复合涂层的损伤程度，并能够监测其健康状态；首都师范大学、中国农机院采用IRT 技术分别对热循环、模拟服役环境过程中的复合涂层的状况进行监测并分析了涂层损伤机理，实现了不同失效模式下，对涂层的破损趋势的评估与预测。

IRT 技术具有单次检测面积大、检测结果直观、检测效率高和非接触等优点，但是这种方法测试一般需要测试件被加热，涂层的厚度和导热系数都会影响检测精度。目前IRT 技术对于复合涂层的检测结果集中于对损伤的定性评价。随着热激励技术、热成像技术和图像处理技术的发展，IRT 技术的检测精度将继续提高，推动热障涂层IRT 技术由定性检测向定量检测发展。

2.4 阻抗谱技术(IS)

当前服役热障涂层寿命的影响因素中，TGO层的产生、演化及其损伤具有