隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，渦輪前進氣溫度也越來越高，渦輪葉片等熱部件面臨高溫、高速、高腐蝕以及高應力的嚴峻考驗[1-2]。為了保證渦輪葉片等關(guān)鍵熱部件能在惡劣環(huán)境中正常工作，需要在渦輪葉片等熱部件的表面涂覆耐高溫、抗腐蝕以及抗熱氧化等性能的防護熱障涂層，以提高工作溫度和效率，減少燃油消耗，延長渦輪葉片等熱端部件使用壽命，保障航空發(fā)動機安全可靠工作。 

1.   檢測原理

熱障涂層具有導熱系數(shù)小、氣孔率低及熔點高的特性，是實現(xiàn)航空發(fā)動機熱端部件高溫防護的重要手段[3]。 

熱障涂層結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其主要由表面的陶瓷層以及與高溫合金基體相連的黏結(jié)層構(gòu)成。黏結(jié)層位于陶瓷層和基體之間，用于改善陶瓷層和基體的物理相容性，提高基體的抗氧化性；陶瓷層位于基體最表層，主要起到防護隔熱作用。在高溫高壓的工作環(huán)境下，陶瓷層和黏結(jié)層之間還會產(chǎn)生熱生長氧化層。 

圖  1  熱障涂層結(jié)構(gòu)組成示意

基于掃頻渦流技術(shù)的渦輪葉片熱障涂層厚度測量原理為：將通有交變電流的線圈接近渦輪葉片，根據(jù)電磁感應原理，渦輪葉片表面會感生出渦流，從而導致線圈中的電流發(fā)生改變，線圈中電流的大小與渦輪葉片熱障涂層的厚度、電導率等自身參數(shù)相關(guān)。并且，掃頻渦流技術(shù)基于渦流的趨膚效應，選用頻率隨時間變化的連續(xù)電流為激勵電流，通過連續(xù)變化的激勵頻率檢測不同厚度的多層涂層，在各個掃頻頻率上分別檢波得到信號并在同一阻抗平面上顯示輸出，利用阻抗信號圖的差異性進行甄別。其中，高的激勵頻率檢測渦輪葉片表面的薄涂層，低的激勵頻率檢測近表面的涂層。當渦輪葉片的磁感應響應頻率與激勵信號的頻率相符時，渦流檢測傳感器產(chǎn)生的感應電動勢將出現(xiàn)拐點，其幅值變化比其他頻率響應信號的幅值變化更大，據(jù)此檢測到多層結(jié)構(gòu)的電導率、磁導率細微變化引起的感應電動勢波動，然后通過“數(shù)據(jù)挖掘”功能，實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)件的厚度測量。 

2.   檢測設(shè)備

用于渦輪葉片熱障涂層厚度測量的掃頻渦流儀結(jié)構(gòu)主要包括掃頻激勵發(fā)生模塊、掃頻信號分離模塊、放大濾波模塊以及信號采集模塊。所采用的掃頻渦流儀需要具有很寬的測試頻率，確保在檢測過程中的激勵頻率是寬頻且連續(xù)變化的，即在硬件上具有足夠高的靈敏度且相對平坦的寬帶頻率特性。 

在信號處理方面該儀器增加了“渦流數(shù)據(jù)挖掘”功能。由于渦輪葉片熱障涂層厚度測量傳感器輸出的檢測信號很微弱，同時包含多個頻率成分以及各種噪聲，因此需要對檢測信號進行信號的頻率分離以得到各個單頻檢測信號，再對單頻信號進行放大濾波處理，以濾除其噪聲成分，提取有效信號，同時使其信號的幅值與數(shù)據(jù)采集卡的量程相匹配，便于后續(xù)得到更精確的采集處理數(shù)據(jù)。在顯示模式上，對于不同頻率的激勵，缺陷的響應信號都可以在同一屏幕上得到反映，并能直接數(shù)字顯示涂層的各層厚度。 

此次試驗選用EEC-2030掃頻渦流檢測儀，該款儀器檢測頻率為64 Hz~30 MHz，具有多頻、掃頻、混頻、異或、疊加等多種數(shù)據(jù)融合處理功能，且具備正交檢波能力，檢測精度可到微米級別，能滿足渦輪葉片多層涂層厚度的測量要求。 

3.   檢測探頭

檢測探頭的靈敏度對整個檢測系統(tǒng)的精度有著決定性的影響，而探頭的結(jié)構(gòu)尺寸又影響探頭的靈敏度。檢測探頭由激勵線圈和檢測線圈組成，為了滿足熱障涂層厚度高頻檢測的要求，必須控制線圈匝數(shù)的數(shù)量，實現(xiàn)探頭小型化。檢測探頭采用傳統(tǒng)的圓柱形線圈結(jié)構(gòu)；同時，建立圓柱形檢測線圈正弦激勵下的高頻渦流解析模型，用于信號反演的求解、信號的仿真、激勵頻率的選取等。 

檢測探頭線圈的匝數(shù)、高度、線徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化會對測厚信號產(chǎn)生影響，分別對3個參數(shù)進行仿真優(yōu)化研究，確定陶瓷層測厚線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)。通常黏結(jié)層和基體電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)為定常量，對不同范圍內(nèi)的陶瓷層厚度進行參數(shù)化掃描，分別研究上述參數(shù)變化對品質(zhì)因數(shù)、陶瓷層厚度、黏結(jié)層厚度信號的影響，確定檢測探頭選用漆包線線徑及線圈外徑、內(nèi)徑、高度、匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。檢測探頭采用了彈壓式結(jié)構(gòu)，保證傳感器盡可能地與被檢曲面緊貼，避免探頭提離間隙，線圈纏繞于鋅錳鐵氧體磁芯上，線圈外設(shè)置鐵磁性屏蔽套，使磁場聚集并屏蔽磁場向外擴散，有助于提高多層涂層測量的精度和檢測的靈敏度。探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

圖  2  探頭結(jié)構(gòu)示意

4.   對比試件

對比試件的噴涂材料和多層涂層結(jié)構(gòu)嚴格按照真實涂層要求來制作，試件基體材料為高溫合金GH1140，黏結(jié)層材料為NiCrAlY，采用等離子噴涂技術(shù)制備，表面涂層為ZrO2材料的陶瓷層，試件陶瓷層不導電，基體、黏結(jié)層導電。模擬制作6種不同涂層厚度對比試件，涂層厚度為0~120 μm，通過電火花線切割對比試件，采用掃描電鏡來測量對比試件斷面涂層的實際厚度，從而標定對比試件涂層的厚度。6種對比試件涂層厚度分別為0>40，60，80,10,120 μm，其實物如圖3所示。 

圖  3  對比試件實物

5.   熱障涂層厚度測量試驗

（1）試驗一。分別對厚度為0~120 μm的6種不同厚度涂層對比試件進行檢測試驗。試驗結(jié)果如圖4所示，從圖4可知，當激勵頻率在10 MHz以下時，不同厚度涂層檢測信號的幅值沒有明顯差異，隨著激勵頻率逐步提高，檢測信號的幅值差異逐漸加大。 

圖  4  涂層厚度為0，40，60，80，100，120 μm的試件測厚結(jié)果

（2）試驗二。分別對6種不同厚度涂層對比試件進行厚度測量試驗。首先，根據(jù)已知涂層厚度的試塊調(diào)整儀器的頻率范圍、掃頻點數(shù)、濾波、相位和靈敏度等參數(shù)，建立涂層厚度的標定曲線。對于多層涂層厚度測量，制作每一層（包括黏結(jié)層和陶瓷層）涂層厚度的標定曲線。其次，根據(jù)待測對比試件的涂層面積、曲率及檢測精度要求，規(guī)劃布置檢測點。接著，對規(guī)劃的監(jiān)測點進行逐點掃查檢測，并保存每個檢測點的掃頻渦流信號數(shù)據(jù)。最后，通過涂層厚度的標定曲線和每個檢測點的掃頻渦流檢測信號的數(shù)據(jù)對比分析，得出每個檢測點的涂層厚度值。儀器厚度測量數(shù)據(jù)與對比試件標定值的比較如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可知，陶瓷層測量值與陶瓷層標定值數(shù)值接近，最大偏差僅為12.1%；黏結(jié)層測量值與黏結(jié)層標定值數(shù)值相差較大，最大偏差為28.6%。涂層厚度偏差的主要原因有以下兩點：①涂層制備過程造成涂層自身厚度制備不均勻，離散性大，試件金相分析涂層標定值（截面）與檢測部位涂層實際厚度值存在偏離；②黏結(jié)層測量值誤差偏大，可能是黏結(jié)層是導電材料，位于對比試件的近表面，檢測頻率低，而陶瓷層是非導電材料，位于對比試件的外表面，檢測頻率高，檢測精度更高。 

6.   結(jié)論

提出一種熱障涂層厚度的掃頻渦流技術(shù)測量方法，實現(xiàn)了渦輪葉片熱障涂層厚度的高效精確測量。具體結(jié)論如下。 

（1）在超高頻掃頻模式下，掃頻渦流技術(shù)不僅能夠測量熱障涂層的整體厚度，還能區(qū)分并測量陶瓷層厚度和黏接層厚度，測量精度更高。 

（2）熱障涂層外表面的陶瓷層厚度測量準確度高，次表面的黏接層厚度測量偏差稍大，原因可能是黏接層為導電材料，位于對比試件內(nèi)部，而陶瓷層為非導電材料，位于對比試件表面，與渦流的電磁特性和趨膚效應有關(guān)。 

（3）專業(yè)化的儀器硬件設(shè)計及信號處理算法，能夠提高激勵頻率，降低檢測噪聲；通過建立基于阻抗平面信號的“數(shù)據(jù)挖掘”模型，能夠減小涂層厚度測量誤差，滿足工程實際檢測要求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)