MATLAB热障涂层成像,线激光快速扫描热成像法及在热障涂层脱粘缺陷检测中的应用...

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一、引言

涡轮叶片采用定向凝固合金和单晶合金材料，服役温度只能达到1000℃，不能满足现代发动机的工作温度需要。人们发展了热障涂层(TBC)以保护金属基底，涂覆TBC的发动机涡轮叶片能在1600℃的高温下运行，提高发动机60%以上的热效率，有效地增加推重比，这使得涂层结构逐渐应用在核反应堆、航空发动机等许多领域。涂覆TBC的涡轮叶片通常由基底、中间过渡层以及陶瓷层组成。复杂的结构和苛刻的极端高温工作环境使得TBC在使用过程中出现脱粘缺陷引起的失效问题。因此，对TBC试件进行早期无损检测具有重大意义。二、实验原理根据Grzegorz采用盲孔缺陷代替脱粘缺陷进行分析的方法，在对TBC脱粘缺陷的检测实验中，通常在TBC试件的金属基底上制作盲孔缺陷来模拟真实的脱粘缺陷。本文的线激光扫描热成像方法分为粗扫描阶段和细扫描阶段。在粗扫描阶段的检测原理中，LLFST系统能够在TBC试件表面汇聚出激光点，控制激光点以直线方向高速移动。当扫描速度足够快且做线状移动时，激光点可以看作是线激光。当该线激光以垂直于移动方向扫描时，即构成线激光粗扫描阶段的热激励，粗扫描过程如图1所示。

图1 线激光扫描热成像原理图当线状激光快速扫描过TBC试件表面时，对扫描到的试件表面进行了快速线热源加热，扫描过后，线激光后部区域开始散热。TBC试件的厚度相对于长度和宽度要小的多，忽略热流的横向扩散，忽略陶瓷层、粘接层(共400μm)和空气的对流换热，这一过程可简化为在脉冲热流和绝热边界条件下的一维热传导过程。在构件表面处的经典热传导方程解为：

Q为表面输入的热流，ρ为密度，c为比热，α为热扩散率，L为构件的厚度。由Eq.1可以看出，试件表面的温度响应与试件厚度L有关。当脉冲线热源激励在薄板上时，由于盲孔缺陷处的L值减小，盲孔缺陷处表面温度的幅值会增大，且根据matlab模拟得出结论，温度的衰减也会慢于正常区域。进行Abaqus模拟后，得出结论：当线热源扫描至缺陷位置时，在缺陷处温度突然升高，高于无缺陷处的位置；当线热源扫描过缺陷后，在缺陷处的热图像上发生明显高温处的温度拖拽现象。针对在粗扫检测阶段发现的排除噪音后温度增高疑似缺陷的微区域，在细扫描阶段的检测原理中，在该微区域内进行提高功率的快速细扫描，将快速扫描的线激光近似看作为面激光脉冲加热。使用红外热像仪采集粗扫描阶段和细扫描阶段的红外热图像。粗扫检测阶段扫描速度快，可以在短时间内在全场范围内检测出较大面积缺陷，对粗扫检测阶段发现的疑似缺陷位置微区域内开展的细扫检测阶段分辨率高，对较小的缺陷有更好的分辨能力。两种检测阶段相结合可以提高整体缺陷检测的检测效率和检测灵敏度，缓解检测效率和检测灵敏度的矛盾。三、后处理方法由于真实实验中存在噪音，并且噪音具有不确定性，仅通过红外热像仪拍摄的原始图片不能够清晰直观地检测出缺陷的位置及大小。为了得到更清晰直观的温度场图像，我们发展了新的后处理方法来去除噪音。对于粗扫描阶段的热图像，本文提出了三种全新的后处理方法：构造全场定向载波温度场并减去方法、热源附近加窗三时刻求振幅去噪方法和自适应变权重滤波方法；通过三种方法的后处理，得到全场范围内去掉包括边缘噪音在内热响应后的缺陷响应图像。对于细扫描阶段的热图像对于面状光源扫描后的温度场，借鉴并优化李艳红等发展的红外热波脉冲相位法，对扫描区域内的红外热图序列中所有像素点在时间序列上进行离散傅里叶变换，即：

Eq.2中，T(k)为第k帧红外热图像的温度场，Δt为采样间隔，n为离散后的频率增量(n=1，2，...，N)，Ren，Imn分别为变换后的复数的实部和虚部。在频率n处的幅值An和相位φn分别为:

求解出所有时刻温度场图像在给定频率下的振幅场和相位场，再借鉴粗扫阶段中构造全场定向载波温度场并减去的方法，对振幅场和相位场进行后处理，得到疑似缺陷的微区域内的缺陷响应相位场和振幅场。四、实验结果按照三中提及的后处理方法对采集到的热图像进行后处理，分别得到粗扫描的去除噪音的温度热响应图像及细扫描阶段的去除噪音后的振幅场热响应图像和相位场热响应图像。结果图如图2所示。

图2 粗扫描阶段的检测原理图五、结论针对TBC产生的脱粘缺陷，本文发展了线激光快速扫描热成像方法(Linear Laser Fast Scanning Thermo graphy，LLFS)，利用激光打标机和热像仪搭建了简便的TBC脱粘缺陷快速检测系统。使用线激光扫描的方式对TBC试件进行粗扫描和细扫描，对扫描到的图像发展了全新的可视化热图像分析算法，如在粗扫阶段发展的构造定向载波温度场降噪法、加窗三时刻振幅去噪法、自适应变权重边缘滤窗法等，以及在细扫阶段的微区范围内求脉冲时间振幅与相位法等。文中开展了一系列模拟脱粘的TBC缺陷检测实验，验证实验表明，在粗扫阶段LLFST方法可以快速清晰的检测出特征尺寸在2mm的模拟脱粘缺陷;而在细扫阶段，可以高效率的检测出特征尺寸为1mm的模拟脱粘缺陷。