隨著航空發動機技術的不斷發展，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鍵熱部件能在惡劣環境中正常工作，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，保障航空發動機安全可靠工作。 

1.   檢測原理

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

熱障涂層結構組成如圖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層構成。黏結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境下，陶瓷層和黏結層之間還會產生熱生長氧化層。 

圖  1  熱障涂層結構組成示意

基于掃頻渦流技術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、電導率等自身參數相關。并且，掃頻渦流技術基于渦流的趨膚效應，選用頻率隨時間變化的連續電流為激勵電流，通過連續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，渦流檢測傳感器產生的感應電動勢將出現拐點，其幅值變化比其他頻率響應信號的幅值變化更大，據此檢測到多層結構的電導率、磁導率細微變化引起的感應電動勢波動，然后通過“數據挖掘”功能，實現多層結構件的厚度測量。 

2.   檢測設備

用于渦輪葉片熱障涂層厚度測量的掃頻渦流儀結構主要包括掃頻激勵發生模塊、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“渦流數據挖掘”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據采集卡的量程相匹配，便于后續得到更精確的采集處理數據。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、疊加等多種數據融合處理功能，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的精度有著決定性的影響，而探頭的結構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，必須控制線圈匝數的數量，實現探頭小型化。檢測探頭采用傳統的圓柱形線圈結構；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、高度、線徑等結構參數變化會對測厚信號產生影響，分別對3個參數進行仿真優化研究，確定陶瓷層測厚線圈結構參數。通常黏結層和基體電磁參數、結構參數為定常量，對不同范圍內的陶瓷層厚度進行參數化掃描，分別研究上述參數變化對品質因數、陶瓷層厚度、黏結層厚度信號的影響，確定檢測探頭選用漆包線線徑及線圈外徑、內徑、高度、匝數等結構參數。檢測探頭采用了彈壓式結構，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。探頭結構如圖2所示。 

圖  2  探頭結構示意

4.   對比試件

對比試件的噴涂材料和多層涂層結構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，黏結層材料為NiCrAlY，采用等離子噴涂技術制備，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，根據已知涂層厚度的試塊調整儀器的頻率范圍、掃頻點數、濾波、相位和靈敏度等參數，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（包括黏結層和陶瓷層）涂層厚度的標定曲線。其次，根據待測對比試件的涂層面積、曲率及檢測精度要求，規劃布置檢測點。接著，對規劃的監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據。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據對比分析，得出每個檢測點的涂層厚度值。儀器厚度測量數據與對比試件標定值的比較如表1所示。從表1中數據可知，陶瓷層測量值與陶瓷層標定值數值接近，最大偏差僅為12.1%；黏結層測量值與黏結層標定值數值相差較大，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黏結層測量值誤差偏大，可能是黏結層是導電材料，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.   結論

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

（1）在超高頻掃頻模式下，掃頻渦流技術不僅能夠測量熱障涂層的整體厚度，還能區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。 

（3）專業化的儀器硬件設計及信號處理算法，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“數據挖掘”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