2020各類涂層的檢測技術介紹及對比分析

各類涂層的檢測技術介紹及對比分析目前，歐美發(fā)達國家在無損檢測領域開展了大量的研究和一定的應用，美國能源部為了滿足燃氣輪機和航空發(fā)動機渦輪熱端部件材料的研制發(fā)展需求，設置了DOENTEL計劃，其中重點針對復合涂層監(jiān)測、測試及性能表征的無損檢測技術開展了研究，發(fā)展了聲發(fā)射技術、紅外熱成像技術、光激發(fā)熒光壓電光譜等無損檢測技術，并系統(tǒng)的開展了無損檢測信號和涂層性能、特征變化的規(guī)律性研究。目前，紅外熱成像技術針對陶瓷涂層分層剝離，聲發(fā)射技術針對模擬服役環(huán)境中涂層裂紋監(jiān)測等研究取得了一定進展錯誤!未找到引用源。。渦流檢測技術可用于涂層內(nèi)部大面積氣孔、TGO層中伕AI2O3層的厚度以及陶瓷層的剩余厚度檢測，進而定性分析涂層的狀態(tài)和剩余壽命。國內(nèi)外目前均已研制出涂層厚度渦流檢測儀，并且國外已經(jīng)成功將其應用于燃氣輪機葉片涂層質(zhì)量檢測，但該方法大多數(shù)研究應用還集中在單層涂層的厚度測量，很少考慮多層涂層的導電性對厚度測量的影響，測量精度低，尚無法應用于多層導電涂層檢測。2.1超聲檢測技術(UT)超聲波在介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生傳播速度的變化和能量損失，超聲檢測技術(UT)通過被檢材料中超聲波的聲速、聲衰減、超聲波信號的頻散等參量對材料的成分及特性進行表征。超聲檢測技術具有檢測靈敏度高、應用范圍廣、使用方便及成本低等優(yōu)點。目前，關于涂層超聲檢測研究方法主要集中在超聲脈沖回波技術、超聲顯微鏡技術和超聲表面波技術錯誤!未找到引用源。。超聲檢測技術可用于涂層厚度、密度、彈性模量以及結(jié)合質(zhì)量等檢測。了解涂層聲學特性是涂層超聲檢測與表征的前提，在此方面，Lescribaa錯誤涂層聲學特性是涂層超聲檢測與表征的前提，在此方面，Lescribaa錯誤!未找到引用源。等分析了等離子噴涂MCrAIY/YSZ涂層聲速和衰減系數(shù)，證明該技術具有檢測等離子噴涂材料彈性和微觀結(jié)構演變的潛力； Sugasawa等通過引入群延遲譜法分析材料聲學特性并將其用于等離子噴涂氧化鋁涂層檢測，成功評估了聲速和涂層密度；針對噴涂涂層聲學特性，Roge和Fahr等利用超聲脈沖回波技術探索了其對陶瓷層和粘結(jié)層界面氧化物、陶瓷層孔隙率評估的能力 (檢測原理如圖2-1所示)。Chen等通過開發(fā)的脈沖回波技術對熱循環(huán)后等離子噴涂 MCrAIY/YSZ涂層進行超聲波檢測，證明了該技術可以檢測陶瓷層/TGO界面早期分層缺陷

圖2-1超聲波脈沖回波技術檢測原理和 TBC樣品典型超聲波信號國內(nèi)大連理工大學、北京理工大學對復合涂層超聲檢測進行了系列研究。其中大連理工大學關于涂層超聲無損檢測研究成果較多，采用該技術對涂層厚度、彈性模量、密度和脫粘缺陷等進行了無損表征這些研究成果對于實際工程應用具有重要價值。近些年，山東省科學院激光研究所聯(lián)合大連理工大學對EB-PVD復合涂層中TGO層超聲檢測開展了研究，后續(xù)又提出一種非接觸式激光超聲檢測技術用以表征粘結(jié)層質(zhì)量，進一步發(fā)掘了超聲檢測在復合涂層應用的潛力。 北京理工大學在超聲顯微技術表征涂層結(jié)合強度方面進行了深入研究， 并且已經(jīng)聯(lián)合上海材料研究所等單位制定了《無損檢測涂層結(jié)合強度超聲檢測方法》國家標準。復合涂層具有多層結(jié)構、厚度較小且不均勻，不僅超聲信號受到時間和頻率的限制，而且增加了超聲信號提取、分析和處理的困難。涂層的性能受其制備方法、工藝參數(shù)等多種條件影響，這些因素使得超聲檢測難以獲得統(tǒng)一的彈性模量、密度等力學、物理性能數(shù)據(jù)，降低了涂層檢測的可靠性。除此之外，傳統(tǒng)超聲檢測一般需將被測件浸入水中，在實際發(fā)動機部件的應用范圍受限。未來復合涂層超聲無損檢測方法需在提高超聲檢測時間與頻率分辨力、 信號分析處理技術方面繼續(xù)發(fā)展，進一步提高涂層檢測精度，增強檢測結(jié)果可靠性。2.2聲發(fā)射技術（AE）材料發(fā)生變形或產(chǎn)生裂紋時會釋放出應變能，進而產(chǎn)生聲發(fā)射信號 （應力波），聲發(fā)射技術（AE）是一種采用聲發(fā)射儀器檢測聲發(fā)射信號、分析信號并對聲發(fā)射源進行確定的技術。通過采集構件破壞前期的聲發(fā)射信號，分析采集信號的特征，從而達到動態(tài)檢測構件聲發(fā)射源狀態(tài)、評價損傷狀況、預測損傷發(fā)展趨勢的目的。AE技術具有動態(tài)實時檢測、對材料缺陷敏感的特點。AE技術是首先用于定性和定量評價復合涂層系統(tǒng)YSZ退化過程的無損檢測方法。在復合涂層（熱障涂層）發(fā)展早期階段，裂紋擴展對復合涂層的壽命起決定性作用。裂紋的產(chǎn)生和演變會產(chǎn)生噪音，通過AE技術監(jiān)測噪聲響應，可對復合涂層進行實時檢測、預測涂層使用壽命。目前，國內(nèi)外學者對 AE技術復合涂層無損檢測的應用范圍和相關理論做了大量研究。湘潭大學通過AE技術分別研究了處于熱循環(huán)和高溫CMAS腐蝕下復合涂層的失效模式，獲得了涂層損傷行為與聲發(fā)射信號的關系；Park等利用聲發(fā)射技術對高溫熱疲勞下的復合涂層損傷進行了診斷，結(jié)果表明 TGO中的應力及微裂紋是產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源頭；Renusch等基于聲發(fā)射技術，對復合涂層循環(huán)氧化過程進行監(jiān)測并建立了復合涂層損傷動力學模型，為預測涂層壽命提供了理論基礎。近些年，為解決傳統(tǒng) AE設備傳感器受高溫環(huán)境限制的問題，日本Kaita等采用新型非接觸激光AE技術，實現(xiàn)了大氣等離子噴涂技術制備復合涂層陶瓷層過程的實時監(jiān)控 （如圖2-2所示），進一步拓展了AE技術的應用范圍。目前，AE技術存在采集的信號信息復雜、數(shù)據(jù)處理困難和理論分析不夠完善等問題，距復合涂層檢測的工程化應用尚存在一定距離。AE技術未來在復合涂層檢測的發(fā)展應用需要更先進的傳感器和更先進的信號分析系統(tǒng)。2.3紅外熱成像技術（IRT）紅外熱成像技術（IRT）是一種基于瞬態(tài)熱傳導的無損檢測方法。樣品內(nèi)部缺陷會影響熱量傳遞，導致表面溫度分布不均，IRT技術通過紅外熱像儀記錄表面的熱像圖，識別出樣品損傷，其原理如圖2-3所示。根據(jù)紅外輻射來源，紅外熱成像分為兩類：主動式紅外熱成像 （外部加載產(chǎn)生熱激勵）和被動式紅外熱成像（試樣本身的紅外輻射）。主動式紅外熱成像根據(jù)加熱方式的不同，分為脈沖熱成像、調(diào)制熱成像、階躍熱成像、輻射熱成像等，其中最常用的是脈沖熱成像和調(diào)制熱成像。圖2-3紅外熱成像原理圖IRT技術已經(jīng)在國外達到了工程化應用水平，如美國TWI公司在紅外熱像檢測方法領域?qū)崿F(xiàn)標準化[7];德國西門子公司應用紅外熱成像手段實現(xiàn)了對燃氣輪機渦輪葉片熱障涂層實時在線監(jiān)測，并建立了在線狀態(tài)評估模型。目前，IRT技術主要用于檢測涂層厚度、涂層裂紋和脫粘。Shrestha等利用脈沖熱成像和調(diào)制熱成像技術檢測 非均勻復合涂層的厚度，結(jié)果表明，脈沖成像精度為0.3~2.3ym，其檢測速度比調(diào)制熱成像快，且精度更高?；诿}沖紅外熱成像技術，Tang等通過將主成分分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡理論相結(jié)合的方式來識別 復合涂層脫粘缺陷，結(jié)果表明對于直徑與深度比為 1.2~4.0的脫粘缺陷，預測誤差為4%~10%，證明了IRT技術能夠定量檢測復合涂層脫粘缺陷。在涂層壽命預測研究方面，Bison等通過分析涂層平面方向和厚度方向熱擴散系數(shù)規(guī)律，采用紅外熱成像系統(tǒng)確立了熱擴散系數(shù)衰減與涂層剩余循環(huán)壽命之間關系； Newaz等采用IRT技術確立了熱循環(huán)過程中涂層分層與熱信號幅值的關系，驗證結(jié)果表明IRT技術可以評估復合涂層的損傷程度，并能夠監(jiān)測其健康狀態(tài)；首都師范大學、中國農(nóng)機院采用IRT技術分別對熱循環(huán)、模擬服役環(huán)境過程中的復合涂層的狀況進行監(jiān)測并分析了涂層損傷機理，實現(xiàn)了不同失效模式下，對涂層的破損趨勢的評估與預測。IRT技術具有單次檢測面積大、檢測結(jié)果直觀、檢測效率高和非接觸等優(yōu)點，但是這種方法測試一般需要測試件被加熱，涂層的厚度和導熱系數(shù)都會影響檢測精度。目前IRT技術對于復合涂層的檢測結(jié)果集中于對損傷的定性評價。 隨著熱激勵技術、熱成像技術和圖像處理技術的發(fā)展，IRT技術的檢測精度將繼續(xù)提高，推動熱障涂層IRT技術由定性檢測向定量檢測發(fā)展。2.4阻抗譜技術（IS）當前服役熱障涂層壽命的影響因素中，TGO層的產(chǎn)生、演化及其損傷具有關鍵作用。在涂層失效之前評估涂層損傷（尤其是TGO層）狀態(tài)對預測涂層剩余壽命至關重要，而AE和IRT技術都不能對TGO層的微觀結(jié)構演化進行檢測，故發(fā)展出了阻抗譜和光激發(fā)熒光壓電光譜技術。阻抗譜檢測技術是利用材料或器件阻抗的交流頻率響應來檢測材料損傷與破壞的一種技術，其原理見圖2-4圖2-4阻抗譜法設備原理圖復合涂層阻抗譜檢測可以分為兩種，即高溫干燥環(huán)境中應用的阻抗譜法 （IS）和電解液中測量使用的電化學阻抗譜法 （EIS）。兩者在復合涂層無損檢測方面各具優(yōu)勢，如EIS在測量過程中，電解液能夠滲入復合涂層 的孔洞、微裂紋等缺陷，EIS在檢測復合涂層的孔隙率、孔的尺寸和形狀、甚至機械性能等方面具有很大的優(yōu)勢。Sohn［8］等采用EIS技術測量復合涂層中液體電解質(zhì)的阻抗變化，確定了復合涂層微觀結(jié)構演化與電化學阻抗響應之間的關系。 GomezGarcia等［9］采用EIS技術將恒溫氧化后復合涂層阻抗譜響應與其機械性能相關聯(lián)，證明該技術有能力評估復合涂層的微觀結(jié)構的退化和機械性能的衰減。IS在表征YSZ、TGO以及兩者界面處微觀結(jié)構和組成成分的演變方面具有優(yōu)勢。Ogawa等首次應用IS技術研究了大氣等離子噴涂復合涂層退化過程中反應層的形成和YSZ陶瓷層中裂紋的檢測。在此基礎上，Xiao等應用IS技術監(jiān)測了恒溫氧化下TGO的演化、YSZ面層的燒結(jié)和相變、TGO和粘結(jié)層的界面裂紋擴展，為預測服役期間復合涂層剩余壽命奠定了基礎。近些年，國內(nèi)在復合涂層阻抗譜檢測方面也取得了一定成果。 廣東工業(yè)大學采用IS技術系統(tǒng)研究了高溫氧化條件下熱障涂層微觀結(jié)構，獲得了阻抗譜值隨TGO厚度及陶瓷層微觀結(jié)構變化規(guī)律。北京航空航天大學利用 IS技術研究了基體曲率與熱障涂層結(jié)合強度的關系、CMAS沉積物對涂層微觀結(jié)構的影響以及恒溫氧化過程中TGO的演化。為了減少阻抗譜法檢測誤差，湘潭大學 對不同阻抗譜測量條件進行了數(shù)值分析，確定了測量誤差和電極尺寸之間的關系，消除了電場發(fā)散影響。阻抗譜檢測技術在復合涂層無損檢測應用具有檢測速度快、檢測范圍廣的優(yōu)

點。但由于復合涂層的復雜多層結(jié)構，系統(tǒng)中多個元素的阻抗響應往往相互重疊，IS檢測強烈依賴于電極的尺寸和接觸面積，這些都影響著復合涂層阻抗譜檢測精度。除此之外，阻抗譜檢測屬于接觸式檢測，也限制了其未來在熱障涂中的廣泛應用。2.5光激發(fā)熒光壓電光譜技術 （PLPS）材料內(nèi)部發(fā)射的某些拉曼光或熒光會隨著物體內(nèi)部的應力變化產(chǎn)生移動和變形，光激發(fā)熒光壓電光譜技術（PLPS）通過測定TGO中某離子（通常是Cr3+）受光激發(fā)后產(chǎn)生R1和R2雙峰型熒光光譜，進而根據(jù)特征頻率的改變量得到應力值，其原理如圖2-5所示?；谏鲜鲈?，PLPS可以直接測量TGO中的局部彈性應變能，定量分析涂層剝落之前的局部損傷程度，預測涂層剩余壽命。20世紀90年代，美國Clarke等首次采用PLPS技術對復合涂層進行無損檢測［10］，隨后該技術在復合涂層領域的研究工作逐步深入化。 Wen等［11］使用PLPS技術檢測EB-PVD/（Ni，Pt）AI熱障涂層中TGO層，通過探測樣品內(nèi)部微裂紋激發(fā)產(chǎn)生的光信號，實現(xiàn)了對微裂紋等缺陷存在位置的精準化測量。 Wang等采用PLPS技術研究熱循環(huán)時葉片上復合涂層中殘余應力，為揭示表面曲率對應力演變和涂層失效行為奠定了基礎。T日5Ei?n圖2-5圖2-5光激發(fā)熒光壓電光譜技術原理圖和典型含Cr的aAI2O3層內(nèi)無應力（虛線）和有應力（實線）的R1/R2熒光光譜圖PLPS在高溫涂層無損檢測方面的研究與應用主要集中在 EB-PVD復合涂層。激光在熱噴涂制備的復合涂層孔穴和晶界處易發(fā)生散射作用， 反射的信號較弱，無法實現(xiàn)精確測量。EB-PVD沉積的復合涂層具有柱狀晶的結(jié)構特點，信號容易穿透，反射信號強。近些年，為開拓PLPS技術在熱噴涂復合涂層無損檢測領域的應用，Lima等采用優(yōu)化PLPS數(shù)據(jù)收集參數(shù)方法評估大氣等離子噴涂復合涂層中TGO中的殘余應力。結(jié)果表明，該方法能夠定量測量 TGO內(nèi)的殘余應力。Yang等采用PLPS技術測量PS-PVD復合涂層中的殘余應力，證明了其可用于表征PSPVD涂層的非破壞性檢測。目前，PLPS檢測結(jié)果的準確性還有待提高，未來需通過降低激光入射距離、減小儀器噪聲干擾、增加不同測試點等手段提高測量結(jié)果的準確性。2.6太赫茲時域光譜技術 (THz-TDS)太赫茲波通常指頻率在0.1~10THz范圍內(nèi)的電磁波。太赫茲波的波長處于毫米波和紅外線之間，屬于遠紅外波段或亞毫米波段。太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和低能性等特點，在安全檢查、醫(yī)療診斷和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。圖2-6太赫茲時域光譜系統(tǒng)基本原理通過太赫茲脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)是目前廣泛使用的一種測量手段，其原理如圖7所示oTHzTDS利用樣品THz反射或透射光譜信息(圖2-7中左側(cè)虛線矩形框為反射模式，右側(cè)虛線矩形框為透射模式)，同時獲得THz脈沖的振幅和相位信息，經(jīng)頻域變換后直接獲取折射率、吸收系數(shù)等與樣本本質(zhì)相關的光譜信息。相比于其它傳統(tǒng)的光譜干涉檢測技術或微波檢測技術THz-TD技術不需要K-K變換(Kramers-KronigAnalysis)來提取材料光學參數(shù)，不僅減少了計算量，而且提高了檢測結(jié)果的可靠性和精度。THz-TDS在復合涂層檢測中的應用THz-TDS技術具有光學常數(shù)提取方便、非電離、非破壞性、成像分辨率高和能夠深度成像等優(yōu)點，在復合涂層陶瓷層無損檢測方面具有廣闊的應用前景。THz-TDS技術在無損檢測方面的應用已經(jīng)得到公。 THz-TDS技術可以實現(xiàn)對復合涂層涂層厚度的精準化測量。Fukuchi等［12］通過THz-TDS測量樣本的折射率，根據(jù)太赫茲波在陶瓷層表面相鄰兩次反射之間的時間差 (如圖2-7所示)計算涂層厚度。結(jié)果表明，此方法測定的六個復合涂層樣品厚度 (300~620卩m)與顯微鏡測量厚度吻合。為提高THz-TDS技術測量精度，Krimi［13］等提出了一種陶瓷層厚度測量自校準方法。該方法對于厚度為 311ym涂層，測量最大偏差約3ym，即相對偏差約為1%o在復合涂層退化檢測方面，Chen等運用THzTDS技術對TGO層、陶瓷層與金屬層界面缺陷的演化過程進行了研究，證明了THz-TDS技術具有預測渦輪葉片熱障涂層故障的潛力；White等研究了THz-TDS成像技術在復合涂層領域的應用，通過對航空發(fā)動機渦輪葉片復合涂層進行二維成像，分辨出 YSZ層的異常區(qū)域。Watanabe等通過THz-TDS評估等離子噴涂復合涂層陶瓷層的透射率和介電性能，表明THz-TDS技術不僅適用于YSZ復合涂層微觀結(jié)構的無損評估，而且可以檢測高溫環(huán)境中涂層燒結(jié)導致的微觀結(jié)構變化 （如致密化）。ND1ufITIRTISnfIII/-TDSDcr&hy.modut加ofCiacfciThickofdclKb.fUilc wida..Prln'liDflcluticily.ihicknns,kwldelamihjiwn.屮ullingunder眈kii鍛ikluniitutuxi.cltheQualityTGOJI呂dcyradjdonofYSZofTGOTGOYSZ圖2-7不同復合（熱障）涂層無損檢測方法檢測能力2.7無損探測技術在未來的發(fā)展一些復合涂層服役環(huán)境惡劣復雜，其失效機理異常復雜，同時自身具有多相、多界面、非均質(zhì)等特征，尋找合適的無損檢測技術開展涂層失效研究以及制備態(tài)、服役態(tài)涂層質(zhì)量評估具有極其重要的意義。 國外已經(jīng)將紅外、渦流等技術用于發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層檢測及評估，構建了涂層狀態(tài)及剩余壽命評估模型，我國也陸續(xù)開展相關研究，但仍然存在一定的差距，并在相關基礎研究項目支撐下逐步縮小這一急需、關鍵技術的差距。單一的某種無損檢測技術并不能綜合評定影響熱障涂層質(zhì)量和使役性能的所有內(nèi)在因素，如厚度均勻性分布、不可容忍的缺陷、厚度、界面應力等等，往往需要采用多種檢測技術針對性的研究開發(fā)和數(shù)據(jù)積累