一种测量叶片热障涂层厚度的方法及装置与流程

1.本发明是一种测量叶片热障涂层厚度的方法及装置，属于无损检测与评价技术领域。


背景技术：

2.叶片上涂覆热障涂层是提高发动机性能的重要手段之一。利用具有良好隔热性能的热障涂层可延缓和阻隔燃气热流量向高温合金材料传导，对基体进行隔热和保护，使得用热障涂层制成的发动机涡轮叶片能够在更高的使用环境温度下运行，从而提高涡轮前进口温度，有效提高燃气涡轮测热效率，并延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的厚度关系到热障涂层与基体的结合强度、热障涂层的隔热效果以及整个系统的使用寿命。目前发动机叶片热障涂层厚度缺少有效、非破坏性测量技术，无法对实物进行测量，影响热障涂层隔热效果评价和服役可靠性。


技术实现要素：

3.本发明正是针对上述现有技术状况和工程需求提出了一种测量叶片热障涂层厚度的方法及装置，其目的是为涡轮叶片上热障涂层厚度测量提供有效的检测方法及设备。
4.本发明技术方案在研究之初提出的对热障涂层进行无损测厚的检测的要求是：
5.1、热障涂层测量精度不低于15％；热障涂层的厚度从几十微米到几百微米，热障涂层的厚度在叶片的不同部位也有一定差异，为了比较准确的掌握热障涂层厚度均匀性，需要对测厚的测量精度提出较高要求；
6.2、对曲面有一定的适用性；由于涡轮叶片表面为双曲面，型面复杂，因而采用的无损检测方法需要对曲面有一定的适用性；
7.3、有一定的检测效率。
8.针对上述要求，本发明提出了以下技术方案：
9.本发明技术方案提出了一种测量叶片热障涂层厚度的方法，该方法的步骤如下：
10.步骤一、制作一系列不同热障涂层厚度的试片，然后按下式1的e指数函数拟合出每片试片的降温曲线；
11.y＝a(1) a(2)exp(-a(3)x)
ꢀꢀ
式1
12.步骤二、对各个试片进行破坏性观测，得到检测点处的实际厚度值，然后按下式2的e指数函数拟合出系数a(3)与不同厚度的对应关系，将该系数a(3)定义为e指数衰减系数；
13.f(x)＝a
×
exp(bx)
ꢀꢀ
式2
14.式中：f(x)为热障涂层厚度值，x为a(3)，a和b为系数；
15.步骤三、对制备有热障涂层的待测试片进行测量并按上述式1的e指数函数拟合出待测试片的降温曲线，计算其中的e指数衰减系数a(3)值，将该e指数衰减系数a(3)值代入上述式2中计算出待测试片的热障涂层厚度。
16.在实施中，该方法中所述试片的降温曲线采用闪光灯激励红外热像法测量完成。
17.在实施中，所述闪光灯激励红外热像法同时记录热像仪采集到的闪光前、闪光中和闪光后表面温度场变化的数据，数据长度不少于1秒，采集频率不低于300hz。
18.上述技术方案的提出是通过实验发现在热障涂层红外热像检测过程中降温曲线较其他函数而言，更符合e指数函数所描述的过程。而在大量不同厚度的热障涂层实验中，发现不同厚度热障涂层对应的降温曲线存在不同，但是没有发现与热障涂层厚度存在明显的指示关系。于是将降温曲线进行了形如式1的拟合，其中系数a(1)、a(2)和a(3)确定了该函数的基本形式。为了进一步找出这三个系数与热障涂层厚度之间可能存在的对应关系。通过对不同厚度热障涂层的降温曲线拟合，分别得到一系列与热障涂层厚度对应的a(1)、a(2)和a(3)值。然后分别构建热障涂层厚度与a(1)、a(2)和a(3)的散点图。通过分析发现，只有a(3)与热障涂层厚度存在单调对应关系,见图5。依据实验数据，分析了a(3)与热障涂层厚度可能存在的对应关系，发现接近式2所确定的函数关系，其中x为a(3)，f(x)为热障涂层厚度值，a和b为系数。至此得出了系数a(3)反映了热障涂层厚度的结论，并将系数a(3)定义为e指数衰减系数，e指数衰减系数a(3)在此处不仅仅是一个系数，而是与热障涂层厚度密切相关的特征量。该e指数衰减系数a(3)与热障涂层厚度存在较为明确的单调关系，是热障涂层厚度的指示性参数，反映了厚度的变化，通过后续实验验证发现该e指数衰减系数a(3)对厚度变化较为敏感，在60-100微米的范围能给出的测厚精度较高。e指数衰减系数a(3)与热障涂层厚度的存在对应关系以及对这个关系进行的数学表达是本发明技术方案的最重要的特征及技术措施。
19.本发明技术方案还提出了一种实现上述测量叶片热障涂层厚度的方法的装置，该装置包括探测装置1、探测装置转台2、z轴3、z轴支撑座4、叶片夹具5、叶片旋转台6、xy轴平移台7和基座8，其中：
20.探测装置1通过螺钉紧固在探测装置转台2上，探测装置转台2通过螺钉紧固在z轴3的z轴滑板31上，z轴3通过螺钉紧固在z轴支撑座4上，z轴支撑座4通过螺钉紧固在基座8上；
21.叶片夹具5通过螺钉紧固在叶片旋转台6上，叶片旋转台6通过螺钉紧固在xy轴平移台7上，xy轴平移台7通过螺钉紧固在基座8上；
22.探测装置1随探测装置转台2在竖直面内转动，探测装置1和探测装置转台2随z轴滑板31沿z轴方向上下移动，叶片夹具5随叶片旋转台6在水平面内进行转动，xy轴平移台7使叶片旋转台6和叶片夹具5分别沿x轴和y轴方向做直线移动。
23.在实施中，所述探测装置1由闪光灯箱11和长波红外热像仪12组成，长波红外热像仪12通过螺钉紧固在闪光灯箱11上。
24.在实施中，探测装置转台2、z轴3、叶片旋转台6和xy轴平移台7通过5轴联动实现曲面跟踪检测。
25.在实施中，z轴3和xy轴平移台7为直线运动轴，行程大于150mm，采用精密滚珠丝杠 直线运动导轨结构，由高精度伺服电机直接驱动。
26.在实施中，探测装置转台2和叶片旋转台6由高精度伺服电机直接驱动。
27.上述装置通过采用高能闪光灯加热、高性能红外热像仪配以镜头，实现对热障涂层检测，通过特定的实验数据处理方法计算出测量点处的热障涂层厚度。通过5轴自动联动
系统，调整探测装置相对测量点的位置和角度，实现对曲面检测的适用性，由于红外热像检测具有单次检测面积大的特点，从而保证了高检测效率。
28.该装置能够根据叶片的型面特征和检测要求按指定的机械运行轨迹进行扫查。每次到达指定的测量点，控制闪光灯进行触发，同时红外热像仪进行数据采集。当采集完成后，提取测量点处的红外热成像辐射强度曲线。
29.本发明技术方案的优点是：
30.1、通过被检测点处的降温曲线(辐射强度衰减曲线)的e指数衰减系数a(3)与热障涂层厚度存在较为明确的函数关系，通过测量、计算未知热障涂层厚度的e指数衰减系数a(3)，代入a(3)与厚度的函数关系式中，从而计算出对应的热障涂层厚度；
31.2、通过5轴自动联动系统，调整探测装置的位置和角度，实现对曲面检测的适用性及自动检测；
32.3、通过闪光灯箱的大面积加热和红外热像仪焦平面的面阵采集，实现单次大面积的检测，从而保证了高检测效率。
附图说明
33.图1为本发明技术方案所述装置的结构示意图
34.图2为图1的俯视图
35.图3为本发明技术方案所述装置中探测装置的结构示意图
36.图4为本发明技术方案中实验数据的降温曲线拟合示意图
37.图5为温度衰减系数与tbc厚度的关系
38.图6为本发明在另一实施中的四块已知厚度试片的实验数据及拟合曲线
39.图7为本发明在另一实施中的e指数衰减系数a(3)与实际涂层厚度的拟合曲线
40.图8为本发明在另一实施中的e指数衰减系数a(3)与实际涂层厚度的拟合表达式
具体实施方式
41.以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
42.参见附图1～3所示，测量叶片热障涂层厚度的装置由探测装置1、探测装置转台2、z轴3、z轴支撑座4、叶片夹具5、叶片旋转台6、xy轴平移台7和基座8组成，探测装置1由闪光灯箱11和长波红外热像仪12组成，探测装置1通过螺钉紧固在探测装置转台2，探测装置转台2通过螺钉紧固在z轴滑板31上，z轴3通过螺钉紧固在z轴支撑座4，z轴支撑座4通过螺钉紧固在基座8上。叶片专用夹具5通过螺钉紧固在叶片旋转台6，叶片旋转台6通过螺钉紧固在xy轴平移台7上，xy轴平移台7通过螺钉紧固在基座8上。长波红外热像仪12通过螺钉紧固在闪光灯箱11上。通过软件控制探测装置1随探测装置转台2在竖直面内转动，控制探测装置1和探测装置转台2随z轴滑板31沿z轴方向上下移动。通过软件控制叶片专用夹具5随叶片旋转台6在水平面内进行转动，控制xy轴平移台7使叶片旋转台6和叶片专用夹具5分别沿x轴和y轴方向做直线移动。通过软件控制探测装置转台2、z轴3、叶片旋转台6和xy轴平移台7等5轴，通过5轴联动实现曲面跟踪检测。
43.z轴3和xy轴平移台7为直线运动轴，行程不少于150mm，采用精密滚珠丝杠 直线运动导轨结构，采用高精度伺服电机直接驱动。探测装置转台2和叶片旋转台6，由高精度伺服
电机直接驱动。
44.采用上述装置测量叶片热障涂层厚度的方法的过程如下：
45.首先将待测的叶片通过叶片夹具5安装、定位在叶片旋转台6上，然后控制探测装置转台2、z轴3、叶片旋转台6和xy轴平移台75轴联动，将探测装置1对准待测叶片部位。触发闪光灯闪光进行激励，同时记录热像仪采集到的闪光前、闪光中和闪光后表面温度场变化的数据，数据长度不少于1秒，采集频率不低于300hz。数据保存后，通过测量分析软件将该数据进行如下处理：
46.小波去噪；
47.截取数据，剔除闪光前数据点和闪光中的饱和数据点；
48.非线性e指数拟合，对其余数据进行函数表达式为：y＝a(1) a(2)exp(-a(3)x)的e指数拟合，实验得到的数据点和拟合后的曲线示例见图4,得到a(3)值；
49.计算热障涂层厚度，将上述a(3)值代入预先建立的e指数衰减系数a(3)值与热障涂层厚度的函数关系式：f(x)＝a
×
exp(bx)中，计算出对应的热障涂层厚度f(a(3))；
50.通过5轴联动将探测装置1对准下一处待测部位，进行下一次检测。
51.曾对一组标称厚度分别为60um、80um、100um和120um的试片进行检测，得到的实验数据点和拟合后的曲线见图6。对这组试片在测量点处进行解剖，通过光学显微镜观测得到其对应的实际厚度，见表1，表1中同时给出了各个试片对应的e指数衰减系数a(3)。拟合出a(3)值与厚度的函数关系式，拟合后的曲线见图7，函数关系式见图8。
52.表1试片上热障涂层实际厚度和对应的e指数衰减系数a(3)
53.