基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展

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1、航空学报AclaAeronaulicaetAstronauIicaSinicaFeb252016V01．37No2429-436ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．educn基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展郭伟，董丽虹*，王慧鹏，徐滨士中国人民解放军装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京100072摘要：主动红外热像技术作为一种新型无损检测手段，具有高效率、无污染、易操作等特点，适合用于材料表面和近表面缺陷检

2、测，因此在叶片类薄壁零件损伤评价方面有一定优势。当前基于主动红外热像无损检测技术的高温涡轮叶片损伤评价研究主要集中于热障涂层厚度检测、涂层脱粘检测、涂层界面处热生长氧化物检测以及叶片基体疲劳裂纹检测4个方面。但现有研究仍然面临热激励理论不完善、红外热像仪识别精度不够高以及热图处理方法有待改进等主要问题和困难。随着这些理论问题和技术困难的解决，主动红外热像技术呈现出人工识别缺陷向自动识别发展、定性检测向定量检测发展的趋势。总体而言，该技术未来在涡轮叶片损伤评价方面具有较大的应用潜力。关键词：涡轮叶片；热障涂

3、层；红外热像技术；损伤评估；研究现状中图分类号：V250．2文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一0429—08高温涡轮叶片主要包括航空发动机涡轮叶片和燃气轮机涡轮叶片。该类零件的共同特点是服役环境恶劣，除高强度热冲击外，还要在极高温度下承受交变应力、高速冲击等复杂载荷，其最高工作温度超过了叶片合金材料本身可以承受的范围，所以在基体合金表面制备热障涂层(ThermalBarrierBoating，TBC)保护叶片基体结构，以提高涡轮叶片的使用温度，延长叶片服役寿命口]。高温涡轮叶片一

4、旦失效，往往会导致严重后果，因此在叶片检修时必须通过无损评价手段准确判断叶片的结构完整性，及时发现并预防危害性故障，提高发动机工作安全性，这是航空发动机故障诊断领域一直关注的问题[2]。主动红外热像技术作为一种新型无损检测技术近年来受到广泛关注，与其他无损检测技术相比，其在高温涡轮叶片损伤评价方面具有一定优势，越来越多的研究成果也表明该技术在叶片类零件损伤评价方面具有良好的应用前景。1高温涡轮叶片的主要损伤形式高温涡轮叶片的主要失效形式有热障涂层剥落和叶片基体疲劳断裂两种。目前广泛应用的TBC多采用双层结

5、构，表层是以Zr02为主的陶瓷层(TopCeramicCoating，TCC)，起隔热作用；陶瓷层与叶片合金基体之间为金属粘结层(BondCoating，BC)，起改善基体与陶瓷涂层物理相容性的作用。热障涂层剥落会使剥落区基体材料暴露在高温环境中，力学性能降低，无法承受工作载荷[3]。大量研究表明导致热障涂层在服役过程中剥落的主要因素包括残余应力、高温氧化、冲蚀与外界物体的撞击损伤和热氧化物(ThermallyGrownOxide，TGO)的堆积收稿日期：2015．01．19：退修日期：2015—03—1

6、0；录用日期：2015-04-07；网络出版时间：2015-04-1314：04网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／11．1929．V．201504131404．005．h仃nI基金项目：国家“973”计划(2011CB013401)*通讯作者．Tel．：010-66718540E-rnail：Iihong．dong@126．∞m}

7、甩格武t郭伟。董葫虹．王慧鹅．等i基f红外热像技术的谓轮叶片损伤评价研究进展￡J-．航空学报．2016．37(2)：429．436iGUOW，DONG

8、LH，wANGHP，eta

9、．Res∞fch。f09re髓ol出mageestimationforlufbineb

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12、ogytJ]．AclaAeronamicaetAs打onaulicas{nlca．2016．37(2)：429-436．430航空学报等[4。5]。涂层中的残余应力会导致陶瓷层分层剥落以及与粘结层的脱粘；粘结层的高温氧化会导致其与陶瓷层结合界面脱粘[61；高温气流的冲蚀会导致厚度减小，隔热性能下降；外界物体的冲击同样

13、会导致涂层剥落；叶片高温服役过程中在涂层界面上形成的热氧化物会增加涂层界面处的残余应力，导致涂层脱粘。因而针对热障涂层的损伤评价主要是对陶瓷层剩余厚度、陶瓷层脱粘、热生长氧化物3种损伤形式的检测评估[7]。高温涡轮叶片疲劳断裂是由于在苛刻的服役环境下承受高温、高压、巨大离心力、腐蚀、振动等复杂载荷，叶片根部和边缘等应力最大区域易产生疲劳裂纹[8]，如果继续服役，疲劳裂纹扩展最终导致叶片断裂。2主动红外热像无损评价技术主动红外热