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引 言

燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)（簡稱“兩機(jī)”）作為新一代動(dòng)力裝置，是集氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精密技術(shù)加工、先進(jìn)材料及制造等高新科技于一身的多學(xué)科交叉領(lǐng)域。其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)更是被譽(yù)為“皇冠上的明珠”，其研發(fā)及制造水平代表著一個(gè)國家的工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)力和綜合科技水平。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為母型機(jī)改型制造的輕、重型燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)被應(yīng)用于發(fā)電、船舶動(dòng)力等重要領(lǐng)域。

目前，世界民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)商主要是英國羅羅（RR）、美國通用電氣（GE）和普惠（PW）。重型燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商則主要是GE、日本三菱（MHI）和德國西門子。而我國在兩機(jī)核心技術(shù)方面的自主技術(shù)創(chuàng)新能力仍然欠缺，隨著我國“兩機(jī)專項(xiàng)”的全面推進(jìn)，我國科研人員正全力以赴趕超歐美國家的制造水平，爭取早日實(shí)現(xiàn)“彎道超車”生產(chǎn)出中國研發(fā)、中國制造的“中國燃機(jī)”。

近年來，燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度在不斷提高。目前，日本三菱重工研發(fā)的M501J型燃?xì)廨啓C(jī)的透平進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了1600°C（圖1），而高推重比戰(zhàn)斗機(jī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度甚至可以達(dá)到2000°C以上。然而，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)高溫部分的鎳基合金極限工作溫度通常不超過1000°C，因此對高溫部件，特別是透平動(dòng)葉片的熱防護(hù)，是保證燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命和熱效率的重要課題。

圖1 J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

熱障涂層（thermal barrier coatings，TBCs）是合金葉片熱防護(hù)的一種有效途徑。顧名思義，熱障涂層就是在合金葉片表面制備一層“熱的障礙”，從而實(shí)現(xiàn)對合金葉片的保護(hù)。目前，先進(jìn)的熱障涂層可以使合金表面溫度下降200~300°C。

熱障涂層通常具有雙層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括承擔(dān)了絕大部分溫度梯度的陶瓷層，約為100~400 μm，近年來國際上的燃機(jī)高溫葉片熱障涂層都向厚膜方向發(fā)展（美國GE及日本三菱的高溫涂層厚度都大于1 mm）。在陶瓷層與基體之間提供結(jié)合強(qiáng)度的合金粘結(jié)層，約為100 μm。高溫環(huán)境下，氧穿過陶瓷層與合金過渡層中的金屬元素結(jié)合，在陶瓷層和合金黏結(jié)層的界面處形成一層以α-Al2O3為主的熱生長氧化層（TGO）。通常，熱障涂層主要是指陶瓷層的部分。

圖2 合金葉片表面熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖

 

熱障涂層材料的性能要求與失效機(jī)理

除了承擔(dān)內(nèi)部高達(dá)1°C/μm的溫度梯度外，熱障涂層還需要承擔(dān)高溫?zé)嵫h(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變，抵抗夾雜顆粒物的高速?zèng)_擊以及高溫燃?xì)獾臒峄瘜W(xué)腐蝕。為了保持優(yōu)異的熱防護(hù)效果和使用壽命，熱障涂層材料需要具備以下關(guān)鍵性能：

1低熱導(dǎo)率

低熱導(dǎo)率是熱障涂層材料最重要的性能，是熱障涂層熱防護(hù)能力的關(guān)鍵。據(jù)報(bào)道，在現(xiàn)役熱障涂層材料的基礎(chǔ)上，熱導(dǎo)率降低50%，可以使合金基體表面的溫度下降約55°C，從而極大地延長合金部件的使用壽命。因此，降低熱導(dǎo)率仍然是提高熱障涂層材料隔熱能力的主要途徑，也是熱障涂層材料的研究重點(diǎn)。

2高溫?zé)岱€(wěn)定性

高穩(wěn)定性是熱障涂層長時(shí)間服役的基礎(chǔ)，包含了豐富的內(nèi)涵。首先，熱障涂層材料需要具有較高的熔點(diǎn)，在高溫燃?xì)庵胁话l(fā)生熔化、軟化和蠕變等失效情況；其次，在室溫到燃?xì)鉁囟戎g的范圍內(nèi)，要求材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生分解和結(jié)構(gòu)突變；此外，在高溫條件下長時(shí)間工作時(shí)，熱障涂層需要保持穩(wěn)定的顯微結(jié)構(gòu)，例如晶粒尺寸和氣孔率，因此熱障涂層材料需要具備較高的抗燒結(jié)性；最后，熱障涂層材料還需要抵抗來自于空氣中灰塵的CaO-MgO-Al2O3-SiO2混合氧化物的化學(xué)腐蝕（CMAS腐蝕）。

3高熱膨脹系數(shù)

在高溫?zé)嵫h(huán)過程中，陶瓷層、黏結(jié)層與合金基體之間熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)在二者界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致熱障涂層開裂剝落，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。合金葉片采用的鎳基高溫合金的熱膨脹系數(shù)約為16×106 K-1，遠(yuǎn)高于熱障涂層材料的熱膨脹系數(shù)。因此，提高熱障涂層材料的熱膨脹系數(shù)也是提高其性能的鍵。

4優(yōu)異的綜合力學(xué)性能

熱障涂層材料的服役環(huán)境極為苛刻，除了良好的穩(wěn)定性和熱學(xué)性能，優(yōu)異的綜合力學(xué)性能也是保證熱障涂層使用壽命的關(guān)鍵。

其中，適當(dāng)?shù)母哂捕扔欣谔岣咄繉拥挚诡w粒物高速?zèng)_蝕的能力；較低的彈性模量可以提高涂層對拉伸應(yīng)力的承受能力，彌補(bǔ)熱障涂層與合金基體之間熱膨脹系數(shù)的不匹配；較高的斷裂韌性和強(qiáng)度則會(huì)有效降低涂層中裂紋擴(kuò)展的速率，抑制涂層開裂，從而延長熱障涂層的循環(huán)壽命。

熱障涂層在服役環(huán)境中不僅承受著高溫、高壓的燃?xì)猓疫€承受著高熱流輸入、高溫度梯度、應(yīng)力梯度、離心力等作用。因此，熱障涂層失效機(jī)理復(fù)雜，EVANS和LEVI等總結(jié)了電子束物理氣相沉積（EB-PVD）熱障涂層的失效機(jī)制，如圖3所示。

圖3 當(dāng)前熱障涂層典型失效機(jī)理示意圖

內(nèi)部因素主要指熱障涂層體系中各層熱膨脹系數(shù)的不匹配、熱生長氧化物（TGO）產(chǎn)生后引起的界面裂紋、陶瓷層的燒結(jié)等；外部環(huán)境因素主要包括高溫沖蝕失效和CMAS腐蝕失效等。

圖4 大氣等離子噴涂（APS）涂層中的4種裂紋存在形式示意圖及其截面顯微形貌

圖5 CMAS腐蝕EB-PVD涂層示意圖及其顯微形貌

 

熱障涂層的無損檢測

由于熱障涂層具有特殊的微結(jié)構(gòu)和多界面、多相特點(diǎn)，同時(shí)在惡劣的服役環(huán)境下涂層存在組織結(jié)構(gòu)退化、微裂紋萌生擴(kuò)展、熱物性和力學(xué)性能退化、涂層減薄、TGO生長、應(yīng)力水平變化等現(xiàn)象，傳統(tǒng)的涂層質(zhì)量評價(jià)和性能表征多依靠破壞式檢測和模擬服役環(huán)境測試，亟待在制備態(tài)涂層質(zhì)量控制及涂層服役階段狀態(tài)診斷方面發(fā)展簡單可行和快捷的無損檢測方法。

歐美發(fā)達(dá)國家在無損檢測領(lǐng)域開展了大量的研究和一定的應(yīng)用，美國能源部為了滿足燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件材料的研制發(fā)展需求，設(shè)置了DOE-NTEL計(jì)劃，其中重點(diǎn)針對熱障涂層監(jiān)測、測試及性能表征的無損檢測技術(shù)開展了研究，發(fā)展了聲發(fā)射技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、光激發(fā)熒光壓電光譜等無損檢測技術(shù)，并系統(tǒng)的開展了無損檢測信號(hào)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(shù)針對陶瓷涂層分層剝離，聲發(fā)射技術(shù)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(jìn)展。渦流檢測技術(shù)可用于涂層內(nèi)部大面積氣孔、TGO層中β-Al2O3層的厚度以及陶瓷層的剩余厚度檢測，進(jìn)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，但該方法大多數(shù)研究應(yīng)用還集中在單層涂層的厚度測量，很少考慮多層涂層的導(dǎo)電性對厚度測量的影響，測量精度較低。

熱障涂層具有多層、多界面和多相結(jié)構(gòu)，其性能變化與制備材料、工藝及工藝參數(shù)密切相關(guān)，且其在服役過程中不斷發(fā)生退化（陶瓷層的燒結(jié)及相變、裂紋缺陷的產(chǎn)生等），這些因素使得維持熱障涂層無損檢測技術(shù)測量涂層性能的準(zhǔn)確度變得極其困難，如對于渦流檢測，陶瓷層厚度檢測受粘結(jié)層影響；對于紅外熱成像檢測，檢測精度受涂層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)影響。針對熱障涂層生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制和服役過程中的維修問題，目前熱障涂層無損檢測研究主要集中在厚度測量、缺陷檢測和涂層剩余壽命評估方面。

1超聲檢測

超聲檢測（UT）技術(shù)具有檢測靈敏度高、應(yīng)用范圍廣、使用方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，關(guān)于涂層超聲檢測研究方法主要集中在超聲脈沖回波技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)和超聲表面波技術(shù)。

超聲檢測技術(shù)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(xué)特性是涂層超聲檢測與表征的前提，在此方面，Lescribaa等分析了等離子噴涂MCrAlY/YSZ涂層聲速和衰減系數(shù)，證明該技術(shù)具有檢測等離子噴涂材料彈性和微觀結(jié)構(gòu)演變的潛力；Sugasawa等通過引入群延遲譜法分析材料聲學(xué)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(xué)特性，Rogé和Fahr等利用超聲脈沖回波技術(shù)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6所示。

圖6 超聲波脈沖回波技術(shù)檢測原理和TBC樣品典型超聲波信號(hào)

Chen等通過開發(fā)的脈沖回波技術(shù)對熱循環(huán)后等離子噴涂MCrAlY/YSZ涂層進(jìn)行超聲波檢測，證明了該技術(shù)可以檢測陶瓷層/TGO界面早期分層缺陷。

韓國成均館大學(xué)對APS熱障涂層試樣進(jìn)行了水浸UT，結(jié)合適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理和分析技術(shù)，獲得了涂層界面層離的掃描圖像，并利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型對層離程度進(jìn)行了評價(jià)。

國內(nèi)大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)等都對熱障涂層超聲檢測進(jìn)行了系列研究。大連理工大學(xué)基于超聲波反射系數(shù)振幅譜，同時(shí)得到了EB-PVD熱障涂層試樣的涂層厚度及其縱向波速，進(jìn)而根據(jù)超聲波反射系數(shù)相位譜，實(shí)現(xiàn)了對涂層密度的無損檢測。此后，采用超聲反射系數(shù)振幅譜評價(jià)EB-PVD熱障涂層中TGO的生長情況，發(fā)現(xiàn)氧化引起的TGO演化改變了陶瓷層與其相鄰介質(zhì)之間的聲阻抗匹配關(guān)系，并提出可采用諧振頻移確定TGO厚度。

北京理工大學(xué)在超聲顯微鏡技術(shù)表征涂層結(jié)合強(qiáng)度方面進(jìn)行了深入研究，并且已經(jīng)聯(lián)合上海材料研究所有限公司等單位制定了《無損檢測涂層結(jié)合強(qiáng)度超聲檢測方法》國家標(biāo)準(zhǔn)。

熱障涂層具有多層結(jié)構(gòu)、厚度較小且不均勻，不僅超聲信號(hào)受到時(shí)間和頻率的限制，而且增加了超聲信號(hào)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(xué)、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(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)部件的應(yīng)用范圍受限。

未來熱障涂層超聲無損檢測方法需在提高超聲檢測時(shí)間與頻率分辨力、信號(hào)分析處理技術(shù)方面繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步提高涂層檢測精度，增強(qiáng)檢測結(jié)果可靠性。

2聲發(fā)射

聲發(fā)射（AE）檢測技術(shù)具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測、對材料缺陷敏感的特點(diǎn)，是首先用于定性和定量評價(jià)TBCs系統(tǒng)中YSZ退化過程的無損檢測方法。

圖7 AE檢測原理

在TBCs發(fā)展早期階段，裂紋擴(kuò)展對TBCs的壽命起決定性作用。裂紋的產(chǎn)生和演變會(huì)產(chǎn)生噪音，通過AE技術(shù)監(jiān)測噪聲響應(yīng)，可對熱障涂層進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、預(yù)測涂層使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者對AE技術(shù)熱障涂層無損檢測的應(yīng)用范圍和相關(guān)理論做了大量研究。湘潭大學(xué)通過AE技術(shù)分別研究了處于熱循環(huán)和高溫CMAS腐蝕下熱障涂層的失效模式，獲得了涂層損傷行為與聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)系。

Park等利用聲發(fā)射技術(shù)對高溫?zé)崞谙碌腡BCs損傷進(jìn)行了診斷，結(jié)果表明TGO中的應(yīng)力及微裂紋是產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的源頭；Renusch等基于聲發(fā)射技術(shù)，對TBCs循環(huán)氧化過程進(jìn)行監(jiān)測并建立了TBCs損傷動(dòng)力學(xué)模型，為預(yù)測涂層壽命提供了理論基礎(chǔ)。

近些年，為解決傳統(tǒng)AE設(shè)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了大氣等離子噴涂技術(shù)制備TBCs陶瓷層過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控（圖8），進(jìn)一步拓展了AE技術(shù)的應(yīng)用范圍。

圖8 激光聲發(fā)射測量設(shè)備檢測熱噴涂過程

AE技術(shù)存在采集的信號(hào)信息復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理困難和理論分析不夠完善等問題，距熱障涂層檢測的工程化應(yīng)用尚存在一定距離。AE技術(shù)未來在熱障涂層檢測的發(fā)展應(yīng)用需要更先進(jìn)的傳感器和更先進(jìn)的信號(hào)分析系統(tǒng)。

3紅外熱成像

紅外熱成像技術(shù)（IRT）是一種基于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的無損檢測方法。樣品內(nèi)部缺陷會(huì)影響熱量傳遞，導(dǎo)致表面溫度分布不均，IRT技術(shù)通過紅外熱像儀記錄表面的熱像圖，識(shí)別出樣品損傷，其原理如圖9所示。

圖9 紅外熱成像原理圖

根據(jù)紅外輻射來源，紅外熱成像分為兩類：主動(dòng)式紅外熱成像（外部加載產(chǎn)生熱激勵(lì)）和被動(dòng)式紅外熱成像（試樣本身的紅外輻射）。主動(dòng)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。

IRT技術(shù)已經(jīng)在國外達(dá)到了工程化應(yīng)用水平，如美國TWI公司在紅外熱像檢測方法領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化；德國西門子公司應(yīng)用紅外熱成像手段實(shí)現(xiàn)了對燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片熱障涂層實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并建立了在線狀態(tài)評估模型。

目前，IRT技術(shù)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(shù)檢測非均勻TBCs的厚度，結(jié)果表明，脈沖成像精度為0.3~2.3 μm，其檢測速度比調(diào)制熱成像快，且精度更高。

基于脈沖紅外熱成像技術(shù)，Tang等通過將主成分分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方式來識(shí)別TBCs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(yù)測誤差為4%~10%，證明了IRT技術(shù)能夠定量檢測TBCs脫粘缺陷。

在涂層壽命預(yù)測研究方面，Bison等通過分析涂層平面方向和厚度方向熱擴(kuò)散系數(shù)規(guī)律，采用紅外熱成像系統(tǒng)確立了熱擴(kuò)散系數(shù)衰減與涂層剩余循環(huán)壽命之間關(guān)系；Newaz等采用IRT技術(shù)確立了熱循環(huán)過程中涂層分層與熱信號(hào)幅值的關(guān)系，驗(yàn)證結(jié)果表明IRT技術(shù)可以評估TBCs的損傷程度，并能夠監(jiān)測其健康狀態(tài)。

首都師范大學(xué)、中國農(nóng)機(jī)院采用IRT技術(shù)分別對熱循環(huán)、模擬服役環(huán)境過程中的TBCs的狀況進(jìn)行監(jiān)測并分析了涂層損傷機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了不同失效模式下，對涂層的破損趨勢的評估與預(yù)測。

北京理工大學(xué)開發(fā)了一種激光多模式掃描熱成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對熱障涂層表面裂紋位置和形狀的快速檢測，在線掃描階段可以快速檢測到寬度大于20 μm的表面裂紋，而在點(diǎn)掃描階段可以準(zhǔn)確檢測到9.5 μm寬的表面裂紋。

IRT技術(shù)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(diǎn)，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(dǎo)熱系數(shù)都會(huì)影響檢測精度。目前IRT技術(shù)對于TBCs的檢測結(jié)果集中于對損傷的定性評價(jià)。隨著熱激勵(lì)技術(shù)、熱成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，IRT技術(shù)的檢測精度將繼續(xù)提高，推動(dòng)熱障涂層IRT技術(shù)由定性檢測向定量檢測發(fā)展。

4阻抗譜

當(dāng)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(guān)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(yù)測涂層剩余壽命至關(guān)重要，而AE和IRT技術(shù)都不能對TGO層的微觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行檢測，故發(fā)展出了阻抗譜和光致熒光光譜（PLPS）技術(shù)。

阻抗譜檢測技術(shù)是利用材料或器件阻抗的交流頻率響應(yīng)來檢測材料損傷與破壞的一種技術(shù)，其原理見圖10。

圖10 阻抗譜法設(shè)備原理圖

TBCs阻抗譜檢測可分為兩種，即高溫干燥環(huán)境中應(yīng)用的阻抗譜法（IS）和電解液中測量使用的電化學(xué)阻抗譜法（EIS）。

兩者在TBCs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TBCs的孔洞、微裂紋等缺陷，EIS在檢測TBCs的孔隙率、孔的尺寸和形狀、甚至機(jī)械性能等方面具有很大的優(yōu)勢。

Sohn等采用EIS技術(shù)測量TBCs中液體電解質(zhì)的阻抗變化，確定了TBCs微觀結(jié)構(gòu)演化與電化學(xué)阻抗響應(yīng)之間的關(guān)系。Gómez-García等采用EIS技術(shù)將恒溫氧化后TBCs阻抗譜響應(yīng)與其機(jī)械性能相關(guān)聯(lián)，證明該技術(shù)有能力評估TBCs的微觀結(jié)構(gòu)的退化和機(jī)械性能的衰減。

IS在表征YSZ、TGO以及兩者界面處微觀結(jié)構(gòu)和組成成分的演變方面具有優(yōu)勢。Ogawa等首次應(yīng)用IS技術(shù)研究了大氣等離子噴涂TBCs退化過程中反應(yīng)層的形成和YSZ陶瓷層中裂紋的檢測。在此基礎(chǔ)上，Xiao等應(yīng)用IS技術(shù)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(kuò)展，為預(yù)測服役期間TBCs剩余壽命奠定了基礎(chǔ)。

近些年，國內(nèi)在TBCs阻抗譜檢測方面也取得了一定成果。廣東工業(yè)大學(xué)采用IS技術(shù)系統(tǒng)研究了高溫氧化條件下TBCs微觀結(jié)構(gòu)，獲得了阻抗譜值隨TGO厚度及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

北京航空航天大學(xué)利用IS技術(shù)研究了基體曲率與熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系、CMAS沉積物對涂層微觀結(jié)構(gòu)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(xué)對不同阻抗譜測量條件進(jìn)行了數(shù)值分析，確定了測量誤差和電極尺寸之間的關(guān)系，消除了電場發(fā)散影響。

阻抗譜檢測技術(shù)在TBCs無損檢測應(yīng)用具有檢測速度快、檢測范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但由于TBCs的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中多個(gè)元素的阻抗響應(yīng)往往相互重疊，IS檢測強(qiáng)烈依賴于電極的尺寸和接觸面積，這些都影響著TBCs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(yīng)用。

5光致熒光光譜

材料內(nèi)部發(fā)射的某些拉曼光或熒光會(huì)隨著物體內(nèi)部的應(yīng)力變化產(chǎn)生移動(dòng)和變形，光致熒光光譜（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(jìn)而根據(jù)特征頻率的改變量得到應(yīng)力值，其原理如圖11所示。

圖11 PLPS原理示意圖和典型含Cr的α-Al2O3層內(nèi)無應(yīng)力（虛線）和有應(yīng)力（實(shí)線）的R1/R2熒光光譜圖

基于上述原理，PLPS可以直接測量TGO中的局部彈性應(yīng)變能，定量分析涂層剝落之前的局部損傷程度，預(yù)測涂層剩余壽命。

20世紀(jì)90年代，美國加州大學(xué)的Clarke等首次采用PLPS技術(shù)對TBCs進(jìn)行無損檢測，隨后該技術(shù)在TBCs領(lǐng)域的研究工作逐步深入化。

Wen等使用PLPS技術(shù)檢測EB-PVD/(Ni, Pt)Al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(hào)，實(shí)現(xiàn)了對微裂紋等缺陷存在位置的精準(zhǔn)化測量。

Wang等采用PLPS技術(shù)研究熱循環(huán)時(shí)葉片上TBCs中殘余應(yīng)力，為揭示表面曲率對應(yīng)力演變和涂層失效行為奠定了基礎(chǔ)。

PLPS在高溫涂層無損檢測方面的研究與應(yīng)用主要集中在EB-PVD TBCs。激光在熱噴涂制備的TBCs孔穴和晶界處易發(fā)生散射作用，反射的信號(hào)較弱，無法實(shí)現(xiàn)精確測量。EB-PVD沉積的TBCs具有柱狀晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，信號(hào)容易穿透，反射信號(hào)強(qiáng)。

近些年，為開拓PLPS技術(shù)在熱噴涂TBCs無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)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TBCs中TGO中的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，該方法能夠定量測量TGO內(nèi)的殘余應(yīng)力。Yang等采用PLPS技術(shù)測量PS-PVD TBCs中的殘余應(yīng)力，證明了其可用于表征PS-PVD涂層的非破壞性檢測。

 美國康涅狄格大學(xué)通過采用激發(fā)/接收同軸光纖與高精度拉曼/熒光光譜儀相集成的方式，研發(fā)出一套適用于渦輪葉片熱障涂層無損檢測與質(zhì)量控制的便攜式PLPS裝置，并對比分析了不同材料體系下TGO殘余應(yīng)力均值、方差以及PLPS信號(hào)中無應(yīng)力強(qiáng)度比等特征參數(shù)與涂層剩余壽命間的關(guān)聯(lián)。此后，意大利CESI公司對上述裝置進(jìn)行了改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了一種適用于狹小空間的L形孔探光纖探頭，實(shí)現(xiàn)了對渦輪葉片熱障涂層的原位檢測。 

目前，PLPS檢測結(jié)果的準(zhǔn)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(diǎn)等手段提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6太赫茲時(shí)域光譜

通過太赫茲脈沖可以分析材料的性質(zhì)，其中太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）是目前廣泛使用的一種測量手段，其原理如圖12所示。相比于其它傳統(tǒng)的光譜干涉檢測技術(shù)或微波檢測技術(shù)，THz-TDS技術(shù)不需要K-K變換來提取材料光學(xué)參數(shù)，不僅減少了計(jì)算量，而且提高了檢測結(jié)果的可靠性和精度。

圖12 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)基本原理

THz-TDS技術(shù)具有光學(xué)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(diǎn)，在TBCs陶瓷層無損檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

 Fukuchi等通過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(shí)間差Δt計(jì)算涂層厚度，如圖13所示。結(jié)果表明，此方法測定的6個(gè)TBCs樣品厚度（300~620 μm）與顯微鏡測量厚度吻合。

圖13 太赫茲波在TBCs陶瓷層中的多次反射和典型的反射波形

為提高THz-TDS技術(shù)測量精度，Krimi等提出了一種陶瓷層厚度測量自校準(zhǔn)方法。該方法對于厚度為311 μm涂層，測量最大偏差約3 μm，即相對偏差約為1%。

在TBCs退化檢測方面，Chen等運(yùn)用THz-TDS技術(shù)對TGO層、陶瓷層與金屬層界面缺陷的演化過程進(jìn)行了研究，證明了THz-TDS技術(shù)具有預(yù)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(shù)在TBCs領(lǐng)域的應(yīng)用，通過對航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片TBCs進(jìn)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TBCs陶瓷層的透射率和介電性能，表明THz-TDS技術(shù)不僅適用于YSZ-TBCs微觀結(jié)構(gòu)的無損評估，而且可以檢測高溫環(huán)境中涂層燒結(jié)導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化（如致密化）。

目前，THz-TDS對熱障涂層的無損檢測處于起步階段，存在理論模型有待完善、檢測成像速度低和成像分辨率有待提高等問題。然而，鑒于太赫茲在塑料、泡沫和復(fù)合樹脂等無損檢測領(lǐng)域取得的豐碩成果，THz-TDS技術(shù)在未來TBCs無損檢測中將發(fā)揮重要作用。

7渦流檢測

渦流法是基于電磁感應(yīng)原理，通過測量線圈阻抗或感應(yīng)電壓的變化來反映待測對象材料屬性，主要用于檢測熱障涂層厚度以及內(nèi)部缺陷，可細(xì)分為脈沖渦流（PEC）檢測技術(shù)與渦流熱成像（ECT）技術(shù)。

PEC檢測技術(shù)也稱為暫態(tài)渦流檢測技術(shù)，通過在線圈中通入恒定電流或電壓，在待測構(gòu)件中產(chǎn)生穩(wěn)定磁場，當(dāng)斷開輸入時(shí)，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生電磁場，該電磁場由直接從線圈中耦合出的一次電磁場和構(gòu)件中感應(yīng)出的渦流場產(chǎn)生的二次電磁場兩部分疊加而成。后者包含了待測構(gòu)件厚度或缺陷等信息，采取合適的檢測元件和方法對二次場進(jìn)行測量、分析，即可得到待測構(gòu)件信息。目前該技術(shù)已應(yīng)用于EB-PVD熱障涂層陶瓷層厚度和黏結(jié)層厚度及電導(dǎo)率等參數(shù)的測量。

ECT技術(shù)是一種將電磁感應(yīng)生熱和瞬態(tài)紅外熱成像相互結(jié)合的混合檢測技術(shù)，可在相對較大區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速有效的缺陷檢測和材料特征提取。當(dāng)檢測線圈通入高頻交變電流時(shí)，待測導(dǎo)電材料內(nèi)產(chǎn)生渦流，而待測材料中的缺陷一般呈現(xiàn)出高阻態(tài)，其存在會(huì)改變電流分布，在缺陷區(qū)域產(chǎn)生焦耳熱，通過熱像儀捕捉變化的熱信號(hào)，經(jīng)采集終端處理后即可實(shí)現(xiàn)對表面或近表面缺陷檢測。目前該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)對帶熱障涂層平板/圓片試件中預(yù)制黏結(jié)層表面脫黏缺陷（φ2 mm）和陶瓷層盲孔缺陷（φ0.5 mm）以及真實(shí)渦輪葉片中預(yù)制脫黏缺陷（φ2 mm、φ3mm）的無損檢測。

8計(jì)算機(jī)斷層成像

計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）法是利用X射線照射待測對象，獲得對象在不同角度的X射線吸收襯度，通過反投影重構(gòu)待測對象的三維形貌（圖14），可以清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示熱障涂層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺陷，但檢測成本相對較高，并且由于設(shè)備空間限制，通常只能采用小型試樣。

圖14 CT原理示意

普惠公司、伯明翰大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)先后將CT技術(shù)應(yīng)用于EB-PVD與APS熱障涂層小試樣的形貌表征，重建了涂層系統(tǒng)的三維微觀模型，識(shí)別出陶瓷層、黏結(jié)層以及TGO及缺陷等微觀結(jié)構(gòu)特征，為各層厚度測量、裂紋/缺陷評價(jià)等提供了精準(zhǔn)的可視化信息。

 

熱障涂層無損檢測發(fā)展趨勢

熱障涂層服役環(huán)境惡劣復(fù)雜，其失效機(jī)理異常復(fù)雜，同時(shí)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(shù)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(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層檢測及評估，構(gòu)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(guān)研究，但仍然存在一定的差距，并在相關(guān)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目支撐下逐步縮小這一急需、關(guān)鍵技術(shù)的差距。 

目前，任何一種無損檢測方法都不能實(shí)現(xiàn)對TBCs進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的檢測。對TBCs的全面評估需結(jié)合不同無損檢測方法在特定檢測對象上的優(yōu)勢。對不同TBCs無損檢測方法的檢測能力進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

表1 不同熱障涂層無損檢測方法檢測能力

熱障涂層的無損檢測技術(shù)發(fā)展至今，部分測試技術(shù)尚存在理論模型不完善、檢測流程復(fù)雜、檢測效率低、數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)處理算法不完善等一系列問題。

無損檢測技術(shù)對熱障涂層性能表征、使役狀態(tài)評估和剩余壽命預(yù)測至關(guān)重要，也是熱障涂層失效研究中關(guān)鍵輔助手段。通過對相關(guān)無損檢測技術(shù)在熱障涂層領(lǐng)域研究應(yīng)用的總結(jié)回顧，對未來熱障涂層無損檢測技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展趨勢展望如下：

1開發(fā)高精度、低成本和高效率的無損檢測技術(shù)，并推動(dòng)其工程化應(yīng)用。

進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)傳感器技術(shù)，提高表征測試精度；構(gòu)建相關(guān)涂層微結(jié)構(gòu)-性能-無損檢測信號(hào)關(guān)聯(lián)和規(guī)律，集成發(fā)展涂層質(zhì)量無損檢測專用平臺(tái)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)在渦輪葉片表面涂層質(zhì)量評估領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

2發(fā)展工藝過程中涂層質(zhì)量在線評估技術(shù)。

發(fā)展涂層制備工藝過程中的在線檢測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測諸如涂層厚度、彈性模量、微結(jié)構(gòu)特征等，實(shí)現(xiàn)涂層制備過程相關(guān)參數(shù)與涂層關(guān)鍵特性參數(shù)耦合反饋控制，使工藝參數(shù)閉環(huán)控制。 

3發(fā)展無損檢測信號(hào)處理技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法，構(gòu)建熱障涂層無損檢測數(shù)據(jù)庫。

進(jìn)一步結(jié)合熱障涂層特點(diǎn)和特性，發(fā)展無損檢測信號(hào)處理技術(shù)，優(yōu)化相關(guān)分析算法，形成熱障涂層特征信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法，構(gòu)建熱障涂層無損檢測數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)涂層性能表征評價(jià)。

4大力發(fā)展涂層的使役狀態(tài)評估方法和剩余壽命評估模型。

基于無損檢測技術(shù)，綜合考慮使用和服役過程中涂層狀態(tài)衰減及表面狀態(tài)變化，構(gòu)建涂層使用壽命、性能衰減和無損檢測信號(hào)對應(yīng)關(guān)系和模型，發(fā)展涂層剩余壽命評估模型，推動(dòng)無損檢測技術(shù)在涂層使役狀態(tài)評估中的應(yīng)用。

5熱障涂層無損檢測的智能化。

發(fā)展無損檢測信號(hào)的模擬成像技術(shù)，直觀反饋涂層厚度方向界面微結(jié)構(gòu)特征；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)涂層異常信號(hào)的自動(dòng)判別和篩選。