基于涡流法的航空发动机关键部件热障涂层厚度测量试验研究

肖力伟 ， 谢建红 ， 宋 凯 ,*， 赵本勇 ， 崔西明

（1.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌 330063；2.中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

随着航空发动机的飞速发展，其关键部件需具有极好的耐高温、抗腐蚀性以及良好的抗热氧化等性能的防护涂层[1-3]。热障涂层（Thermal barrier coating，简称TBC）作为目前高温防护性能最佳的防护涂层之一，在极其恶劣的环境下能保护基体材料的性能，一般采用少量氧化钇稳定化的氧化锆作为陶瓷表层和MCrAlY（M 为Co、Ni、Fe 或者Ni Co）金属粘接层作为底层构成的双层结构[4-9]。对于航空发动机的关键部件，若涂层过薄，则对基体材料的保护效果不佳；若涂层过厚，将会导致材料内部的应力过大，涂层与基体材料之间的结合强度偏低，使得涂层容易脱落；因此，精确测量TBC 厚度对航空发动机安全运行具有重要的研究意义。

目前，国内外许多学者对于涡流法涂层测厚方面开展了大量的研究，取得了不少研究成果。Röper.F[10]建立了具备非铁磁性金属薄层测厚和电导率测量功能的系统，针对10～200 μm 的金属薄层进行仿真和测量试验，结果表明两者的试验结果很吻合。Bihan.Y.L[11]研究了多层厚度检测中的多参数检测，并研究了三维有限元法在厚度计算中的应用。李长青等[12]利用涡流法针对25～250 μm 的铝薄层和25～500 μm 的不锈钢薄层进行测量试验，试验表明,选用适当的低频用涡流法可有效对非铁磁性金属薄层进行测量。张莉萍等[13]采用Labview 软件并结合电涡流传感器研制了涡流测厚系统，实现单层涂层厚度的测量，获得较好的测量结果。以上研究的涡流测厚系统大多对单层涂层厚度具有较好的测量结果，而测量多层涂层厚度时采用的算法过于复杂，并不适用于工业上的实际测量。

本研究针对航空发动机关键部件的双层涂层厚度开展测量，研制弹压式涡流测厚探头，分析TBC 结构中粘接层与陶瓷层厚度对电压幅值的影响规律，基于多频多参数涡流测量方法构建反演模型，并将模型反演结果与实测结果进行对比验证，以实现TBC 厚度的有效测量。

1 热障涂层多频多参数涡流法测厚原理

图1 涡流检测原理图Fig.1 Principle of eddy current testing

当通有交变电流的线圈靠近涂覆有TBC 被测工件时，如图1 所示，在电磁感应的作用下，当线圈接近被测工件时，被测工件感生出与交变磁场B1垂直的感应涡流I2，I2会产生与交变磁场B1反向的次级磁场B2，B1、B2叠加形成合磁场，进而在线圈中诱发的电压与被测涂层的厚度、电导率等自身参数相关。对于金属基体涂覆的单层涂层，直接在单一频率的激发下利用涡流法的提离效应即可测量涂层厚度，而航空发动机关键部件涂覆的TBC 为双层涂层，单一频率涡流法已经无法识别各涂层的厚度，需要采用多频多参数方法测量。多频多参数法是将多个频率的激励信号作用在涡流传感器上，提取多个频率的测量信号，通过对测量信号的处理获得需测量的多个参数，即对涡流传感器施加n 个不同的激励频率，获得n 个独立方程，通过n 个独立方程反演n 个待测参数。对于TBC 材料厚度的测量，需采用双频率激励方式，则可实现双层涂层厚度测量。如图2 所示，设激励频率分别为f1、f2，陶瓷层和粘接层的厚度分别为h1、h2，热障涂层厚度变化会引起电压幅值的改变，其存在线性影响规律。

图2 TBC 厚度的多频测量模型Fig.2 Multi-frequency measurement model of TBC thickness

当激励频率为f1时，TBC 厚度涡流响应幅值U1可表示为：

式中，kx、ux分别为陶瓷层厚度变化引起的涡流信号幅值斜率和截距。

式（1）中的kx、ux可表示为：

式中：k1、b1分别为kx的斜率与截距；k2、b2分别为ux的斜率与截距。

将式(2)、式(3)代入式(1)，可得：

类似地，当激励频率为f2时，ky和uy为陶瓷层厚度变化引起的涡流信号幅值斜率和截距，可获得陶瓷层厚度h1和粘接层厚度h2的涡流响应幅值：

式中，k3、b3、k4、b4分别为ky的斜率与截距及uy的斜率与截距。

由式（4）、式（5）可得到一个二元二次方程组，求解该方程组即可获得陶瓷层厚度h1和粘接层厚度h2。

2 试验过程

2.1 试验材料

试块基体为高温合金GH1140，粘接层材料为NiCrAlY，采用等离子喷涂技术制备，表面涂层为陶瓷层，材质为ZrO2。陶瓷层材质不具有导电性，测量时可利用标准薄膜片替代，标准薄膜片如图3所示。

图3 标准薄膜片Fig.3 Standard film sheet

试块分3 种类型：类型1 为不含涂层的基体试块（1#试块），用于基体测试标定；类型2 为含粘接层试块（2#～7#），粘接层厚度通过控制NiCrAlY喷涂量形成，依次为100、120、140、160、180、200 μm，用于热障涂层的粘接层标定；类型3 为含粘接层试块（8#～10#），粘接层厚度未知，可对热障涂层进行测量验证，如图4a 所示。试块为正方形，其有效区域为60 mm×60 mm，粘接层有效区域为60 mm×42 mm，把粘接层等量划分为3 个区域，测量时进行分区测量，如图4b 所示。

图4 对比试块及测试区域Fig.4 Test block and its coating measurement area

试块基体、粘接层属导电材质，基体电导率利用Auto-Sigma3000DL 便携式电导仪常规频率测量结果为0.8 Ms/m，粘接层附属在基体上，难以单独测量，选用如图4a 所示的2#～10#粘接层试块，其平均测量结果为0.82 Ms/m，与基体电导率相比增大了0.02 Ms/m，说明粘接层具有一定的导电性。

2.2 涡流法测量系统与方法

涂层测厚仪主要由函数发生器、前置放大相敏检波、平衡滤波、数字相位旋转、可增益放大、计算机和涡流传感器组成，如图5 所示。为避免探头的提离效应对测量结果的影响，研制弹压式涡流测厚探头，线圈排布如图6 所示，其中磁芯为锰锌铁氧体，平衡线圈和检测线圈的参数一致，线圈匝数为200 匝，线径为0.1 mm，线圈内外径分别为3.0、5.0 mm，线圈高度为3.0 mm，两线圈的间距为1.5 mm，探头的具体参数见表1，探头的实物图如图7 所示。

图5 涡流测量系统Fig.5 Eddy current measurement system

图6 探头类型Fig.6 Probe type

图7 涡流探头Fig.7 eddy current probe

由于TBC 是双层涂层结构，故采用双频激励的方式，试验选用150、200、250 kHz 的激励频率，利用不同厚度的粘接层和标准薄膜片进行组合的方式进行线性拟合，将粘接层厚度作为影响标准薄膜片厚度测量拟合函数斜率及截距因素，选取2 个最佳激励频率为测量频率，对TBC 厚度进行测量。

表1 线圈参数Table 1 Coil parameters

2.3 多频多参数涡流法测厚试验

试块粘接层厚度为0.10～0.20 mm（间隔0.02 mm），陶瓷层厚度为0.10～0.45 mm（间隔0.05 mm），开展测试试验提取涡流探头电压幅值，保持粘接层厚度不变，在150、200、250 kHz 激励频率下，获得关于电压幅值与标准薄膜片的拟合直线，如图8～图10 所示。

从图8～图10 可以看出：当激励频率为200 kHz 时，在粘接层厚度为0.16～0.20 mm 时，其斜率拟合的线性度不高，故不选其作为测量频率；当激励频率为150、250 kHz 时，其拟合函数有较高的线性度，在粘接层的厚度固定的条件下，电压幅值随着陶瓷层厚度的递增而增加；同时，随着粘接层的厚度的增加，电压幅值随陶瓷层厚度变化拟合函数的斜率减小，但其拟合函数的截距增大。

当激励频率为150 kHz 时，TBC 厚度反演函数为：

当激励频率为250 kHz 时，TBC 厚度反演函数为：

选取厚度值为300（薄膜1）、325（薄膜2）、350（薄膜3）μm 的标准薄膜片，用以模拟试块的陶瓷层，分别放置在8#、9#、10#试块的粘接层上。在区域I、II、III 分别选取一个测量点，坐标依次为(30，10)、(30，20)、(30，30)，验证涂层厚度的均匀性，电压幅值的测量结果如图11 所示。将每个区域所得的平均幅值代入式（1）、式（2）中，获得粘接层h1和陶瓷层h2的厚度，如图12 所示。

图8 在150 kHz 频率下热障涂层厚度测量结果Fig.8 Measurement results of TBC thickness at 150 kHz

图9 在200 kHz 频率下热障涂层厚度测量结果Fig.9 Measurement results of TBC thickness at 200 kHz

图11 不同区域TBC 厚度的电压值Fig.11 Voltage value of TBC thickness in different areas

从图11、图12 可以看出，3 种TBC 试块区域I～III 的电压幅值较稳定，其反演的粘接层厚度和陶瓷层厚度波动范围较小，波动范围在±3 μm 以内，证明各个区域涂层分布较均匀。

2.4 测量结果对比

图12 模型反演的TBC 厚度Fig.12 TBC thickness of model inversion

为验证多频多参数涡流法测量的精准度，利用扫描电镜对8#～10#试块的粘接层厚度进行测量。试块沿图4b 虚线进行线切割，取虚线侧面的区域I～III 进行扫描电镜的测量试验，每个试块各区域分别取1 个测量点，共9 个点。测量方法及结果如图13 所示，将各个区域的测量结果和扫描电镜的测量结果分别取平均值，以此作为试块粘接层的实际厚度与多频多参数涡流检测法的测量结果进行对比。试块粘接层和薄膜的测量结果及其误差如表2 所示。

图13 扫描电镜的测量结果Fig.13 SEM measurement results

表2 测量结果及其误差Table 2 Meaurement results and their errors

从表2 可知，多频多参数涡流法的粘接层反演结果与扫描电镜的测量结果基本一致，其相对误差小于15%，陶瓷层的反演结果与标准薄膜片厚度大致相同，其相对误差小于10%，故使用多频多参数涡流法可实现区分粘接层和陶瓷层的厚度，并对TBC 厚度的测量有较高测量精度。

3 结论

1）采用研制的弹压式涡流测厚探头，提升测厚探头的稳定性，进而由TBC 材料的测量数据线性拟合的结果选取最佳激励频率为150、250 kHz，多频多参数涡流法可对热障涂层厚度有效测量。

2）对比多频多参数涡流法与电子显微镜法测量结果，粘接层的相对误差小于15%，陶瓷层的相对误差小于10%，其相对误差均在测试允许范围内，故多频多参数涡流法对TBC 厚度的测量具有较高的精度。

3）多频多参数涡流法可用于测量TBC 结构中各层涂层厚度，也可验证涂层厚度的均匀性，为TBC 的喷涂工艺提供基础数据。