涡轮叶片冷却气膜孔及涂层缺陷检测技术研究进展*

夏凯龙，葛 超，王秋童，何 箐，

（1. 中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所，北京 100083；2. 北京金轮坤天特种机械有限公司，北京 100083）

涡轮叶片是燃气涡轮发动机服役工况最为恶劣的部件之一，需要承受高温高压燃气及循环交变载荷和离心载荷作用。先进的气冷结构、高温结构材料和热障涂层作为现代燃气涡轮发动机涡轮叶片制造的“三大关键技术”，是保障其在复杂环境下长寿命高、可靠性服役的有效手段和关键措施。近年来，由于涡轮前温度不断提升和在役高温合金承温能力不足，在开发新型高温结构材料的同时，先进涡轮叶片通常采用气膜冷却结构和热障涂层一体化的热防护技术。为提高冷却效率、降低基体服役温度和提高涡轮叶片使用寿命，气膜孔形状逐步被设计成三维异型。随着孔排布密度逐渐提高、孔径尺寸不断降低，其精密成形难度进一步增加。气膜孔加工技术从电火花加工、电液束加工到激光加工不断演变，各类减材加工方式均会产生不同程度的热影响区，不仅破坏叶片结构的完整性，还会导致高温结构材料缺陷和组织变化，孔边裂纹和再结晶层的存在也会使单晶高温合金涡轮叶片的服役寿命和可靠性受到影响。资料表明，裂纹扩展和合金开裂是涡轮叶片常见的失效形式之一。为提高加工质量、有效控制热损伤，国内外对冷却气膜孔的复合加工工艺进行了一系列研究，如GE 公司开发的激光–电火花法、水助激光法等。

热障涂层是现代燃气轮机涡轮叶片热防护一体化技术中不可或缺的关键环节。然而，涂层涂覆过程中出现的缩孔和孔壁沉积涂层现象将导致气膜孔的尺寸和形状差异。即使预放大孔径和涂层后扩孔等措施能在一定程度上削弱其对气冷结构的作用，但涂层制备过程的一致性波动仍会对气膜结构及其冷却效率造成影响，甚至可能导致冷却通道堵塞。基于“先涂层后打孔”工艺思路的飞秒激光技术发展使得陶瓷–金属复合体系中异质材料的快速减材成为可能，能充分发挥气冷结构的设计功效，但由于热障涂层和高温合金材料在导电性、热膨胀系数、韧性等方面存在较大差异，面临层间撕裂、孔壁裂纹和涂层烧结、开裂等问题以及涡轮叶片全寿命周期修复的挑战。此外，边缘效应的存在使得孔边涂层的抗热冲击和热循环性能降低，成为失效的薄弱环节。寻找一种快速准确的方式评定气膜孔形态、尺寸等参量，批量有效地评估孔边的合金损伤和涂层缺陷，是该领域技术和工程人员一直探索的方向，也是保障涡轮叶片服役可靠性和使役性能的必要技术手段。

传统的气膜孔参数获取多依靠破坏式检测和人工判断，无法保证结果的准确性和重复性。如采用不同尺寸塞规逼近的方法确定孔径，会受到孔径圆度差及孔壁粗糙度高的影响，存在较大的测量误差；微小探针法通常需要多点接触测量后经数值转换获取尺寸参数，易造成误差积累；水、气流量法只能整体表征，不能得到单孔信息；气膜覆盖率表征法只能定性分析冷却效果，无法对气冷结构的加工质量做出评估。无损检测技术已成为评价气膜孔是否符合加工精度和质控要求的关键手段，随着机器视觉及图像处理技术的发展，研究人员通过建立叶片坐标系、搭建基于CCD 的图像采集和数据分析系统，初步实现了气膜孔形位参数的高精度测量。同时，声发射、光致光谱、太赫兹时域光谱和红外热成像技术等被广泛用于叶片热障涂层的缺陷表征，其中主动式红外热成像技术在叶片类薄壁零件的损伤评价方面具有优势，当前研究主要集中于涂层的界面开裂、密度差异、脱粘、风道堵塞和气膜孔边缺陷及涂层裂纹检测等方面。欧美等国已将该技术应用于热生长氧化物（TGO）检测、叶片疲劳程度评估及其服役过程的在线监测等。近年来，又逐步发展了基于涡流、热气流等不同激励方式的红外热成像技术用于叶片加强结构、合金铸造缺陷、涂层厚度及其损伤、气膜孔孔径等方面的检测，相关技术已投入到燃气涡轮发动机涡轮叶片生产线上的质量控制环节。

本文基于高性能燃气涡轮发动机涡轮叶片气膜冷却结构和热障涂层热防护一体化设计和制造的发展趋势，指出了传统减材加工方式用于气冷结构精密成形所面临的挑战，以及对冷却气膜孔进行高效高精度参数测量和缺陷评估的必要性，介绍了当前用于叶片类薄壁零件及涂层结构的无损检测技术和基于建模仿真及算法优化提高定量检测效果的应用实例，分析了不同形式的激励能量与材料微观组织结构的作用机理，阐述了主动式红外热成像技术在涡轮叶片质量评价方面的研究进展，对提升涡轮叶片的使役性能、降低其全寿命周期的修复成本具有重要意义。

1 气冷结构及其制备工艺的发展

1.1 常见气冷结构

扰流冷却是将不同形式的湍流发生器浇筑在叶片内壁，通过扩展表面积和增强流体扰动的方式强化对流换热[1]。冲击冷却是将高动量的冷却工质通过小孔或狭缝喷射到高温部件表面进行局部冷却[2]。气膜冷却是指在涡轮叶片前缘、叶身型面及缘板等部位设计大量连通叶表与内部空腔的小孔，冷却气体经过内部流道在部件表面形成气膜，达到隔离高温燃气保护部件的目的，其原理如图1（a）所示[3]。发散冷却以多孔材料为载体，高压冷却工质通过壁面的致密小孔和细微流道渗出与结构材料充分换热，但其毛细孔结构易发生堵塞引起表面破坏，进而降低叶片的机械强度并增大边界层的流动损失，无法满足耐久性要求。层板冷却是在相互叠合的层板间布置不同形式的扰流结构，具有冲击冷却和全气膜冷却的特点，可以起到增强局部传热、节省冷气消耗、消除冷却死角、使端壁表面温度分布更加均匀的作用，如图1（b）和（c）所示[4]。

图1 气膜冷却及层板冷却形式Fig.1 Film cooling and laminated plate cooling

近年来，国内外研究人员不断探索新型冷却方式，如冲击发散冷却、层板冷却和气雾冷却等，旨在降低气冷结构对叶片强度和气流流动的影响，并通过改型优化减小复合冷却结构间的相互作用，气冷过程中的通气工艺得到完善，冷却工质流量及附加损失不断减少。综合考虑应用价值和技术成本等因素，通过结构改型得以不断提升冷却效率的气膜冷却结构具有较为明显的优势，至今仍对燃气涡轮发动机涡轮前温度的提升起着至关重要的作用。

1.2 气膜孔加工面临的挑战

研究表明，气膜冷却效率是材料、孔几何参数及其耦合作用在高温高压三维非定常流场下的响应，关键影响因素是气膜孔的设计与布局[3]。为实现更优的气动外形，气膜孔形状从直边簸箕斗型发展为曲线过渡的复杂异型，冷却效率大幅跃升[5]。同时，涡轮叶片通常采用镍基单晶高温合金直接铸造成型，机加工性能较差，加之气膜孔直径小、数量大、加工角度复杂，因此国内外主要通过电火花加工、电液束加工和飞秒激光加工等特种工艺及其复合形式实现气膜孔的加工[6]。

尽管上述方法在工程实际中得到了广泛应用，但仍面临一些挑战。如图2所示[7–9]，电火花加工热效应明显、不能加工陶瓷层[10]，且电蚀产物会对已加工侧面“二次放电”形成锥孔，锥度补偿过程易造成叶片背壁损伤（图2（a））。电液束加工效率较低、尺寸精度重复性差，开孔形状难以控制（图2（b）和（c）），且存在杂散腐蚀现象。飞秒激光极高的峰值功率足以使任何材料发生电离，以等离子体形式向外喷发去除[11]，具有无材料选择性、阈值效应明显的特点，理论上能解决高温合金和热障涂层材料差异性导致的层间撕裂、表面脱落和孔壁裂纹等问题[12]，但在实际工况中并不能实现真正意义上的“冷加工”。Foehl[13]和赵华龙[14]等发现单纯将脉宽降低到飞秒级别，仍难以防止重铸层、微裂纹等缺陷的形成。对于加工过程中孔壁上出现的棱状加工痕迹，刘新灵等[15]认为原因在于定向凝固和单晶高温合金是各向异性的，飞秒激光与材料之间的损伤机理不同于各向同性等轴晶材料。张学谦等[7]在试验中发现孔口边缘发黑现象（图2（d）），虽然可以通过调整激光的脉宽和重频等参数得到解决，但随着加工次数的增加，会逐步覆盖整个入口边缘部位，造成安全隐患。

图2 飞秒激光制孔的缺陷形式Fig.2 Defect forms of femtosecond laser drilling

为此，国内外学者将复合形式用于涡轮叶片冷却气膜孔的精密加工，取得了显著的效果。不同脉宽激光的复合可以解决单一脉冲对带涂层叶片造成损伤及打孔质量不佳的问题，一定程度上提高了材料去除率[16–18]。各类电加工工艺的集成亦可以有效提高加工效率和表面质量[19–21]。超声辅助激光能进一步增加加工孔的深径比[22–23]。水助激光不仅克服了传统激光加工的深度受限问题，还能充分控制热影响，实现小应力、高精度加工[24–26]。

1.3 对气膜孔精密测量的必要性

冷却气膜孔的设计加工和质量控制对于保证涡轮叶片的性能和结构可靠性具有重要意义。当前，孔口扩展的复杂异形孔可以实现气膜的大范围贴附，能较好地兼顾结构强度和冷却温控之间的矛盾，带来相较于高密度直圆孔更优的冷却效果。然而叶片铸造过程的复杂性会使叶身型面存在一定的尺寸偏差，无法精准确定气膜孔的位置和角度，打孔过程中极易损伤基体内壁或造成相邻孔的内腔交叉，直接影响气膜覆盖面积和气冷效率。同时，微裂纹等缺陷不仅会降低叶片结构强度、减少其疲劳寿命，还会在服役过程中进一步扩展为宏观可见的裂纹，导致叶片及气膜孔边缘等应力集中区域涂层结构的失效。作为燃气涡轮发动机的关键部件，涡轮叶片结构复杂、铸造技术精密、制造周期长、零件合格率低，采用更换新件的方法进行维修成本过高。若对气膜孔不符合质控要求或孔边涂层缺陷过大的叶片进行返厂维修后二次使用，可以缩短生产周期和降低制造成本，技术附加值极大。

综上，迫切需要对服役和送修前的涡轮叶片冷却气膜孔进行参数测量，确定其尺寸、形状、公差、位置度和孔表面粗糙度是否满足设计要求。同时借助红外热成像等无损手段对孔边合金及其涂层结构进行质量评价，评估其重铸层厚度是否符合标准规定、是否产生了显微组织裂纹并在服役过程中进一步扩展，为气冷结构的设计改进、涡轮系统的寿命预测和维修工艺的制定落实提供重要依据。

2 冷却气膜孔的测量手段

气膜孔的加工质量与涡轮叶片的安全可靠性直接相关，工程上一般以气膜孔尺寸、位置和缩孔率，以及冷却效果和孔边涂层缺陷等信息为质量评价标准。然而国内通常只进行通透性评估，且无普适且成熟的测量手段，因此迫切需要确定精确有效的基于气膜孔的参数测量和质量评价方法，建立相应的系统和平台。

2.1 参数测量

工程实践中对于涡轮叶片气膜孔的测量以无损手段为主，分为接触式和非接触式两种。接触式测量手段通常基于微小探针系统获得孔轮廓，并采用数值转换法实现气膜孔几何参数的读取和内部形貌的评估。Cui 等[27]利用光纤耦合器将探针尖端的位移转换为返回光束中心点的位置变化。崔继文等[28]基于利用图像定位算法得到的光斑中心位置，通过光纤传感器将探头在孔内的位移量转换为工业相机捕捉的横向矢量变化，可实现对直径0.2 mm、深度2.0 mm 左右微深孔的精密测量。Sajima 等[29]基于一种配备由压电元件驱动的振动机构的光纤探针，通过双光电二极管接收的光量变化来监测探针的轴位移，可实现直径范围10～150 μm 微孔的轮廓测量。Sun 等[30]介绍了一种基于同轴圆柱电容式探头测量微小孔内径的方法，采用等电位保护环和驱动电缆技术，在消除边缘效应的同时降低寄生电容的影响，并通过设置运算放大器变换电路克服极距变化引起的非线性缺陷，具有精度高、反应快的优点。Stone 等[31]指出，当探头尖端和孔壁的间隙与其他特征长度 （如探头偏转或形状误差）尺寸相当时，会导致测量过程中的几何误差被无限放大。此外，探头的非同轴性/非正交性、探头尖端的半径补偿和机械滤波等也是引起误差放大的可能因素。上述方法不受工件特性影响，具有较高的可靠性，但其多点测量的工序使得效率较低，易造成误差的累积。

非接触式测量手段一般基于机器视觉和图像采集与分析。Jin 等[32]分析了传统光学手段测量微深孔时的边缘衍射和存在杂散光的现象，提出了一种基于光的干涉光谱分析技术的深孔形貌的测量方法。Ramamurthy[33]和Lin[34]等开发出一种基于多轴图像采集设备的自动测量系统并将其集成到激光加工平台上，在实现多个冷却气膜孔参数测量的同时对孔深度实时监测，防止激光加工过程中的背壁损伤问题。气膜孔参数化建模及可修改性与否极大地影响涡轮叶片设计效率。曹率等[35]通过气膜孔在给定截面轮廓线的投影获得其终止曲面，并将拉伸柱体与空心叶片实体求布尔差,生成了带有气膜孔结构的叶片模型，可实现参数输入、干涉检查、快速建模和编辑修改等功能,显著缩短了涡轮气冷叶片的设计和检测周期。由于气膜孔与叶身相贯而成的不规则空间封闭曲线，对气膜孔进行测量存在一定的技术难度，因此建立涡轮叶片坐标系是实现冷却气膜孔直径和坐标位置精确测量的基础。关军等[36]以榫头作为测量基准设计定位装置，然后将叶片按气膜孔的空间角度进行旋转，使叶身轴线、定位装置基准圆中心线和转台中心同轴，如图3（a）所示。通过上述坐标变换将气膜孔轮廓在指定平面投影成规则圆形，将沿叶身轴线的孔距转化到气膜孔轴线方向，初步解决了异型曲面上气膜孔不规则轮廓的测量难题。但该方法中寻找气膜孔轴线角度的过程依靠操作人员的主观判断，测量重复性误差较大。鲍晨兴等[37]基于CCD 图像采集处理方法和Halcon 算法研制了一台四轴专用检测设备，可以实现气膜孔轴线和孔径的自动化快速检测，轴线角度测量精度为±0.5°，重复性误差为0.2°，孔径测量误差为±0.05 mm，如图3（b）所示。毕超等[38]设计了一种基于三轴滑动和两轴回转的联动测量装置，通过改变待测件与图像采集装置的位置关系和对准姿态，可获取涡轮叶片冷却气膜孔的孔径大小、轴线角度和中心坐标等特征参数，提供了一种高精度、高效率、高可靠性的气膜孔质量评价技术手段。然而，杨慕升等[39]认为传统的气膜孔圆度评定指标忽略了圆形表面起伏波动的性态，用于闭合区域面积不同的图像间圆度比较时结果不够准确，因而提出了一种新的描述圆度的算法，在小孔边缘几何特征提取时获得了更高的准确度和检测效率。

图3 基于光学手段的参数测量系统Fig.3 Parameter measurement system based on optical means

受设备本身测量范围或工装的限制，多种工况下无法通过一次或一种测量手段完成对气膜孔的完整测量，近年来基于多测量方式复合的研究案例显著增多。如美国SURVICE 公司基于光学扫描和工业CT 多源融合的测量方法；通用公司在专利中提到坐标测量机与光学扫描相结合的方法；Elfurjani 等[40–41]成功搭建出声发射和金属探针耦合的测量系统；隋鑫等[42]基于多传感器技术，将接触式与非接触式传感器同时集成到坐标测量机上，提高了气膜孔参数测量的自动化程度。

2.2 缺陷评估

对气膜冷却和热障涂层一体化热防护体系，制孔过程会造成孔边单晶材料的显微组织损伤和结构功能弱化，而孔缺陷的存在对疲劳裂纹的萌生有促进作用。受边缘效应的影响，涂层边缘部位过大的残余拉应力使涂层的结合强度、抗冲击性能和热循环疲劳寿命降低。服役过程中，冷却气体和高温燃气的掺混使气膜孔周边形成复杂的温度场和较大的涂层内温度梯度，造成热障涂层界面间、粘结层与合金基体间的热失配应力，容易在孔边产生应力集中从而引起裂纹的萌生扩展以致涂层剥落失效。因此，冷却气膜孔孔边涂层的失效行为将直接威胁气膜冷却效率和热障涂层的服役寿命，因此有必要对处在复杂环境中尤其是冷却孔附近的热障涂层进行应力和失效分析。常规的无损检测方法不再适用其质量评价和性能表征[43]，当前用于涡轮叶片涂层缺陷检测的无损手段主要有声发射技术、光致光谱技术、太赫兹时域光谱技术和红外热成像技术等，上述方法的特点见表1。

表1 常见无损手段的适用范围及检测特点对比Table 1 Comparison of the application scope and testing characteristics of common nondestructive methods

（1）声发射技术。作为一种动态无损检测技术，利用材料变形或产生裂纹时释放的应变能产生的应力波来检测裂纹信息[44]。国内外学者基于该技术在热障涂层无损检测的应用范围和相关理论做了大量研究。Yang 等[45–46]结合声发射技术对处于热循环和高温CMAS 腐蚀下热障涂层的失效过程进行实时监测，通过聚类分析、频谱分析和小波分析等信号处理方式识别失效模式，获得了涂层损伤行为与声发射信号的关系。Park 等[47]对高温热疲劳下的涂层损伤进行了诊断，结果表明，声发射的信号源是由热生长氧化物中及微裂纹的应力引起的。Renusch 等[48]基于声发射技术，对大气等离子喷涂 （APS）热障涂层循环氧化过程进行监测并建立了损伤动力学模型，为预测涂层寿命提供了理论基础。目前，该技术在信号信息读取、原始数据处理和理论分析论证等方面尚需完善，距工程化应用存在一定距离。

（2）光致光谱技术。通过测定材料内部离子受激发后产生的拉曼光谱或荧光光谱，根据特征频率的变化量得到应力值。Wen 等[49]总结了热循环过程中光谱强度变化与涂层损伤信息的对应关系，如观测到的双峰发光源于局部损伤引起的应力松弛，初始阶段的增长与热生长氧化物 （TGO）相变引起的体积变化导致开裂等，证明了该技术用于涂层质量监控的有效性。Wang 等[50]通过定期测量涡轮叶片TBCs 中的残余应力，揭示了表面曲率对应力演变和涂层失效行为的影响。由于电子束物理气相沉积 （EB–PVD）的热障涂层具有柱状晶的结构特点，信号穿透能力强，反馈信号明显，起初的研究主要集中在EB–PVD TBCs[51–53]的无损检测方面，Lima[52]和Yang[54]等通过优化参数收集方法等措施，实现了对大气等离子喷涂 （APS）涂层缺陷和残余应力的无损检测。但该技术受激光脉冲强度起伏的影响较大，测量准确性尚需提高。

（3）太赫兹时域光谱技术。该技术利用样品与太赫兹 （THz）脉冲作用后反射或透射光谱，同时获得脉冲的振幅和相位信息，经频域变换后直接获取折射率、吸收系数等，具有光学常数提取方便、非电离、非破坏性、成像分辨率高和深度成像的优点，在无损检测领域具有广阔的应用前景。Fukuchi[55]和Krimi[56]等基于多组不同厚度（300～600 μm）的样品，证明了该技术用于涂层精准测厚的有效性，并开发出对应的自校准方法，减小了测量过程中的相对偏差。Chen[57]和Watanabe[58]等对TGO 层、陶瓷层和金属界面缺陷的演化过程进行监测，通过评估等离子喷涂TBCs 陶瓷层的透射率和介电性能，证明了太赫兹时域光谱技术用于涂层及其烧结导致的微观结构的无损评价和涡轮叶片热障涂层失效预警的有效性。目前该技术仍处于起步阶段，存在理论模型待完善、成像速度慢和分辨率低等问题。不过鉴于太赫兹在其他无损检测领域取得的成功，未来该技术在叶片及其涂层结构的缺陷检测中将大有可用。

（4）红外热成像技术。该技术是一种基于瞬态热传导的无损检测方法，相比于其他传统无损检测方法具有以下特点：适用面广，不受零件材料和形状的限制；效率高，单次检测面积大；无污染、无射线辐射危害；易于操作，结合图像处理技术可实现定量检测和评估。根据红外辐射来源，分为被动式红外热成像和主动式红外热成像。被动式红外热成像是将试件自身的红外辐射转化为电信号以获得热图；主动式红外热成像则是通过施加外部激励的方式使被检零件表面温场发生变化，由热像仪采集热辐射信息的变化过程，并根据热激励方式的不同分为以下6 种典型技术：脉冲热成像、超声激励红外热成像、锁相红外热成像、脉冲相位热成像、太赫兹激励红外热成像和电磁激励红外热成像技术[59]。

近年来，大量学者通过建模仿真和算法优化的方法，提高了燃气涡轮发动机涡轮叶片及涂层缺陷的定量检测效果。梅林等[60]通过三维有限元分析方法模拟脉冲加热红外无损检测过程，分析了影响检测灵敏度的参数并通过对比度变化规律对其进行优化。寇光杰等[61]建立裂纹区域的摩擦生热模型，利用导热微分方程推导了超声激励下简化模型的表面温度场，并基于数值仿真和试验结果证明了超声红外热成像技术用于叶片复杂型面裂纹缺陷检测的有效性。宋凯等[62]基于简化的涡轮叶片阵列涡流成像检测模型提高了有限元分析的效率和精度，并通过对比阵列涡流线圈间的互感作用得到不同长度、深度缺陷对感应电动势的影响规律，证明了该模型用于涡轮叶片裂纹检测的可行性。王卓等[63]基于参数可调的电涡流热激励装置，分析了谐振频率、提离高度和输入功率等对激励效率的影响，并结合优化的参数值拟合建立了槽形、圆形缺陷的深度检测模型，通过试验证明其具有较高的检测精度。孙琦[64]结合叶片内部结构、材料特性、冷却机理和激励方式建立了风道堵塞区的传热模型并进行仿真，随后采用梯度搜索算法对试验参数的最佳取值范围进行了有效优化。

3 基于主动式红外热成像技术的无损检测

3.1 基本原理

图4 红外热成像系统流程图[65]Fig.4 Flow chart of infrared thermal imaging system[65]

3.2 热激励能量与材料微观组织结构的作用机理

为使叶片及涂层缺陷区与非缺陷区的表面温差大于红外热像仪的最小分辨率，选用合适的激励热源至关重要。当前在红外热成像无损检测领域常用的物理有源激励方式有光学热激励、电磁涡流热激励、烘气热激励、冷热水交替热激励和超声激励等，其加热机理可大致归纳为光热辐射、热交换和分子共振3 种。

当光热辐射源 （如强度调制的激光束）投射到不透明固体物质表面上时，会在工件内部尤其是近表面区域形成高度衰减和周期发散的热量波动，导致传播中的温度振荡，该过程与待测件的热学性质及热源的调制频率有关。如果材料内部存在缺陷，由于热不均匀性及传播过程中的散射或反射作用，热波返回时的强度差异将直观反映为工件表面的温场分布[66]。热交换则是基于热传导理论制造较大温差实现瞬态热变换，量化反映为缺陷与基体材料在工件表面上热辐射强度的不同。

与上述激励方式的生热机理不同，超声激励热成像（振动热成像）技术引起材料表面或亚表面损伤部位生热的主要原因包括：缺陷裂纹接触界面在超声波作用下不断接触、滑移和分离，以及界面间摩擦使缺陷发生塑性变形而造成的区域温升[67]。Renshaw 等[68]将振动加载后与原始的疲劳裂纹面进行比较，证实了摩擦损伤的存在，解释了造成振动热像测试不可重复性的部分原因，图5（a）为激励前的金属粗糙表面，图5（b）为激励多次后表面，此时已产生塑性变形且有明显的边界和犁痕，图5（c）光滑无特征，表明断口已熔化。此外，高治峰等[69]基于边缘裂纹和内部裂纹模拟，认为强烈振动会使缺陷周围发生高度的应力集中，带来附加的黏弹性加热。

图5 振动前后裂纹面的变化[68]Fig.5 Changes of crack surface before and after vibration[68]

3.3 关键技术及应用

主动式红外热成像技术适用于材料表面及近表面缺陷检测，在叶片类薄壁零件的损伤评价方面具有一定优势[70]。该技术在国外已达工程化应用水平：德国西门子公司基于主动红外热成像无损检测技术实现了对燃气涡轮发动机涡轮叶片热障涂层的实时监测，并建立了在线评估模型；美国TWI 公司已初步实现该领域标准化。目前，基于红外手段的涡轮叶片质量评价研究主要集中于涂层的界面开裂、密度差异、脱粘、风道堵塞和气膜孔边缺点及涂层裂纹检测等方面。

（1）涂层脱粘及厚度检测。唐庆菊[71]结合主成分分析法和神经网络理论，验证红外热成像技术用于识别径深比1.2～4.0 脱粘缺陷的有效性，预测误差为4%～10%。冯驰等[72]通过伪彩色增强技术和边缘检测技术提高对热图中缺陷的分辨能力，可快速准确检测出涂层脱落部分的位置及大小。Shrestha[73]和Ibarra[74]等分别使用方波脉冲和不同调制频率的正弦信号激励试样，通过傅里叶变换获得相位角和涂层厚度的关系，评估了红外热成像用于评估不均匀涂层厚度及其密度差异的可能性。

（2）裂纹、气孔和夹杂等缺陷及其深度检测。苏清风[75]和Heyes[76]等搭建了超声红外热像检测试验平台，实现了对航空发动机导向叶片 （0.5～1 mm）和工作叶片细微裂纹的检测。肖劲松等[77]建立了叶片内部气孔的轴对称非稳态导热模型，并通过ANSYS 进行数值模拟计算，得到脉冲加热–冷却阶段任意时刻的温场分布情况和热辐射变化趋势。将GCTWI 后处理方法用于4.2 mm 厚CFRP 试样上深度为1.6 mm 和2.16 mm 的人工缺陷检测，证明了锁相热成像法用于复合材料中盲孔和夹杂物等亚表面缺陷检测的有效性[78–82]。王卓等[63]提出了一种基于电磁激励红外热成像技术的管道缺陷深度检测方法，并通过试验数据拟合出槽型缺陷和圆形缺陷的深度检测模型，预测值与实际深度的相对误差分别为4.12%和3.69%。

在热图信号处理及去噪方面，Tang 等[83]基于Markov–PCA–BP 算法提出预测模型，以热波信号的特征为输入，可准确识别径深比1.2～4.0、深度为1.0～2.5 mm 的缺陷信息，预测误差为4%～10%。Rajic 等[84]对光脉冲激励的响应进行奇异值分解，在复合结构缺陷深度表征中具有明显的去噪效果，预测误差均值为22%。Yousefi 等[85]利用协方差矩阵和奇异值分解获得主成分热图像，并基于K-medoids 聚类法对样品缺陷进行分割，简化了计算过程，提高了检测效率。Sun[86]基于多层传热模型提出了脉冲热成像多层分析 （PTI–MLA）方法，通过分析单侧脉冲热成像获得的表面温度响应，可实现对整个涂层导热系数和发动机部件表面热容分布的预测和评估，测量误差为5%～10%。秦乾坤等[87]提出了一种基于传统小波阈值函数的改进方法，将原始阈值提高了20%左右，在实现有效减少噪声的同时保留更多图像细节信息。

任务型教学模式下的师生关系是 “主体-中介-主体”的主体间性关系（见图表3）[7]，因为教学活动就其本质而言是师生交往、积极互动、共同创造意义、共同发展的活动。处于教学系统中的教师和学生都是具有主体地位，能够发挥自身主体性的个体，是主体与主体间的合作，平等交流的关系，并在对话和交往过程中表现出主体间性。

（3）冷却风道及气膜孔缺陷检测。涡轮叶片在服役过程中发生风道堵塞会对发动机散热造成影响进而引发事故，孙琦[64]建立堵塞区的传热模型，定量给出了风道堵塞参数和试验控制参数与表面温差之间的关系，基于冷热水交替激励的方式，采用梯度优化算法对上述模型进行仿真，根据仿真结果提供的控制参数进行试验，得到缺陷区域和非缺陷区叶片表面温差和时间、换热系数、冷热水激励温差以及堵塞大小之间的关系。颜芳[88]分析了气烘法、冷热水交替法、涡流激励法和蒸汽激励法4 种激励方案用于叶片内部冷却通道缺陷红外热成像无损检测的优劣性。汪力[89]基于外部激励内部冷却的方式提出了一种叶片内部通道异物堵塞的红外热成像无损检测方案，可实现插入不同长度缺陷部位图像重构。一些研究基于热像仪测量的冷却数据分析了射流角度、复合角和孔入口形状对气膜冷却效果的影响，证明了红外热成像技术在描述发动机热端部件冷却特性的有效性[90–92]。何箐等[93]介绍一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法，将红外手段应用到气膜孔孔边损伤和涂层裂纹、致密化等差异缺陷检测中。

目前，红外热成像技术对于叶片及其涂层结构的检测结果集中在对损伤的定性评价方面。随着先进复合材料、热激励技术和图像处理技术的飞速发展，如超声–红外热像检测、激光电子剪切散斑–红外热像检测等联合方法的检测技术将被用于涡轮系统及其涂层结构缺陷的定量检测。

3.4 热图像的后处理方法

受检测环境、设备性能、工件表面特性和人工操作误差等因素的影响，由热像仪采集到的原始热图中存在大量噪声，对微小缺陷的精确判别造成干扰。为提高信噪比，过滤图像中的背景和噪声信号，增强缺陷特征的辨识度，通常采用后处理方法来实现，其代表算法及实现途径见表2[71，94–100]。

表2 常见热图像后处理方法对比[71，94–100]Table 2 Comparison of common thermal image post-processing methods[71，94–100]

3.5 不足及展望

近年来，主动红外热像技术的检测精度不断提高，在材料缺陷检测和损伤评估方面的重要性更为突出。但受到国外技术封锁和工艺水平的限制，当前技术的不足也较为明显：

（1）尚未建立高效的热激励手段，输入能量与材料微观组织结构相互作用机理的研究仍然有待深入；

（2）红外热像仪像素较低，常见的非制冷式红外热像仪的最高分辨率仅为640×480 像素；

（3）基于序列热图像的信号提取和数据分析程序尚未建立，目前大多依托滤波减背景、去噪增强和图像序列处理等手段，尚未形成一套行之有效的适用于燃气涡轮发动机涡轮叶片损伤评估的处理流程。

随着上述理论和技术问题的解决，主动红外热成像技术呈现出由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。具体表现为以下3 点：

（1）改进激励手段、优化激励参数，基于机器学习开发热图像的数据处理模块，与其他无损检测技术结合，实现优势互补；

（2）使用更高分辨率的热像仪；

（3）建立“缺陷形式–激励方式–热像采集（灰度/伪彩色图）–特征提取–数据处理”模型，形成一套针对被测件不同部位、不同缺陷的行之有效的评价体系[98–100]。

4 结论

燃气涡轮发动机涡轮叶片服役环境恶劣，合金基体及其上热障涂层失效机理复杂，基于无损检测技术开展叶表涂层失效研究以及服役状态下冷却气膜孔质量监测和评估具有极其重要的意义。大量研究结果表明，单一的某种无损手段并不能综合评定影响气膜孔加工精度及服役性能的所有内在因素，如涂层密度不均匀性、孔边裂纹、界面应力等，通常需要采用多种检测技术开展针对性的研究开发和数据积累。当前研究尚存在理论模型不完善、检测流程复杂、图像分辨率不足、数据处理算法不成熟等一系列问题，未来仍需在以下4 个方面进行深入研究：

（1）开发高精度、高效率、低成本的无损检测技术，而红外热成像技术是目前涡轮叶片及涂层缺陷特别是孔及孔边检测较有前景的方法之一，国内亟待推进其系统研究及工程化应用；

（2）建立涡轮发动机涡轮叶片气膜孔质量评估平台，实时监测如涂层厚度、裂纹尺寸等信息，实现缺陷参数的闭环反馈与提前预警；

（3）基于Python 等开源编程软件开发数据处理模块，构建针对叶片及其涂层常见损伤的数据库；

（4）集成热图像采集与数据分析系统，结合机器学习和神经网络等技术推动无损检测的智能化，实现气膜孔异常信号的自动筛选与存档入库。