主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的研究和应用进展

主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的研究和应用进展

富阳，李勇，郭美华，魏胜君

中山职业技术学院，广东中山528400

摘要：叶片长时间在高速、高温的环节下工作，易于出现损坏问题，第一时间发展航空发动机叶片损伤问题，并通过可行措施展开解决，有助于确保飞机运行的可靠性和安全性。基于此，本文针对于主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测和应用进展进行了深入分析。

关键词：主动红外热像技术；航空发动机叶片；缺陷检测；应用进展

作为一种新型无损检测方法，主动红外热像技术具有多种优点，包括：无污染、无接触、效率高等，能够很好的处理材料涂层缺陷问题和表面裂纹问题。现阶段，主要采用目视孔探展开检测航空发动机叶片缺陷工作，但是这种方法仅能对叶片表面的显著缺陷进行检测。而在航空发动机叶片的缺陷检测中，主动红外热像技术有着很好的使用前景。本文将从航空发动机叶片典型缺陷、主动红外无损方法、主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的应用进展三大方面来进行深入剖析。

一、航空发动机叶片典型缺陷

航空发动机叶片主要作用是能够将高温燃气的热能朝着机械动能方向转变，涉及两方面内容，分别是转子叶片和静子叶片。一般情况下，镍基、钛基高温合金是叶片类零件的材料，想要有效提升叶片的耐热能力和耐强度能力，一般会预留冷却沟道于叶片之中，同时制备热障涂层于表面中。即使是这样，由于叶片需要长时间在高温、复杂的环境下展开工作，为此，十分容易出现误伤、损伤等问题。材料分离和材料变形是十分常见的航空发动机叶片缺陷之一，主要是由于外物打击所引发的，通过对目视孔探法的使用，能够对这两种缺陷进行精准识别和判断。在采用目视孔探法展开检测叶片工作期间，会较为依赖人为，并且，光源等条件会直接影响人员的判断和识别缺陷工作，同时，难以准确判断局部的涂层缺陷和细小的浅表性疲劳裂纹，会大大提高出现误检和漏检的可能。主动红外热像技术相较于目视孔探法来说，能够加强检测材料缺陷的高质量性，并在检测航空发动机叶片缺陷方面，获得了更多专业人士的青睐[1]。

二、主动红外无损方法

1. 主动红外无损检测原理

作为一种新型无损检测方法，主动红外无损检测是在热成像技术发展的基础之上而出现的。依托于施加主动式激励方法，主动红外无损检测能够注入能量于被测物体之中，以此对被测物体内部形成传播的热波；被测物体的表面温度在缺陷的热阻效应影响下会发生改变；被测物体依托于红外热像仪能够测量到相关红外辐射形象，而后朝着可见热图像方面进行转换，应用红外热图序列，展开进一步的处理工作和分析工作，以此定量评价和定性分析被测物体的缺陷[2]。

2. 不同激励方式分析

立足于不同的检测条件、检测环境以及被测试件，确保激励方式选择的合理性和科学性，以此强化检测成效。现阶段，在热激励方式方面，主动红外无损检测分为内部激励和外部激励两类，内部激励值得是立体加热被测物体表面到内部，比如：电磁激励和超声激励等。外部激励是依托于照射被测物体表面注入热量于被测物体之中，例如：热风激励、激光激励等[3]。

三、主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的应用进展

（一）叶片疲劳裂纹

现阶段，在发动机叶片裂纹检测中，主动红外热像技术检测已经从最开始的实验室阶段朝着生产实际使用方面进行了转变，无论是在激励源参数控制方面，还是在识别叶片裂纹等方面，研究发展速度均较快[4]。

国内外专家针对于研究航空发动机叶片裂纹缺陷表征方法方面，十分注重三方面的缺陷特征，即深度、长度、宽度。通过对激光飞点热成像技术的使用，Ｍendioroz等人展开了测定裂纹宽度和热扩散系数工作，同时基于人工裂纹样品，展开了实验论证，证实了在微米级裂纹的检测中，这种方法的实用性。依托于模拟，Ｓtéphane Ｈolé等人对不同裂纹与不同裂纹宽度以及受热点位置的距离进行了深入研究，证实了主动红外热像技术能够对毫米长的裂纹进行评估，并且无需展开校准程序与表明处理工作。通过超声激励，苏清风等专家加热了工作叶片和导向叶片，检测工作依托于自主开发的超声红外热像系统展开，并在细微裂纹的实验中检测成功[5]。

（二）表面涂层缺陷

航空发动机叶片中表面的典型涂层有涡轮叶片“热障涂层”和压气机叶片“抗风蚀涂层”。服役期间，航空发动机叶片会受到高温燃气和外界砂石的冲击，导致叶片表面存在涂层缺陷，弱化叶片自我的保护涂层性能，降低发动机的安全性和可靠性。

通过对目前主动红外无损检测技术的结合，国内外专家提出了多元化的检测方法。通过太赫兹时域光谱和PT（脉冲热成像）技术，深入研究了热障涂层的厚度，其中，10.3%大于脉冲热成像方法的平均误差值，太赫兹时域光谱技术能够更好的制定预防维修方法，延长使用发动机的时间。通过对脉冲激励主动红外热成像技术的使用，袁雅妮等学者检测研究了封严涂层的缺陷，能够对一毫米厚度的封严涂层缺陷进行准确检测，基于此，还能够控制缺陷面积检测误差低于百分之五。通过使用脉冲红外热像技术，郭伟等学者检测了YSZ热障涂层界面脱粘缺陷问题，依托于对三种热图重构算法的使用展开识别，包括：TSR、PPT、PCA，能够对不小于两毫米的界面拓展缺陷进行准确识别。依托于搭设的检测长脉冲热像法实验平台，韦金凤等学者对表明缺陷尺寸与温度分布之间的关系进行了分析，针对于小于两毫米直径的热障涂层界面缺陷，完成了定量表征工作。通过对运用线性激光束的使用，王帆等学者发明了检测热障涂层的方法，依托于对温度异常区域展开涡流测厚以及红外成像数据的使用，能够完成局部测量精确工作和高速大面积工作，与此同时，针对于热障涂层，能够动态化的进行现场参数提取和无损检测。针对于热障涂层高温腐蚀，朱旺等人发明了一种检测方法，喷射高温焰流和腐蚀性粉末于样品表面的热障涂层之中，能够对真实环境中的影响进行模拟，这种方法能够有效提升检测叶片热障涂层受腐蚀程度工作的质量和效率。在面阵脉冲激光激励的基础上，伍剑波等学者发明了热障涂层表面检测的方法和装置，在热障涂层表面通过面阵脉冲激光激励能够缩短脉冲加热的周期，同时，在使用红外热像仪后，能够对有待测涂层零件的温度数据和信息进行收集，依托于算法，对涂层缺陷情况和厚度情况进行计算，从而加快检测热障涂层的速度

[6]。

结束语：

综上所述，在航空发动机叶片缺陷检测中，相较于目视孔探法，主动红外热像技术的检测质量和效率较高，对于维护飞机运行的稳定性和可靠性来说具有深远意义。目前，主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的应用还未实现普及化，为此要大力研究和深入学习主动红外热像技术，从而促进航空业的发展和繁荣。

参考文献：

[1]王浩,刘佳,施亚中,等. 主动红外热像技术在航空发动机叶片缺陷检测中的研究和应用进展[J]. 激光与红外,2021,51(12):1554-1562.

[2]罗芳. 数字化热像发动机叶片主动红外故障检测算法[J]. 科技通报,2014(4):134-136.

[3]夏凯龙,葛超,王秋童,等. 涡轮叶片冷却气膜孔及涂层缺陷检测技术研究进展[J]. 航空制造技术,2022,65(13):92-104.

[4]罗英,张德银,彭卫东,等. 民航飞机主动红外热波成像检测技术应用进展[J]. 激光与红外,2011,41(7):718-723.

[5]汪力. 航空发动机涡轮叶片表面粘贴残留物红外检测[D]. 江西:南昌航空大学,2012. DOI:10.7666/d.D346809.

[6]颜芳. 涡轮叶片冷却风道的原始红外图像增强及处理[D]. 四川:电子科技大学,2008.

项目基金：广东教育厅科研项目《空客及波音发动机高压涡轮导向叶片智能检测及防腐新材料研究与应用》（项目编号2020ZDZX2082）