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用于热障涂层涡轮叶片的微波无损检测的相关性分析
Microwave Nondestructive Evaluation of
Thermal Barrier Coated Turbine Blades Using
Correlation Analysis
Muhammad Firdaus AJK, Marcin Wielgat, James F Knowles
摘 要: 微波能量在介电材料中的传播与在边界处的相互作用使得用于对介电材料层下缺陷探测的微波成像技术变得充满吸引力。本文中，使用Ka波段末端开口波导（OERW）实现宽频扫描信号处理的微波无损检测/评估方法被用于探测热障涂层涡轮叶片样品中的缺陷。一种同时使用到波导孔处反射系数的幅度与相位的相关性分析方法被使用在本文中。一种具有代表性的含有被热障涂层（TBC）所遮盖的金属缺陷的涡轮叶片在文中被测试并验证。
关键词: 热障涂层，涡轮叶片，末端开口波导，微波无损检测/评估
Abstract—The ability of microwave energy to propagate through a dielectric material and interact at boundaries makes microwave imaging techniques attractive for inspection of defects under dielectric layers. In this paper, microwave non-destructive testing/evaluation (NDT/E) using Ka-band open ended rectangular waveguide (OERW) energy launch, in conjunction with broad frequency swept signal processing is used to inspect the thermal barrier coated turbine blades sample. A correlation technique utilizing both the magnitude and phase information of the reflection coefficient at the waveguide aperture is used. Representative turbine blade with defects on the metal, visibly hidden by the Thermal Barrier Coating (TBC) is measured and the technique verified.
Keywords—Thermal barrier coating, turbine blade, open-ended waveguide, microwave NDT/E.
一、引言
对于涡轮叶片的检查是对涡轮系统最严格的评价之一因为其会导致整个系统灾难性的失败。带有氧化锆基底的热障涂层（TBC）被镀在铬镍铁合金涡轮叶片表面来抵御高温和高压气体。对于金属上由腐蚀与压力造成的金属裂纹只能用过无损检测的方法被探明。单涡轮叶片上的裂纹会导致灾难性的失败，因为在旋转时叶片的断裂会对其他叶片造成严重的损害。所以在短时间内实现缺陷的探测与定位对于降低维修费用和保证系统安全是至关重要的。
已成熟的无损检测方法包括涡流电流检测，磁粉检测，超声波检测，X射线检测，声发射技术，温度与液体穿透检测[1]。虽然他们都有自己的优点，但对于TBC热障涂层的检测却都有不足。例如，超声波检测无法穿透多孔材料因为衰减和耦合剂的原因。涡流电流方法被广泛使用与工业检测中用于检测表面裂纹与腐蚀，但该方法无法用于检测无损电介质材料因为场的穿透限制和绝缘特性。磁粉检测技术被限制使用于电导材料中，而且要求材料表面能接触到磁粉与探头。由此，微波无损检测/评估技术就成为实时实地非接触单边测量的最好手段，其不需要中间介质来传递信号，填补了技术空缺。
微波能量在电介质涂层与金属边界处的传输与反射能够反映金属表面的缺陷信息，就像在TBC涂层下的涡轮叶片一样。所以很多使用末端开口波导的检测技术被研究。比如分层电介质厚片的层离评估[2][3]；分层复合材料的厚度变化[4][5]。无论如何，这些研究都集中在某一频率而且其中一些需要探针来跟试样接触。特别的是，探头与试样表面之间的后退距离被描述为方便探针扫描的任何有凸起的试样而不损害它们而设定的。所选定的频率根据涂层种类、涂层的厚度以及不同的后退距离而变化。其中一些只考虑了幅度的反映，而其他的则考虑的是相位的反映。而单频点、单分析方法（幅度或相位）的分析对不同的种类的涂层不都是理想的因为最优化频率是会随之变化的。因此，本文中提出了一种宽频带使用了相关性分析的（同时考虑幅度与相位）的微波无损检测/评估技术来检测涂有TBC热障涂层的涡轮叶片试样。同时为了检验该方法的有效性，我们也进行了对有机械缺陷试样的仿真与实际检测。
二、理论基础
微波无损检测/评估能够利用以反射或投射系数表示的反射能量与投射能量的幅度与相位信息来揭示内部或界面处的畸变或特性改变。Bakhtiari等人[6]提出了一种适用于多层各异电介质特性的由复反射系数主导的近场模型。图1展示了一个带有缺陷的涡轮叶片材料试样，缺陷位置位于TBC涂层与金属之间。微波能量由末端开口矩形波导（OERW）输出到TBC正面边界，部分入射波会被反射而另一部分会传输到TBC层中，后退距离表示波导端口与试样表面的距离，其间充满空气。缺点用一个金属表面TBC涂层下的充满空气的圆洞表示。
图1 EM波入射在带有缺陷的涡轮叶片表面时的反射与投射情况图例（箭头代表入射与反射波的传播方向）
通过利用各层的边界条件能就够描述缺陷各层中前向与后向的传输波：空气-TBC；TBC-空气（缺陷区域）；和空气（缺陷区域）-到点边界。波导的长宽尺寸在图2中用a，b表示。对于TE01模，波导孔处的激励场分布由[7]给出：
复反射系数可用复导纳Y表示：
其中Y等于
其中
与
与
其中R与q随极坐标而变化。
三、成像方法与实验步骤
一块含有缺陷的平板用于表示涡轮叶片，其被用于检验工作于Ka波段（26.5 GHz-40 GHz）的微波无损检测/评估技术对于探测TBC下不可见缺陷的探测能力。在仿真与实际检测的中的涡轮叶片模型都由覆盖有热障涂层的铬镍铁合金平板组成。复反射系数的幅度与相位在宽频下的变化能够反映缺陷的情况，由此便可对缺陷区域进行成像。本文中，两个包含幅度与相位信息的反射系数矢量之间的关联性被提出用于评估该检测方法对于涡轮叶片上缺陷的检测能力。在数学上使用测试位置（VN）与非缺陷位置（Vref）之间的相关性系数refN得以使我们同时利用成像点的幅度与相位信息。refN的定义为：
|·|和||·||分别是是复标量的模与复矢量的欧几里得范数。两个矢量间低相关系数就会指示出异常情况的位置。
四、3D电磁模型
我们使用商用仿真软件CST中建立3D电磁模型。使用于Ka波段的OERW（标准辐射孔径7.11 x 3.56 mm）被展示于图2a中，频率范围为26.5至40 GHz。叶片模型以完美电导体（PEC）上涂覆TBC来建立用以表示TBC层与铬镍铁合金之间的粘合层。TBC层定义为无损介质，相对介电常数为25[9]。在铬镍铁合金上TBC涂层下有一个1 mm深1.6 mm直径的圆孔，如图2b所示。后退距离为 2mm。仿真步骤参数，波导与试样尺寸由表1给出。
图2 （a）K波段波导与试样（灰色的金属与蓝色的TBC涂层）。小图中是从法兰方向看上去的波导。（b）一个直径为1.6 mm的小圆孔被设置在TBC涂层下的金属上。
表1 仿真步骤参数，波导参数以及试样尺寸
|
参数 |
值 |
|
波导尺寸 (a x b) |
7.11 mm x 3.56 mm |
|
试样尺寸 |
50 mm x 40 mm |
|
TBC厚度 |
0.7 mm |
|
铬镍铁合金厚度 |
4 mm |
|
频率范围 |
26.5 - 40 GHz |
|
频点数 |
101 |
|
扫描间隔 |
2 mm |
L8
W8
D7
W0
D2
L2
L1
W1
D1
图3 仿真扫描图像，中心为直径为1.6 mm的圆孔，后退距离为2 mm
在TBC下的不可见小孔在图像中能够很好得被辨识。在非缺陷区相关性系数基本为1而缺陷区域相关性系数都小于1。尽管这项技术需要参考试样非缺陷区域的先验信息，但它能够令人满意地分辨诸如金属上的裂纹或分层等不同种类的缺陷。
五、微波无损检测/评估的实际测量
如图4所示，我们在以铬镍铁合金作为底板的涡轮叶片模型底部打了一个贯穿小孔作为缺陷。这个直径1.6 mm深4 mm的孔洞会被TBC覆盖住使得表面看上去没有瑕疵，显得非常平滑。在扫描过程中，这块试样被放置在一块金属上就像图1所示的一样。试样的尺寸由表2所示。
图4 涡轮叶片测试试样的细节
表2 涡轮叶片试样尺寸
|
参数 |
值 |
|
试样尺寸 |
100 mm x 50 mm |
|
铬镍铁合金厚度 |
4 mm |
|
TBC厚度 |
0.7 mm |
|
孔直径 |
1.6 mm |
对涡轮叶片的测试如图5所示。Ka波段末端开口波导探头被放置在一个机械位置控制器上，以2 mm的步距在XY方向上扫描试样。2中不同的后退距离被测量：1 mm、2 mm。一种便携手持充电式矢量网络分析仪被用来测量线性扫频中26.5 GHz到40 GHz的100个频点S11值。笔记本电脑被用来控制机械位置控制器并展示相关性分析后的成像结果。
图5 涡轮叶片测试场景
图6与图7显示了使用相关性分析后的对试样的成像结果，后退距离分别是1 mm与2 mm。可以观察到相关性分析技术能够在不同后退距离上在不知道最后探测频率的情况下成像。测试结果显示在非缺陷区域出现不连续的相关性系数值。这是由试样边缘的不连续性效应导致相位信息出现波动造成的。测试与仿真结果基本吻合并成功地利用所提出的方法探测到了缺陷。
图6 后退距离为1 mm时，铬镍铁合金上直径为1.6 mm的小孔的测量扫描成像效果（缺陷位置已用黑点圈标注出来）
图7 后退距离为2 mm时，铬镍铁合金上直径为1.6 mm的小孔的测量扫描成像效果（缺陷位置已用黑点圈标注出来）
六、结论<!--全文共14819字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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