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基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展

文档作者：郭伟，董丽虹*，王慧鹏，徐滨士文档来源：中国人民解放军装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
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上一篇：舰船废气涡轮增压器喘振故障分析及排除

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航空学报
Acla Aeronaulica et AstronauIica Sinica
Feb 25 2016 V01．37 No 2 429-436
ISSN 1000．6893 CN 11-1929／V
http：∥hkxb．buaa．edu cn hkxb@buaa．edu cn
基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展
郭伟，董丽虹*，王慧鹏，徐滨士
中国人民解放军装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京100072
摘要：主动红外热像技术作为一种新型无损检测手段，具有高效率、无污染、易操作等特点，适合用于材料表面和近表
面缺陷检测，因此在叶片类薄壁零件损伤评价方面有一定优势。当前基于主动红外热像无损检测技术的高温涡轮叶片
损伤评价研究主要集中于热障涂层厚度检测、涂层脱粘检测、涂层界面处热生长氧化物检测以及叶片基体疲劳裂纹检测
4个方面。但现有研究仍然面临热激励理论不完善、红外热像仪识别精度不够高以及热图处理方法有待改进等主要问
题和困难。随着这些理论问题和技术困难的解决，主动红外热像技术呈现出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。总体而言，该技术未来在涡轮叶片损伤评价方面具有较大的应用潜力。
关键词：涡轮叶片；热障涂层；红外热像技术；损伤评估；研究现状
中图分类号：V250．2 文献标识码：A 文章编号：1000一6893(2016)02一0429—08
高温涡轮叶片主要包括航空发动机涡轮叶片
和燃气轮机涡轮叶片。该类零件的共同特点是服
役环境恶劣，除高强度热冲击外，还要在极高温度
下承受交变应力、高速冲击等复杂载荷，其最高工
作温度超过了叶片合金材料本身可以承受的范
围，所以在基体合金表面制备热障涂层(Thermal
Barrier Boating，TBC)保护叶片基体结构，以提
高涡轮叶片的使用温度，延长叶片服役寿命口]。
高温涡轮叶片一旦失效，往往会导致严重后
果，因此在叶片检修时必须通过无损评价手段准
确判断叶片的结构完整性，及时发现并预防危害
性故障，提高发动机工作安全性，这是航空发动机
故障诊断领域一直关注的问题[2]。主动红外热像
技术作为一种新型无损检测技术近年来受到广泛
关注，与其他无损检测技术相比，其在高温涡轮叶
片损伤评价方面具有一定优势，越来越多的研究
成果也表明该技术在叶片类零件损伤评价方面具
有良好的应用前景。
1 高温涡轮叶片的主要损伤形式
高温涡轮叶片的主要失效形式有热障涂层剥
落和叶片基体疲劳断裂两种。
目前广泛应用的TBC多采用双层结构，表层
是以Zr02为主的陶瓷层(Top Ceramic Coating，
TCC)，起隔热作用；陶瓷层与叶片合金基体之间
为金属粘结层(Bond Coating，BC)，起改善基体
与陶瓷涂层物理相容性的作用。热障涂层剥落会
使剥落区基体材料暴露在高温环境中，力学性能
降低，无法承受工作载荷[3]。大量研究表明导致
热障涂层在服役过程中剥落的主要因素包括残余
应力、高温氧化、冲蚀与外界物体的撞击损伤和热
氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)的堆积
收稿日期：2015．01．19：退修日期：2015—03—10；录用日期：2015-04-07；网络出版时间：2015-04-13 14：04
网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／11．1929．V．20150413 1404．005．h仃nI
基金项目：国家“973”计划(2011CB013401)
*通讯作者．Tel．：010-66718540 E-rnail：Iihong．dong@126．∞m
}|甩格武t郭伟。董葫虹．王慧鹅．等i基f红外热像技术的谓轮叶片损伤评价研究进展￡J-．航空学报．2016．37(2)：429．436i GUO
W，DONG L H，wANG H P，et a|．Res∞fch。f09re髓ol出mage estimation for lufbine b|ad∞based on lmrarea therrnograph|c
lechno|ogytJ]．Acla Aeronamica et As打onaulica s{nlca．2016．37(2)：429-436．
万方数据
430 航空学报
等[4。5]。涂层中的残余应力会导致陶瓷层分层剥
落以及与粘结层的脱粘；粘结层的高温氧化会导
致其与陶瓷层结合界面脱粘[61；高温气流的冲蚀
会导致厚度减小，隔热性能下降；外界物体的冲击
同样会导致涂层剥落；叶片高温服役过程中在涂
层界面上形成的热氧化物会增加涂层界面处的残
余应力，导致涂层脱粘。因而针对热障涂层的损
伤评价主要是对陶瓷层剩余厚度、陶瓷层脱粘、热
生长氧化物3种损伤形式的检测评估[7]。
高温涡轮叶片疲劳断裂是由于在苛刻的服役
环境下承受高温、高压、巨大离心力、腐蚀、振动等
复杂载荷，叶片根部和边缘等应力最大区域易产
生疲劳裂纹[8]，如果继续服役，疲劳裂纹扩展最终
导致叶片断裂。
2 主动红外热像无损评价技术
主动红外热像无损评价技术是将外部热量以
一定形式输人被测材料，材料中的缺陷和损伤会
影响热量在材料中的传导，从而引起材料表面热
辐射异常，通过捕捉和分析表面热辐射信息对材
料损伤程度进行评估，其原理如图1所示。与其
他无损评价方法相比，主动红外热像无损评价技
术具有如下优点[9。1⋯：①适用面广，不受零件材料
和形状的限制，可用于所有金属和非金属材料，以
及具有复杂形状的零件；②效率高，单次检测面积
大，比传统渗透检测和涡流线扫描等方法效率更
高；③无污染，无渗透液、荧光剂等残留污染物，也
无射线辐射等危害；④结合数字图像处理技术可
以实现定量检测和评估。近年来，随着热激励技
术、热成像技术和图像处理技术的迅速发展，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越来越显示出其重要性，并
有望应用于材料服役过程中的在线检测／
监测‘11I。
主动红外热像技术直接检测的物理量是材料
表面热辐射，这一参量除与材料缺陷和损伤有关
外，还受热激励方式、零件形状、材料热性能、材料
均匀性和热像仪精度等多种因素的影响。因此，
如何排除其他因素的影响，突出材料缺陷和损伤
对表面温度的影响，是该技术的关键点和难点。
当前该技术面临两个发展瓶颈：一是在目前的技
术水平下，该方法对缺陷和损伤的检测深度有限，
Excita60n sourco
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Detection object ：X互篡篙j：：：i⋯⋯。■ r1 ．L，ClCUL5I％U LU Lll‘ U《惹藏，翼；。i
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图1 主动红外热像无损评价流程
Fig． 1 Process of active infrared thermography
nondestructive evalua tion
适合检测评估材料表面和近表面缺陷及损伤，以
及厚度较小的零件，如涂层、薄板、叶片等；二是该
技术对缺陷和损伤只能进行定性检测和评估，定
量检测仍有困难。当前学者们提高该技术检测能
力主要有以下几种手段：①提高热输入均匀性；
②采取特殊激励手段对缺陷和损伤区域进行选择
性加热；③提高红外热像仪检测精度；④对热图进
行后期处理等。
3研究现状
针对高温涡轮叶片的失效形式和结构特点，
在过去的几十年，多种无损评价技术被用于涡轮
叶片的损伤评价和缺陷检测，包括涡流检测技术、
光致光谱技术、声发射技术和红外热像技术
等[1}15]。目前基于主动红外热像技术进行的高
温涡轮叶片无损评价研究主要包括热障涂层评价
和叶片疲劳损伤评估两个方面。
3．1热障涂层的损伤评价
3．1．1 陶瓷层厚度评价
陶瓷层厚度是考核热障涂层的一个重要指
标，热障涂层中陶瓷层的厚度直接决定了涂层整
体隔热性能和疲劳强度，陶瓷层烧结残余应力会
导致陶瓷层内部开裂和逐层剥离，使起隔热作用
的陶瓷层厚度减小，隔热效果下降甚至失效。同
时，工作过程中高温高速气流的冲蚀也会使涂层
万方数据
郭伟，等：基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展
厚度减小。为保证叶片服役期间的安全可靠，使
用无损检测方法对热障涂层中陶瓷层的厚度进行
检测非常必要。
主动红外热像技术用于检测各种涂覆层厚度
的研究已有先例，如等离子喷涂层的厚度[1引、人
工关节件上羟磷灰石涂层的厚度[1 7]和油漆层厚
度[183等。因此该方法也被视为无损检测TBC中
陶瓷层厚度的理想方法，国内外学者在这方面进
行的研究工作既有涂层厚度的定性比较也有定量
表征。Franke等[1鲴通过脉冲热像法研究了热循
环实验中热响应幅值与涂层厚度和热循环次数之
间的关系，研究结果表明该方法可用于在线监测
涂层的厚度变化和失效过程。Shepard等[20]研究
了脉冲热激励下测量热障涂层厚度的方法，通过
热像图信号重构(Thermographic Signal Recon—
struction，TSR)方法对获取的热像时间序列进
行处理，成功地计算了热障涂层的厚度，并对涂层
厚度呈阶梯式分布的试件进行检测实验，经TSR
软件处理后得到了涂层厚度分布图，其测量误差
小于5％。Liu等[2u对稳态热流条件下TBC厚
度不均和受冲击载荷产生的脆性裂纹的热像检测
进行了研究，用有限元法模拟了不同加热条件和
缺陷参数对温度分布的影响，并分别对有人工刻
槽的ZrO：陶瓷板和以压痕法产生涂层内部裂纹
的TBC试件进行了检测，结果表明稳态热像法可
有效地区别人工刻槽与长度约为1 mm的裂纹，
并对陶瓷层厚度进行表征。郭兴旺和丁蒙蒙∞2]
用有限元法对厚度不均匀的热障涂层在脉冲热激
励下表面过余温度、最大温差、最大对比度和最大
温差时间等可检信息参数随陶瓷涂层厚度差和
厚度的变化关系进行了数值模拟，得到了可检
参数与厚度特征参数的关系曲线，定量地描述
了主动红外热像技术表征热障涂层厚度的物理
规律。
3．1．2涂层脱粘检测
涂层脱粘也是热障涂层主要失效方式之一，
陶瓷与金属在热性能与力学性能之间的差异，使
TBC中陶瓷层和粘结层之间存在较大残余应力，
因此在热循环和高强度载荷作用下，陶瓷层与粘
结层之间结合界面成为热障涂层中一个脆弱区
域，易发生脱粘导致涂层剥落失效。
已有研究表明，主动红外热像技术在评价层
状复合材料和涂覆层材料脱粘损伤方面具有效率
高、检出率高等优势[23七5|。李果[263在分析热障涂
层失效模式的基础上，研究了主动红外热像技术
对陶瓷层一金属粘结层TBC系统3种失效形式的
评价效果，结果表明，在实验环境下该方法对热障
涂层的层间脱粘和剥落失效具有良好的检测效
果。Marinetti等[271在研究燃气轮机叶片TBC的
脉冲热像检测时，以传热过程的吸热系数e。，，的
时域分析为基础，提出以ln e。pp_ln￡曲线极小值点
对应的时间￡。i。为信息参数，该参数可以较好地区
分涂层的厚度变化和脱粘缺陷。Bision等心81的
研究工作表明，脉冲热像法不仅可以检测TBC的
脱粘损伤，还可以利用热图中提取的特征参数进
一步对脱粘与其他损伤形式进行区分。Yang和
Choi[2妇在喷涂有抗高温氧化涂层的燃气涡轮叶
片上使用该技术检测到了涂层的开裂和脱粘现
象。Marinetti等[30]对主动红外热像技术检测航
空叶片和燃气涡轮叶片中常见的热障涂层厚度不
均、脱粘等损伤进行研究，并对两种损伤形式的热
图特征进行了分析和提取。曹善友等[3。321用有
限单元法在柱坐标系下以轴对称模型描述热障涂
层的双层结构，该方法将三维导热问题简化为二
维问题，在此基础上得到了涂层脱粘参数(深度和
半径)与可检参数(表面温度及温度差)之间的定
量关系，这些关系在一定程度上可以反映红外热
像法检测热障涂层内部脱粘的物理机制。Ste—
phen为了研究不同损伤形式对激励频率的响应
情况，使用超声热像法检测了航空发动机涡轮叶
片，结果如图2所示[3 3|，经处理后的热图显示了
多处热障涂层脱粘、基体疲劳裂纹和涂层开裂
损伤。
3．1．3 热障涂层TGO检测
叶片高温服役过程中生成于陶瓷层和金属粘
结层之间的热生长氧化物(TGO)会使两层之间
界面处的应力集中增大、结合强度降低，在界面处
形成微裂纹；随着氧化逐渐加重，TGO的体积增
大，界面微裂纹开始扩展并且互相连接起来，形成
大型网状裂纹，严重削弱了陶瓷层和粘结层的界
面结合力，导致氧化层与粘结层之间发生脱粘分
层，最终剥落。
万方数据
航空学报
(a)VlsIblc Image (h)l 11c丌T109raplly(dcbondlllg In dashed border area)
罔2 涡轮叶片红外热像检测结果”
Fig．2 Testing result of turbine blades by infrared thermography[33]
目前关于TGO的产生机理、TGO对热障涂
层的影响、抑制其生长的方法有大量理论和试验
研究[3’3 4I，但仍然无法完全避免热障涂层高温服
役时TGO的形成。因此，在涂层服役过程中对
TGO进行检测和分析十分必要。Bision等[28]研
究了沿厚度方向和平面方向涂层的热扩散系数变
化，利用红外热成像系统建立了涂层热扩散系数
衰减、TGO含量和剩余循环寿命三者之间的关
系；Newaz和Chen[3朝利用闪光灯激励脉冲红外
热像法监测涂层累积损伤过程中由TGO引起的
陶瓷层一粘结层分层脱粘和陶瓷层内部组织结构
变化，并在不同积分时间下获得了不同服役阶段
的涂层表面热图，来表征涂层的累积损伤状态。
张志强等[361针对红外热像技术缺陷自动识别问
题，提出了一种基于奇异值分解(SVD)的红外序
列图像特征提取方法，并通过实验对航空发动机
叶片热障涂层损伤类型进行识别验证，实验结果
表明该方法可以自动识别热障涂层中TGO的堆
积及其导致的涂层断裂。
不规则的表面形状、复杂内腔结构和表面覆盖的
热障涂层，导致当前常用的磁粉、渗透、超声、涡流
等无损检测手段在检测该类叶片疲劳裂纹时受到
局限；射线检测效果较好，但其成本高，且存在辐
射危害。主动红外热像技术不受零件材料和形状
的限制，检测成本较低，因此在评估叶片疲劳损伤
方面具有一定优势。张淑仪等口71使用数值模拟
和实验测试相结合的方法研究了超声红外热像技
术对试件中疲劳裂纹的检测效果，模拟和实验结
果均表明在o．2 s的脉冲超声波作用后，疲劳裂
纹中心处的温度会比周围无缺陷区域升高2～
3℃，这一温度差足以被红外热像仪分辨并捕捉。
B01u等[381使用超声热像法检测航空发动机叶片
疲劳裂纹，对原始热图进行背景减去、线性滤波等
处理以增强缺陷显示效果(如图3所示)。最终在
已知有裂纹的60个叶片中，使用该方法检测出来
52个，检出率达到86％，这一结果表明，红外热像
方法可以作为一种快速评估方法，提高叶片疲劳
损伤的评估效率。
3．2叶片疲劳损伤程度评估4 面临的困难和发展方向
对于航空发动机和燃气轮机高温叶片而言，
所承受的各种高强度交变载荷不仅会造成热障涂
层失效，还会使叶片基体产生疲劳裂纹，叶片疲劳
裂纹扩展最终会导致叶片断裂，对其安全服役造
成严重威胁。因此，及时发现叶片中产生的疲劳
裂纹，对于提高高温涡轮叶片的服役安全性具有
重要意义。
目前在飞机发动机维修检测时，对高温涡轮
叶片疲劳裂纹的检测仍然以目测方法为主。叶片
4．1面临的主要困难
主动红外热像无损评价结果受多种因素的影
响，在应用于实际零件时应该首先确定该零件的
损伤形式和缺陷类型，在此基础上采取适当的激
励手段和图像处理方法。总体而言，目前针对涡
轮叶片损伤形式的红外热像评估技术还处于实验
室研究阶段，该领域的研究仍然面临以下几个
问题：
万方数据
郭伟，等：基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展
h)11hcnnal 11nage aflcr hack坚rL)LIi]d儿lhtractlng
and liIlear nltering process
图3涡轮叶片裂纹缺陷检测结果‘”]
1)对应于叶片典型缺陷的高效热激励手段
尚未建立。主动红外热像技术被用于材料检测评
估领域的时间并不长，目前大量关于热激励手段
的研究还处于初期探索阶段，热激励能量与材料
微观组织结构相互作用机理的研究仍然有待深
入，如入射热流与材料组织、内部界面的相互作
用等。
2)红外热像仪仍然是限制该技术广泛应用
的因素之一。近年来红外热像仪的各项性能得到
了较大提升，但某些关键技术指标仍然有很大的
提高空间，如常见的手持式非制冷红外热像仪探
测器分辨率仅为320×240像素，制冷式红外热像
仪分辨率可达到640×480像素，这一指标远低于
可见光图像采集设备。高质量的热图是进行缺陷
检测和损伤评估的重要依据，材料表层下具有一
定深度的微小损伤对表面热辐射的影响很小，但
在涡轮叶片等关键零件中这些微小损伤可能导致
严重后果。采集清晰的热图有助于捕捉细微的表
面温度变化，进而提高对微小损伤的识别能力。
3)针对涡轮叶片损伤形式的热图处理手段和
特征信号提取程序尚未建立。针对热障涂层损伤
和叶片疲劳裂纹的热图处理方法及特征信号提取，
是准确评估叶片损伤的前提。目前热图的处理大
多依托现有的图像处理手段，进行减背景、去噪增
强和图像序列处理等手段，还没有形成一套行之有
效的适用于叶片材料损伤评估的热图处理流程。
难，有赖于主要技术的突破和检测设备的性能提
升。随着科学技术的进步，基于主动红外热像技
术的涡轮叶片损伤评估研究也将不断取得新的进
展，目前该方面研究呈现出以下两个明显的发展
方向：
1)叶片损伤自动评估。实现自动损伤评估，
首先要提取高温涡轮叶片几种典型损伤形式的热
图特征，这是进行机器自动损伤评估的基础。在
具体检测中捕捉零件表面热图后，与这些损伤形
式的热图特征进行对比分析，确定具体零件的损
伤形式与程度。目前国内外都有学者尝试提取疲
劳裂纹、界面脱粘等损伤形式的热图特征，这些研
究数据对推进叶片损伤自动评估具有重要意义。
2)定性检测向定量检测发展。目前主动红
外热像技术在高温涡轮叶片无损评价方面尚未形
成体系，实际应用较少，对激励手段和不同缺陷的
优化组合缺乏系统的理论及实验研究，大多研究
集中于对损伤的定性评价。随着红外热像技术检
测精度的不断提高，对当前主动红外热像技术在
高温涡轮叶片无损评价方面的研究成果进行归纳
梳理，建立激励方法一叶片缺陷一热传导模式一热图
特征之间的对应关系及理论模型，形成一套针对
叶片不同部位不同缺陷的行之有效的评价体系，
有助于提高涡轮叶片无损评价效率并推动定性评
估向定量评估发展。
4．2发展方向展望5 结束语
要解决当前在涡轮叶片损伤评估中面临的困主动红外热像技术是一种新型无损评价技
万方数据
434 航空学报Feb 25 2016 VoI 37 No．2
术，该技术以其适用范围广、高效率、无污染等优
点吸引了国内外研究者的加入，其在高温涡轮叶
片损伤评价中的研究和应用都处于起步阶段，研⋯
究应用前景令人期待。随着检测设备的发展和检
测技术的进步，主动红外热像技术对高温涡轮叶
片的损伤评价正在从人工识别、定性评估向自动
识别、定量评估的方向发展，而且该技术未来有望
应用于高温涡轮叶片的在线检测和监测。
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作者简介：
郭伟男，博士研究生。主要研究方向：红外热像无损检测技术。
Tel：010—66719249
E—mail：gwhy@163．com
董丽虹女，博士，副研究员。主要研究方向：无损检测与再制
造寿命评估。
Tel：010—66718540
E—mail：lihong．dong@126．com
Research progress 0f damage estimatiOn for turbine bIades based On
infrared thermOgraphic technOlOgy
GUO Wei，DONG Lihong*，WANG Huipeng，XU Binsh
Science Qnd Technology on RemQnu|Qcturing L曲orQtory， AcQdemy o{Armored Forces Engineering， Beiiing
7DD072。C_h『na
Abstract：As a new non—destructjVe testjng technOJOgy wjth characterjstjcs of hjgh effjcjency，nOn-pOJJutjon a几d easy to operate，
actiVe infrared thermography is suitabIe fOr surface and subsurface defect detecling，therefOre it has sOme adVantages
fOr damage eValualiOn Of thin-wa¨ed parts such as turbine bIades．C：urrently，damage evaIuatiOn research fOr high-temperature
lurbine bIades based On actiVe infrared thermography majnIy fOcuse On fOur aspects：detectiOn of fatjgue crack in bIade
base material，lesling Of thermal grOwn Oxide in the interface，lhickness measurement and debOnding detectiOn Of lhermal
barrier cOalings However，there are sOme problems and di仟icuIlies fOr existing research，such as lhe thermal excitation
theOry is stiII imperfect，lhe recognitiOn accuracy Of thermal infrared imager is nOt high enough，and prOcessing melhOds Of
thermaI images need t0 be imprOVed．With the resOIve Of lhese theoreticaI and technicaI probIems，active infrared thermOg—
raphy shOwing twO deVeIOpment trends：frOm artificial lO aulOmatica¨y recOgnitjon，and from quantitative detecliOn tO qua|．tatiVe
detection of defecls．OVeraII，lhis technOIOgy has a large potentiaI on damage evaIuation of turbine blades in the future．
Key wOrds： turbine bIades； thermal barrier coatings； infrared lhermography technoIogy； damage evaIualion； research
SlatuS
Received：2015-01-19；Revised：2015一03—10；Accepted：2015-04-07；Pub¨shed On¨ne：2015·04·13 14：04
URL：www．cnki nel／kcms／detail／1 1 1929．V．20150413 1404 005 htmI
FOundatiOn item：National Basic Research Program of China(201 1CB013401)
*Corre3ponding author Tel：010-66718540 E·ma¨：lihong．dong@126 com

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