电磁热多场融合：热障涂层微小及共存缺陷的无损定量评估新方法

《Nature Communications》：Non-destructive evaluation of defects in thermal barrier coating system using combined electromagnetic and thermographic signals

为解决热障涂层(TBCs)中微小及共存缺陷难以无损检测与定量评估的难题，研究人员开展了基于电磁与热成像信号融合的无损评估(NDE)研究。该研究通过优化磁路设计，实现了0.7 mm脱粘缺陷的快速检测，并利用决策级融合技术，成功识别了缺陷类型并量化了共存缺陷的尺寸，为多层结构的安全评估提供了新途径。

　　

在航空发动机和燃气轮机的心脏——涡轮叶片上，覆盖着一层薄薄的“隔热服”，这就是热障涂层(Thermal Barrier Coating, TBCs)。它通常由顶层的陶瓷涂层(Top Coating, TC)、中间的粘结层(Bond Coating, BC)和底部的超合金基体(Substrate)构成，能有效保护叶片免受高温、腐蚀和冲击的侵害。然而，在制造和使用过程中，由于各层材料热膨胀系数不同以及疲劳载荷的作用，TBCs内部极易产生两种致命缺陷：一种是粘结层与陶瓷层之间的界面脱粘(Interfacial Debonding)，另一种是基体内部的裂纹(Substrate Crack)。更危险的是，这两种缺陷常常同时存在，相互影响，严重威胁着发动机的安全运行和服役寿命。

因此，对TBCs中的微小缺陷进行快速、准确的无损检测与评估，是保障航空发动机安全的关键。然而，这却是一个世界性难题。传统的无损检测方法各有局限：红外热成像(Infrared Thermography, IRT)虽然对脱粘缺陷敏感，但容易受到热模糊效应的影响，难以检测微小缺陷；涡流检测(Eddy Current Testing, ECT)虽然能有效检测金属基体中的裂纹，但对非导电的陶瓷层脱粘缺陷却无能为力。更重要的是，当脱粘和裂纹这两种缺陷共存时，如何将它们区分开来，并分别量化其尺寸，更是传统单一检测方法无法逾越的鸿沟。

为了攻克这一难题，西安交通大学谢社军、陈振茂、王铁军团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们提出了一种基于电磁与热成像信号融合的无损评估新方法，成功实现了对TBCs中微小缺陷的快速检测、类型识别以及共存缺陷的定量评估。

为了开展这项研究，作者团队构建了一套集成的实验系统，并采用了多项关键技术。首先，他们设计并优化了磁路系统，利用磁轭(Magnetic Yoke)将磁场集中并引导至检测区域，消除了提离效应(Lift-off Effect)，形成了均匀的加热源。其次，他们通过盐溶法(Salt Dissolution Method)制备了与真实服役状态高度接近的脱粘缺陷样品，并通过电火花加工制造了不同尺寸的基体裂纹样品，为实验验证提供了可靠的样本。在信号处理方面，他们采用了决策级融合(Decision-level Fusion)策略，将红外热成像信号与涡流电磁信号进行互补分析。最后，他们利用深度学习算法，如Faster-RCNN和Segment Anything Model (SAM)，对热图像中的缺陷进行自动检测和精确分割，实现了缺陷的定量化表征。

实验装置与磁路优化

为了验证该方法，研究人员搭建了一套集成的实验系统，包括感应加热元件、红外相机、冷却装置、激励线圈、磁轭、检测线圈和控制系统。通过数值模拟，他们发现磁轭能够将磁场集中，在磁轭两极之间形成均匀的加热区域。模拟结果表明，在加热时间为0.2秒时，0.7毫米的脱粘缺陷能够产生清晰可见的低温区，而加热至0.8秒时，由于热模糊效应，信号变得模糊。通过对比不同磁轭跨距下的温度分布，他们最终确定25毫米跨距的磁轭具有最佳的检测特性，并将其用于后续实验。

微小缺陷的检测

研究人员对典型的界面脱粘和基体裂纹进行了实验。实验结果表明，在加热阶段，红外图像中能够清晰地显示出与缺陷对应的低温区。该方法能够在0.2秒内检测到直径仅为0.7毫米的界面脱粘缺陷，以及长度为2毫米、深度为0.5毫米的基体裂纹。这证明了该方法对于TBCs中不同微小缺陷的快速检测能力。

缺陷类型的识别

为了识别缺陷类型，研究人员采用了基于热成像信号和电磁信号的决策级融合策略。他们发现，对于界面脱粘缺陷，热成像信号会受到影响，而电磁信号则没有明显变化；对于基体裂纹，热成像信号和电磁信号均会受到显著影响。因此，通过分析两种信号的响应模式，可以准确地区分缺陷是界面脱粘还是基体裂纹，从而解决了仅凭热图像难以识别缺陷类型的问题。

共存多缺陷的量化

对于同时存在界面脱粘和基体裂纹的复杂情况，研究人员通过决策级融合实现了缺陷的分离与量化。由于界面脱粘对电磁信号没有影响，因此电磁信号仅包含基体裂纹的信息。他们首先利用电磁信号对基体裂纹的尺寸进行量化。然后，利用基体裂纹的量化信息，从热成像信号中分离出界面脱粘的信息。最后，通过图像分割算法，对界面脱粘的轮廓进行精确量化。实验结果表明，该方法对脱粘缺陷的量化精度高达96.8%，成功实现了对共存多缺陷的定量评估。

该研究提出了一种基于电磁与热成像信号融合的无损评估新方法，为TBCs中微小及共存缺陷的检测与评估提供了全面解决方案。通过优化磁路设计，该方法实现了对0.7毫米脱粘缺陷和2毫米基体裂纹的快速检测。通过决策级融合策略，该方法能够准确识别缺陷类型，并成功分离和量化了共存的界面脱粘和基体裂纹。这项研究不仅解决了TBCs无损检测中的关键难题，也为其他多层结构的缺陷评估提供了新的思路和方法。