利用电磁感应红外热成像技术快速检测涂层-金属多层结构中的界面脱粘现象

《COMPOSITE STRUCTURES》：Electromagnetic induced infrared thermography for fast detection of interfacial debonding in coating-metal multilayer structure

电磁诱导热成像技术通过磁极约束实现均匀加热，可在0.8秒内快速检测涂层-金属多层结构中Φ1毫米的界面分层缺陷，并成功应用于GFRP-合金基底的检测验证。相较于传统外部加热源，该方法显著提升检测精度与效率，为涂层结构完整性评估提供新手段。

　　

Jialun Li|Chenyu Jia|Hengkun Liu|Xiaoguang Li|Ning Xu|Ji Li|Yue Li|Hong-En Chen|Zhenmao Chen|Zongfei Tong|Shejuan Xie

中国西安交通大学航空航天工程学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，非破坏检测与结构完整性评估陕西工程研究中心

摘要

涂层-金属多层结构通过在金属表面施加功能性涂层来延长基于金属的组件的使用寿命。这些涂层可以保护金属免受热损伤、磨损、腐蚀等外部因素的侵害。这种多层结构在工业应用中得到了广泛使用。最常见的失效形式之一是涂层与金属基底之间的界面脱粘。界面脱粘缺陷会降低层与层之间的结合力，从而导致涂层失效，甚至带来安全隐患。为了更好地实现对涂层-金属多层结构的完整性评估，本文提出了一种电磁感应热成像技术，能够快速检测出微小的界面脱粘缺陷。以热障涂层系统（TBCs）作为典型的涂层-金属多层结构进行研究。利用涡流加热作为内部热源，并通过引入磁轭来限制加热区域，首次在0.8秒内检测到了Φ1毫米的界面脱粘缺陷。此外，该方法还用于检测玻璃纤维增强塑料（GFRP）与合金基底之间的界面脱粘，进一步证明了其可行性。与外部热源相比，电磁感应热成像技术在准确性和效率方面具有显著优势，为涂层-金属多层结构的完整性评估提供了有力支持。

引言

涂层-金属多层结构广泛应用于在极端条件下运行的关键工程部件中，例如飞机发动机和燃气轮机[1]、[2]、[3]。这些结构通常由沉积在金属基底上的功能性涂层层组成，旨在提供对高温、腐蚀和机械磨损等的防护[4]、[5]、[6]。如图1所示，涂层与基底之间的界面粘附性对结构性能和可靠性至关重要。一旦发生界面脱粘缺陷，将显著降低结合强度，可能导致涂层过早剥落，并使基底暴露在危险环境中[7]、[8]、[9]。因此，对涂层-金属多层结构进行可靠的无损评估对于确保其安全运行和延长使用寿命至关重要。

两种具有不同应用和失效机制的代表性涂层-金属多层系统受到了广泛的研究关注。首先是应用于航空发动机和燃气轮机超合金叶片上的热障涂层系统（TBCs）[10]、[11]、[12]。TBCs通常由陶瓷顶层（YSZ）和沉积在超合金基底上的金属粘结层组成，可防止高温气体腐蚀[13]、[14]、[15]。在涉及热循环和高温氧化的服务条件下，界面处会形成热生长氧化物（TGO），产生局部应力，促使裂纹萌生并最终导致分层[16]、[17]、[18]、[19]。最新研究进一步阐明了TBCs的损伤机制，确定了热生长氧化物（TGO）的生长、顶层烧结、粘结层粘塑性以及贯穿厚度热梯度的耦合效应是热机械疲劳载荷下界面分层的关键驱动因素[20]、[21]、[22]。第二种代表性系统是玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料涂层与金属基底的结合体，由于其优异的强度重量比，在航空航天、汽车和海洋工业中得到广泛应用[23]。在这种混合结构中，GFRP涂层与金属基底之间的界面脱粘也会影响结构完整性，因此需要可靠的检测方法。因此，及早检测这两种系统中的微小界面脱粘对于防止灾难性故障至关重要。

无损检测（NDT）方法通过监测由内部缺陷引起的热、声、光、电和磁响应的变化来检测结构完整性[24]、[25]、[26]、[27]。传统的NDT技术在检测涂层-金属多层结构时存在局限性：超声波方法在多孔陶瓷中容易受到信号衰减的影响，难以检测涂层减薄[17]；涡流检测主要对基底裂纹敏感[29]；而红外热成像检测基于温度场中的瞬态热传导理论[31]、[32]、[33]、[34]。当试样被内部或外部热源加热时，会发生热传导过程，内部缺陷会干扰这一过程，导致试样表面温度分布不均匀[35]、[36]、[37]。利用红外相机收集红外图像以提取和识别缺陷，该方法具有检测结果直观、检测范围广和检测效率高的优点[38]。常用的热源包括卤素灯、激光和超声波振动[39]、[40]、[41]。

近年来，许多研究人员利用红外热成像技术对TBC结构进行了研究。Tang等人[42]使用带有平底孔缺陷的TBCs作为脱粘缺陷模型，提出了基于马尔可夫-PCA-BP的预测系统来识别缺陷深度和直径；Liu等人[43]开发了一种线性激光快速扫描热成像方法，并结合多种后处理算法来准确检测TBCs中的盲孔缺陷；Zhu等人[44]使用涡流热成像方法检测Φ2毫米的界面脱粘缺陷，并开发了自适应载波算法来解决温度分布不均匀的问题；Tang等人[45]利用卤素灯产生的长脉冲红外波实现了Φ2毫米直径的脱粘检测。然而，仍存在一些局限性：（1）大多数研究使用平底孔作为缺陷模型，这与实际界面脱粘在形态和热行为上存在根本差异；（2）卤素灯等外部热源往往会导致加热不均匀，降低检测精度；（3）快速准确地检测TBCs和GFRP-金属结构中的微小缺陷仍然具有挑战性。

由于红外热成像检测的准确性与其加热效率密切相关，为了提高检测精度和效率，本文提出了一种电磁感应红外热成像技术，通过磁轭实现局部快速均匀加热，从而实现对微小缺陷的准确高效检测。准备了带有界面脱粘缺陷的TBCs和GFRP试样，以模拟实际界面脱粘的形成过程。与不同热源的红外热成像检测相比，得出以下结论：使用卤素灯作为外部热源时，加热不均匀会导致检测遗漏，检测效率较低；使用电磁加热作为内部热源时，均匀加热能够有效检测微小缺陷。同时，结合仿真和实验结果表明，引入磁轭进一步提高了加热效率和均匀性，可在0.8秒内准确快速检测到Φ1毫米的缺陷。电磁感应热成像技术在涂层-金属多层结构的检测中提供了技术支持，提高了红外热成像检测的准确性和效率。该方法对于重大设备的结构评估具有重要意义。

电磁热效应

电磁感应红外热成像基于电磁热效应原理。交流电流通过激励线圈产生交变磁场，围绕该磁场的导体会产生涡流[46]、[47]、[48]。如图2所示，这些涡流在导体中流动并产生热量。

涡流加热模块设计与仿真

涡流对金属基底进行加热时，加热区域与磁通量分布有关。如图5(a)和(b)所示，仅使用激励线圈进行涡流加热可能会遮挡检测区域的视野，导致加热不均匀。为了解决这个问题，系统中引入了磁轭。

实验系统建立

涡流红外系统如图8(a)所示。高频涡流激励单元由Ambrell Instruments制造。激励线圈的材料为空心铜线，管径为Φ6毫米，壁厚为1毫米。螺旋激励线圈的中心直径为90毫米，壁厚为230毫米。实验中，激励时间为2秒，激励电流为384A，频率为167kHz，采集帧率为

结论

本文提出了一种电磁感应红外热成像方法，能够实现对涂层-金属多层结构中微小界面脱粘缺陷的高精度和高效检测。具体结论包括：

• (1)
  根据电磁热效应原理和涂层-金属多层结构的特点，提出了一种电磁感应红外热成像方法。

CRediT作者贡献声明

Jialun Li：撰写——原始草案、方法论、研究。Chenyu Jia：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。Hengkun Liu：撰写——审稿与编辑、研究。Xiaoguang Li：验证、监督。Ning Xu：验证、监督。Ji Li：监督、资金筹集。Yue Li：验证、数据分析。Hong-En Chen：资源协调。Zhenmao Chen：监督、资源协调。Zongfei Tong：监督、资金筹集、数据分析。Shejuan Xie：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号：12572212、12402226）和中国国家自然科学基金创新科学计划的支持。作者还要感谢日本东北大学流体科学研究所的通用合作研究项目（项目编号：J26I090）。