渦輪葉片采用定向凝固合金和單晶合金材料，服役溫度只能達到1000℃，不能滿足現代發動機的工作溫度需要。人們發展了熱障涂層（TBC）以保護金屬基底，涂覆TBC的發動機渦輪葉片能在1600℃的高溫下運行，提高發動機60%以上的熱效率，有效地增加推重比，這使得涂層結構逐漸應用在核反應堆、航空發動機等許多領域。

涂覆TBC的渦輪葉片通常由基底、中間過渡層以及陶瓷層組成。復雜的結構和苛刻的極端高溫工作環境使得TBC在使用過程中出現脫粘缺陷引起的失效問題。因此，對TBC試件進行早期無損檢測具有重大意義。

二、實驗原理

根據Grzegorz采用盲孔缺陷代替脫粘缺陷進行分析的方法，在對TBC脫粘缺陷的檢測實驗中，通常在TBC試件的金屬基底上制作盲孔缺陷來模擬真實的脫粘缺陷。

本文的線激光掃描熱成像方法分為粗掃描階段和細掃描階段。

在粗掃描階段的檢測原理中，LLFST系統能夠在TBC試件表面匯聚出激光點，控制激光點以直線方向高速移動。當掃描速度足夠快且做線狀移動時，激光點可以看作是線激光。當該線激光以垂直于移動方向掃描時，即構成線激光粗掃描階段的熱激勵，粗掃描過程如圖1所示。

圖1 線激光掃描熱成像原理圖

當線狀激光快速掃描過TBC試件表面時，對掃描到的試件表面進行了快速線熱源加熱，掃描過后，線激光后部區域開始散熱。TBC試件的厚度相對于長度和寬度要小的多，忽略熱流的橫向擴散，忽略陶瓷層、粘接層（共400μm）和空氣的對流換熱，這一過程可簡化為在脈沖熱流和絕熱邊界條件下的一維熱傳導過程。在構件表面處的經典熱傳導方程解為：

Q為表面輸入的熱流，ρ為密度，c為比熱，α為熱擴散率，L為構件的厚度。

由Eq.1可以看出，試件表面的溫度響應與試件厚度L有關。當脈沖線熱源激勵在薄板上時，由于盲孔缺陷處的L值減小，盲孔缺陷處表面溫度的幅值會增大，且根據matlab模擬得出結論，溫度的衰減也會慢于正常區域。

進行Abaqus模擬后，得出結論：當線熱源掃描至缺陷位置時，在缺陷處溫度突然升高，高于無缺陷處的位置；當線熱源掃描過缺陷后，在缺陷處的熱圖像上發生明顯高溫處的溫度拖拽現象。

針對在粗掃檢測階段發現的排除噪音后溫度增高疑似缺陷的微區域，在細掃描階段的檢測原理中，在該微區域內進行提高功率的快速細掃描，將快速掃描的線激光近似看作為面激光脈沖加熱。

使用紅外熱像儀采集粗掃描階段和細掃描階段的紅外熱圖像。

粗掃檢測階段掃描速度快，可以在短時間內在全場范圍內檢測出較大面積缺陷，對粗掃檢測階段發現的疑似缺陷位置微區域內開展的細掃檢測階段分辨率高，對較小的缺陷有更好的分辨能力。兩種檢測階段相結合可以提高整體缺陷檢測的檢測效率和檢測靈敏度，緩解檢測效率和檢測靈敏度的矛盾。

三、后處理方法

由于真實實驗中存在噪音，并且噪音具有不確定性，僅通過紅外熱像儀拍攝的原始圖片不能夠清晰直觀地檢測出缺陷的位置及大小。為了得到更清晰直觀的溫度場圖像，我們發展了新的后處理方法來去除噪音。

對于粗掃描階段的熱圖像，本文提出了三種全新的后處理方法：構造全場定向載波溫度場并減去方法、熱源附近加窗三時刻求振幅去噪方法和自適應變權重濾波方法；通過三種方法的后處理，得到全場范圍內去掉包括邊緣噪音在內熱響應后的缺陷響應圖像。

對于細掃描階段的熱圖像對于面狀光源掃描后的溫度場，借鑒并優化李艷紅等發展的紅外熱波脈沖相位法，對掃描區域內的紅外熱圖序列中所有像素點在時間序列上進行離散傅里葉變換，即：

Eq.2中，T（k）為第k幀紅外熱圖像的溫度場，Δt為采樣間隔，n為離散后的頻率增量（n=1，2，...，N），Ren，Imn分別為變換后的復數的實部和虛部。

在頻率n處的幅值An和相位φn分別為:

求解出所有時刻溫度場圖像在給定頻率下的振幅場和相位場，再借鑒粗掃階段中構造全場定向載波溫度場并減去的方法，對振幅場和相位場進行后處理，得到疑似缺陷的微區域內的缺陷響應相位場和振幅場。

四、實驗結果

按照三中提及的后處理方法對采集到的熱圖像進行后處理，分別得到粗掃描的去除噪音的溫度熱響應圖像及細掃描階段的去除噪音后的振幅場熱響應圖像和相位場熱響應圖像。結果圖如圖2所示。

圖2 粗掃描階段的檢測原理圖

五、結論

針對TBC產生的脫粘缺陷，本文發展了線激光快速掃描熱成像方法（Linear Laser Fast Scanning Thermo graphy，LLFS），利用激光打標機和熱像儀搭建了簡便的TBC脫粘缺陷快速檢測系統。使用線激光掃描的方式對TBC試件進行粗掃描和細掃描，對掃描到的圖像發展了全新的可視化熱圖像分析算法，如在粗掃階段發展的構造定向載波溫度場降噪法、加窗三時刻振幅去噪法、自適應變權重邊緣濾窗法等，以及在細掃階段的微區范圍內求脈沖時間振幅與相位法等。文中開展了一系列模擬脫粘的TBC缺陷檢測實驗，驗證實驗表明，在粗掃階段LLFST方法可以快速清晰的檢測出特征尺寸在2mm的模擬脫粘缺陷;而在細掃階段，可以高效率的檢測出特征尺寸為1mm的模擬脫粘缺陷。