引 言

燃氣輪機和航空發動機（簡稱“兩機”）作為新一代動力裝置，是集氣動系統設計、精密技術加工、先進材料及制造等高新科技于一身的多學科交叉領域。其中，航空發動機更是被譽為“皇冠上的明珠”，其研發及制造水平代表著一個國家的工業基礎實力和綜合科技水平。以航空發動機為母型機改型制造的輕、重型燃氣輪機已經被應用于發電、船舶動力等重要領域。

目前，世界民用航空發動機的生產商主要是英國羅羅（RR）、美國通用電氣（GE）和普惠（PW）。重型燃氣輪機生產商則主要是GE、日本三菱（MHI）和德國西門子。而我國在兩機核心技術方面的自主技術創新能力仍然欠缺，隨著我國“兩機專項”的全面推進，我國科研人員正全力以赴趕超歐美國家的制造水平，爭取早日實現“彎道超車”生產出中國研發、中國制造的“中國燃機”。

近年來，燃氣輪機的工作溫度在不斷提高。目前，日本三菱重工研發的M501J型燃氣輪機的透平進口溫度已經達到了1600°C（圖1），而高推重比戰斗機中的發動機工作溫度甚至可以達到2000°C以上。然而，應用于燃氣輪機高溫部分的鎳基合金極限工作溫度通常不超過1000°C，因此對高溫部件，特別是透平動葉片的熱防護，是保證燃氣輪機使用壽命和熱效率的重要課題。

圖1 J級燃氣輪機的結構示意圖

熱障涂層（thermal barrier coatings，TBCs）是合金葉片熱防護的一種有效途徑。顧名思義，熱障涂層就是在合金葉片表面制備一層“熱的障礙”，從而實現對合金葉片的保護。目前，先進的熱障涂層可以使合金表面溫度下降200~300°C。

熱障涂層通常具有雙層結構，如圖2所示，包括承擔了絕大部分溫度梯度的陶瓷層，約為100~400 μm，近年來國際上的燃機高溫葉片熱障涂層都向厚膜方向發展（美國GE及日本三菱的高溫涂層厚度都大于1 mm）。在陶瓷層與基體之間提供結合強度的合金粘結層，約為100 μm。高溫環境下，氧穿過陶瓷層與合金過渡層中的金屬元素結合，在陶瓷層和合金黏結層的界面處形成一層以α-Al2O3為主的熱生長氧化層（TGO）。通常，熱障涂層主要是指陶瓷層的部分。

圖2 合金葉片表面熱障涂層的結構示意圖

 

熱障涂層材料的性能要求與失效機理

除了承擔內部高達1°C/μm的溫度梯度外，熱障涂層還需要承擔高溫熱循環過程中產生的應變，抵抗夾雜顆粒物的高速沖擊以及高溫燃氣的熱化學腐蝕。為了保持優異的熱防護效果和使用壽命，熱障涂層材料需要具備以下關鍵性能：

1低熱導率

低熱導率是熱障涂層材料最重要的性能，是熱障涂層熱防護能力的關鍵。據報道，在現役熱障涂層材料的基礎上，熱導率降低50%，可以使合金基體表面的溫度下降約55°C，從而極大地延長合金部件的使用壽命。因此，降低熱導率仍然是提高熱障涂層材料隔熱能力的主要途徑，也是熱障涂層材料的研究重點。

2高溫熱穩定性

高穩定性是熱障涂層長時間服役的基礎，包含了豐富的內涵。首先，熱障涂層材料需要具有較高的熔點，在高溫燃氣中不發生熔化、軟化和蠕變等失效情況；其次，在室溫到燃氣溫度之間的范圍內，要求材料的化學成分和晶體結構穩定，不發生分解和結構突變；此外，在高溫條件下長時間工作時，熱障涂層需要保持穩定的顯微結構，例如晶粒尺寸和氣孔率，因此熱障涂層材料需要具備較高的抗燒結性；最后，熱障涂層材料還需要抵抗來自于空氣中灰塵的CaO-MgO-Al2O3-SiO2混合氧化物的化學腐蝕（CMAS腐蝕）。

3高熱膨脹系數

在高溫熱循環過程中，陶瓷層、黏結層與合金基體之間熱膨脹系數的差異會在二者界面處產生較大的應力，從而導致熱障涂層開裂剝落，產生嚴重的后果。合金葉片采用的鎳基高溫合金的熱膨脹系數約為16×106 K-1，遠高于熱障涂層材料的熱膨脹系數。因此，提高熱障涂層材料的熱膨脹系數也是提高其性能的鍵。

4優異的綜合力學性能

熱障涂層材料的服役環境極為苛刻，除了良好的穩定性和熱學性能，優異的綜合力學性能也是保證熱障涂層使用壽命的關鍵。

其中，適當的高硬度有利于提高涂層抵抗顆粒物高速沖蝕的能力；較低的彈性模量可以提高涂層對拉伸應力的承受能力，彌補熱障涂層與合金基體之間熱膨脹系數的不匹配；較高的斷裂韌性和強度則會有效降低涂層中裂紋擴展的速率，抑制涂層開裂，從而延長熱障涂層的循環壽命。

熱障涂層在服役環境中不僅承受著高溫、高壓的燃氣，而且還承受著高熱流輸入、高溫度梯度、應力梯度、離心力等作用。因此，熱障涂層失效機理復雜，EVANS和LEVI等總結了電子束物理氣相沉積（EB-PVD）熱障涂層的失效機制，如圖3所示。

圖3 當前熱障涂層典型失效機理示意圖

內部因素主要指熱障涂層體系中各層熱膨脹系數的不匹配、熱生長氧化物（TGO）產生后引起的界面裂紋、陶瓷層的燒結等；外部環境因素主要包括高溫沖蝕失效和CMAS腐蝕失效等。

圖4 大氣等離子噴涂（APS）涂層中的4種裂紋存在形式示意圖及其截面顯微形貌

圖5 CMAS腐蝕EB-PVD涂層示意圖及其顯微形貌

 

熱障涂層的無損檢測

由于熱障涂層具有特殊的微結構和多界面、多相特點，同時在惡劣的服役環境下涂層存在組織結構退化、微裂紋萌生擴展、熱物性和力學性能退化、涂層減薄、TGO生長、應力水平變化等現象，傳統的涂層質量評價和性能表征多依靠破壞式檢測和模擬服役環境測試，亟待在制備態涂層質量控制及涂層服役階段狀態診斷方面發展簡單可行和快捷的無損檢測方法。

歐美發達國家在無損檢測領域開展了大量的研究和一定的應用，美國能源部為了滿足燃氣輪機和航空發動機渦輪熱端部件材料的研制發展需求，設置了DOE-NTEL計劃，其中重點針對熱障涂層監測、測試及性能表征的無損檢測技術開展了研究，發展了聲發射技術、紅外熱成像技術、光激發熒光壓電光譜等無損檢測技術，并系統的開展了無損檢測信號和涂層性能、特征變化的規律性研究。

目前，紅外熱成像技術針對陶瓷涂層分層剝離，聲發射技術針對模擬服役環境中涂層裂紋監測等研究取得了一定進展。渦流檢測技術可用于涂層內部大面積氣孔、TGO層中β-Al2O3層的厚度以及陶瓷層的剩余厚度檢測，進而定性分析涂層的狀態和剩余壽命。國內外目前均已研制出涂層厚度渦流檢測儀，但該方法大多數研究應用還集中在單層涂層的厚度測量，很少考慮多層涂層的導電性對厚度測量的影響，測量精度較低。

熱障涂層具有多層、多界面和多相結構，其性能變化與制備材料、工藝及工藝參數密切相關，且其在服役過程中不斷發生退化（陶瓷層的燒結及相變、裂紋缺陷的產生等），這些因素使得維持熱障涂層無損檢測技術測量涂層性能的準確度變得極其困難，如對于渦流檢測，陶瓷層厚度檢測受粘結層影響；對于紅外熱成像檢測，檢測精度受涂層厚度和導熱系數影響。針對熱障涂層生產過程中的質量控制和服役過程中的維修問題，目前熱障涂層無損檢測研究主要集中在厚度測量、缺陷檢測和涂層剩余壽命評估方面。

1超聲檢測

超聲檢測（UT）技術具有檢測靈敏度高、應用范圍廣、使用方便及成本低等優點。目前，關于涂層超聲檢測研究方法主要集中在超聲脈沖回波技術、超聲顯微鏡技術和超聲表面波技術。

超聲檢測技術可用于涂層厚度、密度、彈性模量以及結合質量等檢測。了解涂層聲學特性是涂層超聲檢測與表征的前提，在此方面，Lescribaa等分析了等離子噴涂MCrAlY/YSZ涂層聲速和衰減系數，證明該技術具有檢測等離子噴涂材料彈性和微觀結構演變的潛力；Sugasawa等通過引入群延遲譜法分析材料聲學特性并將其用于等離子噴涂氧化鋁涂層檢測，成功評估了聲速和涂層密度。

針對噴涂涂層聲學特性，Rogé和Fahr等利用超聲脈沖回波技術探索了其對陶瓷層和粘結層界面氧化物、陶瓷層孔隙率評估的能力，檢測原理如圖6所示。

圖6 超聲波脈沖回波技術檢測原理和TBC樣品典型超聲波信號

Chen等通過開發的脈沖回波技術對熱循環后等離子噴涂MCrAlY/YSZ涂層進行超聲波檢測，證明了該技術可以檢測陶瓷層/TGO界面早期分層缺陷。

韓國成均館大學對APS熱障涂層試樣進行了水浸UT，結合適當的信號處理和分析技術，獲得了涂層界面層離的掃描圖像，并利用現有的數學模型對層離程度進行了評價。

國內大連理工大學、北京理工大學等都對熱障涂層超聲檢測進行了系列研究。大連理工大學基于超聲波反射系數振幅譜，同時得到了EB-PVD熱障涂層試樣的涂層厚度及其縱向波速，進而根據超聲波反射系數相位譜，實現了對涂層密度的無損檢測。此后，采用超聲反射系數振幅譜評價EB-PVD熱障涂層中TGO的生長情況，發現氧化引起的TGO演化改變了陶瓷層與其相鄰介質之間的聲阻抗匹配關系，并提出可采用諧振頻移確定TGO厚度。

北京理工大學在超聲顯微鏡技術表征涂層結合強度方面進行了深入研究，并且已經聯合上海材料研究所有限公司等單位制定了《無損檢測涂層結合強度超聲檢測方法》國家標準。

熱障涂層具有多層結構、厚度較小且不均勻，不僅超聲信號受到時間和頻率的限制，而且增加了超聲信號提取、分析和處理的困難。涂層的性能受其制備方法、工藝參數等多種條件影響，這些因素使得超聲檢測難以獲得統一的彈性模量、密度等力學、物理性能數據，降低了涂層檢測的可靠性。除此之外，傳統超聲檢測一般需將被測件浸入水中，在實際發動機部件的應用范圍受限。

未來熱障涂層超聲無損檢測方法需在提高超聲檢測時間與頻率分辨力、信號分析處理技術方面繼續發展，進一步提高涂層檢測精度，增強檢測結果可靠性。

2聲發射

聲發射（AE）檢測技術具有動態實時檢測、對材料缺陷敏感的特點，是首先用于定性和定量評價TBCs系統中YSZ退化過程的無損檢測方法。

圖7 AE檢測原理

在TBCs發展早期階段，裂紋擴展對TBCs的壽命起決定性作用。裂紋的產生和演變會產生噪音，通過AE技術監測噪聲響應，可對熱障涂層進行實時檢測、預測涂層使用壽命。

國內外學者對AE技術熱障涂層無損檢測的應用范圍和相關理論做了大量研究。湘潭大學通過AE技術分別研究了處于熱循環和高溫CMAS腐蝕下熱障涂層的失效模式，獲得了涂層損傷行為與聲發射信號的關系。

Park等利用聲發射技術對高溫熱疲勞下的TBCs損傷進行了診斷，結果表明TGO中的應力及微裂紋是產生聲發射信號的源頭；Renusch等基于聲發射技術，對TBCs循環氧化過程進行監測并建立了TBCs損傷動力學模型，為預測涂層壽命提供了理論基礎。

近些年，為解決傳統AE設備傳感器受高溫環境限制的問題，日本Kaita等采用新型非接觸激光AE技術，實現了大氣等離子噴涂技術制備TBCs陶瓷層過程的實時監控（圖8），進一步拓展了AE技術的應用范圍。

圖8 激光聲發射測量設備檢測熱噴涂過程

AE技術存在采集的信號信息復雜、數據處理困難和理論分析不夠完善等問題，距熱障涂層檢測的工程化應用尚存在一定距離。AE技術未來在熱障涂層檢測的發展應用需要更先進的傳感器和更先進的信號分析系統。

3紅外熱成像

紅外熱成像技術（IRT）是一種基于瞬態熱傳導的無損檢測方法。樣品內部缺陷會影響熱量傳遞，導致表面溫度分布不均，IRT技術通過紅外熱像儀記錄表面的熱像圖，識別出樣品損傷，其原理如圖9所示。

圖9 紅外熱成像原理圖

根據紅外輻射來源，紅外熱成像分為兩類：主動式紅外熱成像（外部加載產生熱激勵）和被動式紅外熱成像（試樣本身的紅外輻射）。主動式紅外熱成像根據加熱方式的不同，分為脈沖熱成像、調制熱成像、階躍熱成像、輻射熱成像等，其中最常用的是脈沖熱成像和調制熱成像。

IRT技術已經在國外達到了工程化應用水平，如美國TWI公司在紅外熱像檢測方法領域實現標準化；德國西門子公司應用紅外熱成像手段實現了對燃氣輪機渦輪葉片熱障涂層實時在線監測，并建立了在線狀態評估模型。

目前，IRT技術主要用于檢測涂層厚度、涂層裂紋和脫粘。Shrestha等利用脈沖熱成像和調制熱成像技術檢測非均勻TBCs的厚度，結果表明，脈沖成像精度為0.3~2.3 μm，其檢測速度比調制熱成像快，且精度更高。

基于脈沖紅外熱成像技術，Tang等通過將主成分分析法與神經網絡理論相結合的方式來識別TBCs脫粘缺陷，結果表明對于直徑與深度比為1.2~4.0的脫粘缺陷，預測誤差為4%~10%，證明了IRT技術能夠定量檢測TBCs脫粘缺陷。

在涂層壽命預測研究方面，Bison等通過分析涂層平面方向和厚度方向熱擴散系數規律，采用紅外熱成像系統確立了熱擴散系數衰減與涂層剩余循環壽命之間關系；Newaz等采用IRT技術確立了熱循環過程中涂層分層與熱信號幅值的關系，驗證結果表明IRT技術可以評估TBCs的損傷程度，并能夠監測其健康狀態。

首都師范大學、中國農機院采用IRT技術分別對熱循環、模擬服役環境過程中的TBCs的狀況進行監測并分析了涂層損傷機理，實現了不同失效模式下，對涂層的破損趨勢的評估與預測。

北京理工大學開發了一種激光多模式掃描熱成像技術，實現了對熱障涂層表面裂紋位置和形狀的快速檢測，在線掃描階段可以快速檢測到寬度大于20 μm的表面裂紋，而在點掃描階段可以準確檢測到9.5 μm寬的表面裂紋。

IRT技術具有單次檢測面積大、檢測結果直觀、檢測效率高和非接觸等優點，但是這種方法測試一般需要測試件被加熱，涂層的厚度和導熱系數都會影響檢測精度。目前IRT技術對于TBCs的檢測結果集中于對損傷的定性評價。隨著熱激勵技術、熱成像技術和圖像處理技術的發展，IRT技術的檢測精度將繼續提高，推動熱障涂層IRT技術由定性檢測向定量檢測發展。

4阻抗譜

當前服役熱障涂層壽命的影響因素中，TGO層的產生、演化及其損傷具有關鍵作用。在涂層失效之前評估涂層損傷（尤其是TGO層）狀態對預測涂層剩余壽命至關重要，而AE和IRT技術都不能對TGO層的微觀結構演化進行檢測，故發展出了阻抗譜和光致熒光光譜（PLPS）技術。

阻抗譜檢測技術是利用材料或器件阻抗的交流頻率響應來檢測材料損傷與破壞的一種技術，其原理見圖10。

圖10 阻抗譜法設備原理圖

TBCs阻抗譜檢測可分為兩種，即高溫干燥環境中應用的阻抗譜法（IS）和電解液中測量使用的電化學阻抗譜法（EIS）。

兩者在TBCs無損檢測方面各具優勢，如EIS在測量過程中，電解液能夠滲入TBCs的孔洞、微裂紋等缺陷，EIS在檢測TBCs的孔隙率、孔的尺寸和形狀、甚至機械性能等方面具有很大的優勢。

Sohn等采用EIS技術測量TBCs中液體電解質的阻抗變化，確定了TBCs微觀結構演化與電化學阻抗響應之間的關系。Gómez-García等采用EIS技術將恒溫氧化后TBCs阻抗譜響應與其機械性能相關聯，證明該技術有能力評估TBCs的微觀結構的退化和機械性能的衰減。

IS在表征YSZ、TGO以及兩者界面處微觀結構和組成成分的演變方面具有優勢。Ogawa等首次應用IS技術研究了大氣等離子噴涂TBCs退化過程中反應層的形成和YSZ陶瓷層中裂紋的檢測。在此基礎上，Xiao等應用IS技術監測了恒溫氧化下TGO的演化、YSZ面層的燒結和相變、TGO和粘結層的界面裂紋擴展，為預測服役期間TBCs剩余壽命奠定了基礎。

近些年，國內在TBCs阻抗譜檢測方面也取得了一定成果。廣東工業大學采用IS技術系統研究了高溫氧化條件下TBCs微觀結構，獲得了阻抗譜值隨TGO厚度及陶瓷層微觀結構變化規律。

北京航空航天大學利用IS技術研究了基體曲率與熱障涂層結合強度的關系、CMAS沉積物對涂層微觀結構的影響以及恒溫氧化過程中TGO的演化。

為了減少阻抗譜法檢測誤差，湘潭大學對不同阻抗譜測量條件進行了數值分析，確定了測量誤差和電極尺寸之間的關系，消除了電場發散影響。

阻抗譜檢測技術在TBCs無損檢測應用具有檢測速度快、檢測范圍廣的優點。但由于TBCs的復雜多層結構，系統中多個元素的阻抗響應往往相互重疊，IS檢測強烈依賴于電極的尺寸和接觸面積，這些都影響著TBCs阻抗譜檢測精度。除此之外，阻抗譜檢測屬于接觸式檢測，也限制了其未來在熱障涂中的廣泛應用。

5光致熒光光譜

材料內部發射的某些拉曼光或熒光會隨著物體內部的應力變化產生移動和變形，光致熒光光譜（PLPS）通過測定TGO中某離子（通常是Cr3+）受光激發后產生R1和R2雙峰型熒光光譜，進而根據特征頻率的改變量得到應力值，其原理如圖11所示。

圖11 PLPS原理示意圖和典型含Cr的α-Al2O3層內無應力（虛線）和有應力（實線）的R1/R2熒光光譜圖

基于上述原理，PLPS可以直接測量TGO中的局部彈性應變能，定量分析涂層剝落之前的局部損傷程度，預測涂層剩余壽命。

20世紀90年代，美國加州大學的Clarke等首次采用PLPS技術對TBCs進行無損檢測，隨后該技術在TBCs領域的研究工作逐步深入化。

Wen等使用PLPS技術檢測EB-PVD/(Ni, Pt)Al熱障涂層中TGO層，通過探測樣品內部微裂紋激發產生的光信號，實現了對微裂紋等缺陷存在位置的精準化測量。

Wang等采用PLPS技術研究熱循環時葉片上TBCs中殘余應力，為揭示表面曲率對應力演變和涂層失效行為奠定了基礎。

PLPS在高溫涂層無損檢測方面的研究與應用主要集中在EB-PVD TBCs。激光在熱噴涂制備的TBCs孔穴和晶界處易發生散射作用，反射的信號較弱，無法實現精確測量。EB-PVD沉積的TBCs具有柱狀晶的結構特點，信號容易穿透，反射信號強。

近些年，為開拓PLPS技術在熱噴涂TBCs無損檢測領域的應用，Lima等采用優化PLPS數據收集參數方法評估大氣等離子噴涂TBCs中TGO中的殘余應力。結果表明，該方法能夠定量測量TGO內的殘余應力。Yang等采用PLPS技術測量PS-PVD TBCs中的殘余應力，證明了其可用于表征PS-PVD涂層的非破壞性檢測。

 美國康涅狄格大學通過采用激發/接收同軸光纖與高精度拉曼/熒光光譜儀相集成的方式，研發出一套適用于渦輪葉片熱障涂層無損檢測與質量控制的便攜式PLPS裝置，并對比分析了不同材料體系下TGO殘余應力均值、方差以及PLPS信號中無應力強度比等特征參數與涂層剩余壽命間的關聯。此后，意大利CESI公司對上述裝置進行了改進，重新設計了一種適用于狹小空間的L形孔探光纖探頭，實現了對渦輪葉片熱障涂層的原位檢測。 

目前，PLPS檢測結果的準確性還有待提高，未來需通過降低激光入射距離、減小儀器噪聲干擾、增加不同測試點等手段提高測量結果的準確性。

6太赫茲時域光譜

通過太赫茲脈沖可以分析材料的性質，其中太赫茲時域光譜技術（THz-TDS）是目前廣泛使用的一種測量手段，其原理如圖12所示。相比于其它傳統的光譜干涉檢測技術或微波檢測技術，THz-TDS技術不需要K-K變換來提取材料光學參數，不僅減少了計算量，而且提高了檢測結果的可靠性和精度。

圖12 太赫茲時域光譜系統基本原理

THz-TDS技術具有光學常數提取方便、非電離、非破壞性、成像分辨率高和能夠深度成像等優點，在TBCs陶瓷層無損檢測方面具有廣闊的應用前景。

 Fukuchi等通過THz-TDS測量樣本的折射率，根據太赫茲波在陶瓷層表面相鄰兩次反射之間的時間差Δt計算涂層厚度，如圖13所示。結果表明，此方法測定的6個TBCs樣品厚度（300~620 μm）與顯微鏡測量厚度吻合。

圖13 太赫茲波在TBCs陶瓷層中的多次反射和典型的反射波形

為提高THz-TDS技術測量精度，Krimi等提出了一種陶瓷層厚度測量自校準方法。該方法對于厚度為311 μm涂層，測量最大偏差約3 μm，即相對偏差約為1%。

在TBCs退化檢測方面，Chen等運用THz-TDS技術對TGO層、陶瓷層與金屬層界面缺陷的演化過程進行了研究，證明了THz-TDS技術具有預測渦輪葉片熱障涂層故障的潛力；White等研究了THz-TDS成像技術在TBCs領域的應用，通過對航空發動機渦輪葉片TBCs進行二維成像，分辨出YSZ層的異常區域。

Watanabe等通過THz-TDS評估等離子噴涂TBCs陶瓷層的透射率和介電性能，表明THz-TDS技術不僅適用于YSZ-TBCs微觀結構的無損評估，而且可以檢測高溫環境中涂層燒結導致的微觀結構變化（如致密化）。

目前，THz-TDS對熱障涂層的無損檢測處于起步階段，存在理論模型有待完善、檢測成像速度低和成像分辨率有待提高等問題。然而，鑒于太赫茲在塑料、泡沫和復合樹脂等無損檢測領域取得的豐碩成果，THz-TDS技術在未來TBCs無損檢測中將發揮重要作用。

7渦流檢測

渦流法是基于電磁感應原理，通過測量線圈阻抗或感應電壓的變化來反映待測對象材料屬性，主要用于檢測熱障涂層厚度以及內部缺陷，可細分為脈沖渦流（PEC）檢測技術與渦流熱成像（ECT）技術。

PEC檢測技術也稱為暫態渦流檢測技術，通過在線圈中通入恒定電流或電壓，在待測構件中產生穩定磁場，當斷開輸入時，線圈周圍會產生電磁場，該電磁場由直接從線圈中耦合出的一次電磁場和構件中感應出的渦流場產生的二次電磁場兩部分疊加而成。后者包含了待測構件厚度或缺陷等信息，采取合適的檢測元件和方法對二次場進行測量、分析，即可得到待測構件信息。目前該技術已應用于EB-PVD熱障涂層陶瓷層厚度和黏結層厚度及電導率等參數的測量。

ECT技術是一種將電磁感應生熱和瞬態紅外熱成像相互結合的混合檢測技術，可在相對較大區域內實現快速有效的缺陷檢測和材料特征提取。當檢測線圈通入高頻交變電流時，待測導電材料內產生渦流，而待測材料中的缺陷一般呈現出高阻態，其存在會改變電流分布，在缺陷區域產生焦耳熱，通過熱像儀捕捉變化的熱信號，經采集終端處理后即可實現對表面或近表面缺陷檢測。目前該技術已實現對帶熱障涂層平板/圓片試件中預制黏結層表面脫黏缺陷（φ2 mm）和陶瓷層盲孔缺陷（φ0.5 mm）以及真實渦輪葉片中預制脫黏缺陷（φ2 mm、φ3mm）的無損檢測。

8計算機斷層成像

計算機斷層成像（CT）法是利用X射線照射待測對象，獲得對象在不同角度的X射線吸收襯度，通過反投影重構待測對象的三維形貌（圖14），可以清晰、準確、直觀地展示熱障涂層內部的結構、組成、材質及缺陷，但檢測成本相對較高，并且由于設備空間限制，通常只能采用小型試樣。

圖14 CT原理示意

普惠公司、伯明翰大學等研究機構先后將CT技術應用于EB-PVD與APS熱障涂層小試樣的形貌表征，重建了涂層系統的三維微觀模型，識別出陶瓷層、黏結層以及TGO及缺陷等微觀結構特征，為各層厚度測量、裂紋/缺陷評價等提供了精準的可視化信息。

 

熱障涂層無損檢測發展趨勢

熱障涂層服役環境惡劣復雜，其失效機理異常復雜，同時自身具有多相、多界面、非均質等特征，尋找合適的無損檢測技術開展涂層失效研究以及制備態、服役態涂層質量評估具有極其重要的意義。

國外已經將紅外、渦流等技術用于發動機渦輪葉片熱障涂層檢測及評估，構建了涂層狀態及剩余壽命評估模型，我國也陸續開展相關研究，但仍然存在一定的差距，并在相關基礎研究項目支撐下逐步縮小這一急需、關鍵技術的差距。 

目前，任何一種無損檢測方法都不能實現對TBCs進行全面、準確的檢測。對TBCs的全面評估需結合不同無損檢測方法在特定檢測對象上的優勢。對不同TBCs無損檢測方法的檢測能力進行了總結，如表1所示。

表1 不同熱障涂層無損檢測方法檢測能力

熱障涂層的無損檢測技術發展至今，部分測試技術尚存在理論模型不完善、檢測流程復雜、檢測效率低、數據量及數據處理算法不完善等一系列問題。

無損檢測技術對熱障涂層性能表征、使役狀態評估和剩余壽命預測至關重要，也是熱障涂層失效研究中關鍵輔助手段。通過對相關無損檢測技術在熱障涂層領域研究應用的總結回顧，對未來熱障涂層無損檢測技術研究和應用發展趨勢展望如下：

1開發高精度、低成本和高效率的無損檢測技術，并推動其工程化應用。

進一步優化相關傳感器技術，提高表征測試精度；構建相關涂層微結構-性能-無損檢測信號關聯和規律，集成發展涂層質量無損檢測專用平臺，推動相關技術在渦輪葉片表面涂層質量評估領域的工程化應用。

2發展工藝過程中涂層質量在線評估技術。

發展涂層制備工藝過程中的在線檢測技術，實時監測諸如涂層厚度、彈性模量、微結構特征等，實現涂層制備過程相關參數與涂層關鍵特性參數耦合反饋控制，使工藝參數閉環控制。 

3發展無損檢測信號處理技術及數據處理方法，構建熱障涂層無損檢測數據庫。

進一步結合熱障涂層特點和特性，發展無損檢測信號處理技術，優化相關分析算法，形成熱障涂層特征信號的數據處理方法，構建熱障涂層無損檢測數據庫，指導涂層性能表征評價。

4大力發展涂層的使役狀態評估方法和剩余壽命評估模型。

基于無損檢測技術，綜合考慮使用和服役過程中涂層狀態衰減及表面狀態變化，構建涂層使用壽命、性能衰減和無損檢測信號對應關系和模型，發展涂層剩余壽命評估模型，推動無損檢測技術在涂層使役狀態評估中的應用。

5熱障涂層無損檢測的智能化。

發展無損檢測信號的模擬成像技術，直觀反饋涂層厚度方向界面微結構特征；利用神經網絡和人工智能等技術，實現涂層異常信號的自動判別和篩選。