热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法，所述装置包括计算机、红外热像仪、采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜、第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器，其中：第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；计算机分别与红外热像仪、采集卡、滤波器相连；采集卡与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；滤波器与同步触发器相连，同步触发器分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。本发明专利技术能够实现对热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测。

Detection device and method of infrared thermal wave excited by pulsed femtosecond laser for debonding defects of thermal barrier coatings

The invention discloses an infrared thermal wave detection device and method for debonding defect of thermal barrier coating structure by pulsed femtosecond laser excitation. The device comprises a computer, an infrared thermal imager, a acquisition card, a RF laser driver, a femtosecond laser, an aperture, a half-wave plate, a Gran prism, a convex lens, a first mobile platform, a second mobile platform, a synchronous trigger and a filter. The mobile platform is equipped with tested fibre metal laminates, and the second mobile platform is equipped with infrared thermal imager; the computer is connected with infrared thermal imager, acquisition card and filter respectively; the acquisition card is connected with RF laser driver, the RF laser driver is connected with femtosecond laser, and the femtosecond laser is output through diaphragm, half-wave plate, Grand prism and convex lens; the filter is connected with synchronous contact. The transmitter is connected, the synchronous trigger is connected with the first mobile platform and the second mobile platform respectively. The invention can realize infrared thermal wave detection of debonding defect of thermal barrier coating structure by pulsed femtosecond laser excitation.

【技术实现步骤摘要】
热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法
本专利技术涉及一种检测热障涂层结构脱粘缺陷的装置及方法，具体涉及一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法。
技术介绍
热障涂层是目前最先进的高温防护涂层之一，具有低导热性、良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，近年来逐渐被应用于航空、航天、动力机械、核反应堆等高温高热流环境，具有广阔的应用前景。目前，热障涂层的制备工艺主要有等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积法。热障涂层一般由合金基体、粘结层和陶瓷顶层三层材料组成。现在使用的陶瓷层大部分由氧化钇部分稳定的氧化锆组成。在热障涂层结构制备过程中，需要对涂层厚度、致密度和微观结构（气孔、微裂纹等）进行监控，保证涂层质量。在热障涂层结构构件服役过程中，涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性，甚至产生灾难性后果。因此，为了保证热端部件工作的安全可靠，无论在热障涂层结构的制备还是服役期间，对其状态进行表征和评估都是非常必要的。目前对热障涂层结构质量和性能的检测方法可以分为两大类：有损检测和无损检测。常用的有损检测方法主要有金相检验、扫描电镜、X射线衍射分析等，这些方法的普遍缺点是具有破坏性与滞后性。而在无损检测技术方面，主要有渗透检测、阻抗检测、涡流检测和超声检测。其中：渗透检测的工艺程序复杂，使用的试液易于挥发，且只能检测表面的开口缺陷，不能检测多孔性材料。涡流检测主要用于检测涂层的厚度和气孔，但受制于具有不规则几何形状的被检构件，且由于陶瓷层的厚度不到500μm，涡流法检测灵敏度不足，难以在时域上实现界面回波信号的分离。阻抗检测通过通过电路模型测量电阻、电容等性质的变化来分析热障涂层TGO的厚度、微观结构、缺陷的生长特征。但是，由于陶瓷层中的孔洞和裂纹，以及界面形状的不规则性对测试等效电路产生影响，带来了结果的不确定性。超声检测涂层结构材料时，由于涂层厚度较薄，以至于超声波在涂层上下表面的反射回波发生混叠，且涂层的非均匀性使超声波在涂层中发生了复杂的散射与频散，从而导致常规超声检测技术难以测得声速及声衰减等参量，且检测时易受外部干扰，因而其准确性和定量性较差。红外热波无损检测技术是一种新兴的无损检测手段。与常规检测技术相比，具有单次检测面积大、速度快、非接触、可单面检测、易于现场使用、安全、直观以及操作简便等优点，因此得到越来越广泛的研究和应用。热障涂层结构中的涂层厚度不均、涂层与基体脱粘及基体内部缺陷等，尽管缺陷类型和形成方式有所不同，但都造成了热障涂层结构缺陷与无缺陷处热物性的不连续，而这种不连续性的类型和程度，在外部热源激励的作用下，势必会使构件内部及表面表现出不同的热学物理特征。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，直径可以会聚头发直径一半的工作区间，瞬时功率大，脉宽比电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，广泛应用于物理学、光通信、生物学、临床医学等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置及方法，将自动控制原理、光传输原理、光爆破原理、红外热波检测相结合，实现对热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，包括控制器、热波图像采集系统、激励系统、试验夹持系统四部分，其中：所述热波图像采集系统在所述控制器控制下进行图像采集；所述激励系统在所述控制器控制下进行激励；所述试验夹持系统在所述控制器的控制下完成试件移动；所述控制器为计算机；所述热波图像采集系统包括红外热像仪；所述激励系统包括采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜；所述光阑放置于激光器输出端正前方，半波片放置于光阑正前方，格兰棱镜位于半波片正前方，所述凸透镜位于格兰棱镜正前方；所述试验夹持系统包括第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器；所述第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；所述计算机通过数据线与红外热像仪相连；所述计算机通过数据线与采集卡相连，采集卡通过数据线与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器通过数据线与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；所述计算机通过数据线与滤波器相连，滤波器通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。一种利用上述装置进行热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测方法，包括如下步骤：第1步：清理被检测纤维金属层板试件，检查器材；第2步：根据要求摆放器材，连接线路，将被检测纤维金属层板试件固定安装在第一移动平台上，将红外热像仪固定安装在第二移动平台上；第3步：开启计算机、红外热像仪、滤波器、同步触发器、采集卡、RF激光驱动器进行预热处理，暂不开启飞秒激光器；第4步：预热完成后，调节第一移动平台、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜，使激光光斑位于被检测纤维金属层板试件右上角；第5步：调节第二移动平台并进行红外热像仪焦距调节，直至计算机显示出图像；第6步：在计算机输出信号经过滤波器，滤波器输出至同步触发器；第7步：在计算机输出信号到采集卡，采集卡输出信号到RF激光驱动器，RF激光驱动器输出信号到飞秒激光器，飞秒激光器发出激光，激光经过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜激励被检测纤维金属层板试件的右上角；第8步：打开同步触发器，信号输出到第一移动平台和第二移动平台，计算机控制第一移动平台和第二移动平台在垂直平面内做同步调的等速蛇形移动，红外热像仪采集热图信息；第9步：将上述红外热像仪采集的图像信息实时输入计算机，通过软件对输入的图像直观辨别出被检测纤维金属层板试件缺陷详尽形态。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术飞秒激光激励于纤维金属层板的光热效应诱导热波探测的方法，采用扫描式进行激励，使其温度上升幅度较小，有效防止纤维金属层板在检测时受到损伤；2、通过本专利技术的检测系统及获得的图像可以用于直观检测热障涂层结构脱粘缺陷详尽特征；3、本专利技术通过主动式激光激励，受外界环境影响小，具有安全、准确、高效等优势；4、本专利技术通过计算机控制热波图像采集系统、激励系统和试验夹持系统，操作简单，提高各系统的协同性，降低人为因素的影响；5、本专利技术所述控制器为计算机，操作简单、灵敏度高，通过本专利技术的装置可以实现纤维金属层板试件缺陷的检测，并能初步判断缺陷类型，为纤维金属层板的制备提供技术指导和方案改进；6、本专利技术飞秒激光器激光光斑范围小，扫描时精度高，飞秒激光瞬时功率大，实现试件有效的加热；7、本专利技术滤波器实现降低干扰，同步触发器实现触发移动平台移动，提高检验效果；8、本专利技术的方法检测纤维金属层板安全、高效，通过红外热像仪和计算机实现内部缺陷的可视化。附图说明图1为本专利技术热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测原理；图2为检测样件；图3为飞秒激光扫描速度为5mm/s时，基于脉冲飞秒激光激励红外热波检测构件表面热波信号情况。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步详细说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述装置包括控制器、热波图像采集系统、激励系统、试验夹持系统四部分，其中：所述控制器为计算机；所述热波图像采集系统包括红外热像仪；所述激励系统包括采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜；所述光阑放置于飞秒激光器输出端正前方，半波片放置于光阑正前方，格兰棱镜位于半波片正前方，所述凸透镜位于格兰棱镜正前方；所述试验夹持系统包括第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器；所述第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；所述计算机通过数据线与红外热像仪相连；所述计算机通过数据线与采集卡相连，采集卡通过数据线与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器通过数据线与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；所述计算机通过数据线与滤波器相连，滤波器通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述装置包括控制器、热波图像采集系统、激励系统、试验夹持系统四部分，其中：所述控制器为计算机；所述热波图像采集系统包括红外热像仪；所述激励系统包括采集卡、RF激光驱动器、飞秒激光器、光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜；所述光阑放置于飞秒激光器输出端正前方，半波片放置于光阑正前方，格兰棱镜位于半波片正前方，所述凸透镜位于格兰棱镜正前方；所述试验夹持系统包括第一移动平台、第二移动平台、同步触发器、滤波器；所述第一移动平台上安装有被检测纤维金属层板试件，第二移动平台安装有红外热像仪；所述计算机通过数据线与红外热像仪相连；所述计算机通过数据线与采集卡相连，采集卡通过数据线与RF激光驱动器相连，RF激光驱动器通过数据线与飞秒激光器相连，飞秒激光器通过光阑、半波片、格兰棱镜、凸透镜输出；所述计算机通过数据线与滤波器相连，滤波器通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线分别与第一移动平台相连、第二移动平台相连。2.根据权利要求1所述的热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述凸透镜为5cm凸透镜。3.根据权利要求1所述的热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述飞秒激光器与光阑距离为3~8cm，优选为5cm。4.根据权利要求1所述的热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述半波片距离光阑3~8cm，优选为5cm。5.根据权利要求1所述的热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述格兰棱镜距离半波片3~8cm，优选为5cm。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜迟武，张喜斌，唐庆菊，陈江，于兴滨，
申请(专利权)人：哈尔滨商业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23