На Основі АНАЛІЗУ ДОСЛІДЖЕНЬ в області інфрачервоного термографічного контролю плазмових покриттів и власного досвіду авторів предложено методика випробувань і обробка експериментального Даних, что Включає: моделювання дефектів типу відслонень и Зміни товщина покриттів методами Теорії теплопровідності з метою оптімізації експериментальний процедур і розробки алгоритмів ідентіфікації параметрів дефектів; Виконання «оптімізованого» експеримент і аналіз шумів; Підвищення отношения сигнал / шум с помощью комп'ютерної ОБРОБКИ послідовностей зображення; побудова бінарніх карт дефектів и оцінка параметрів дефектів. Наведено експериментальні дані по контролю Еталон и реальних зразків, Які підтверджують можлівість! Застосування імпульсного теплового контролю для ОЦІНКИ параметрів двох основних тіпів дефектів, характерних для теплозахисних покриттів: Відшарування и Зміни товщина.

Анотація Наукової статті з нанотехнологій, автор Наукової роботи - Вавилов Володимир Платонович, Іванов Олександр Іванович, Нестерук Володимир Платонович, Шіряєв Володимир Васильович


The technique of testing and processing of experimental data including: simulation of delaminating type defects and changing coating thickness by the methods of thermal conductivity theory for experimental procedures optimization and development of defect parameters identification algorithms; implementation of «optimized» experiment and analysis of noises; increase of the ratio signal / noise by computer processing of image sequence; generation of binary defect maps and estimation of defect parameters, has been proposed on the basis of analysis of studying in the field of infrared thermographic testing of plasma coatings and personal experience of the authors. The experimental data on testing standard and real samples, which confirm the possibility of applying pulse thermal testing for estimating parameters of two main types of defects typical for thermal protection coatings: delaminating and changing the thickness, are introduced.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Метод и експериментальна реалізація імпульсного теплового контролю плазмових покриттів'

    Текст Наукової роботи на тему «Метод и експериментальна реалізація імпульсного теплового контролю плазмових покриттів»

    ?Енергетика

    УДК 620.179.1

    МЕТОД І ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА Реалізація імпульсного теплового КОНТРОЛЮ плазмових покриттів

    В.П. Вавилов, А.І. Іванов, Д. А. Нестерук, В.В. Шіряєв

    НДІ интроскопии ТПУ E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    На Основі АНАЛІЗУ ДОСЛІДЖЕНЬ в області інфрачервоного термографічного контролю плазмових покриттів и власного досвіду авторів предложено методика випробувань і обробка експериментального Даних, что Включає: моделювання дефектів типу відслонень и Зміни товщина покриттів методами Теорії теплопровідності з метою оптімізації експериментальний процедур і розробки алгоритмів ідентіфікації параметрів дефектів; Виконання «оптімізованого» експеримент і аналіз шумів; Підвищення отношения сигнал / шум с помощью комп'ютерної ОБРОБКИ послідовностей зображення; побудова бінарніх карт дефектів и оцінка параметрів дефектів. Наведено експериментальні дані по контролю Еталон и реальних зразків, Які підтверджують можлівість! Застосування імпульсного теплового контролю для ОЦІНКИ параметрів двох основних тіпів дефектів, характерних для теплозахисних покриттів: відшарування и Зміни товщина.

    Ключові слова:

    Тепловий неруйнівній контроль, інфрачервона термографія, теплозащитное покриття, параметри дефектів.

    Key words:

    Thermal nondestructive testing, infrared thermography, thermal protection coating, defect characterization.

    Процедура теплового контролю

    Плазмові покриття широко Використовують в промісловості для захисту матеріалів и виробів від агресивних вплівів середовища. Спільною рісою таких теплозахисних покриттів є їх «лускатій» або «зернистий» характер, обумовлених Швидко затвердінням частінок малого розміру, розплющує при ударі з скроню швідкістю про холодну поверхню Підстави. Механізм зв'язку покриття з підставою и окремий частінок один з одним досі є предметом Дискусії. Внаслідок недосконалості вікорістовуваніх технологій Нанесення покриттів, як вінтерфейсній зоне, так и в самому покрітті, можливе Утворення структурних дефектів: розшарувань между окремий кулями, підвіщеної порістості, тріщін и з'явилися не розплавіліся.

    Неруйнівній контроль таких дефектів має істотне значення, например, в енергетіці, де теплозахисні покриття Використовують для захисту основного металу компонент газових турбін и дизельних двигунів. Покриття складаються з шарів кераміки та металів и позначаються, например, у виде МСгАГУ, де М позначає метал.

    Покриття лопаток в авіаційних газових турбінах захіщають від окислення і / або корозії с помощью алюминидов платини, гамма-Тьалюміні-дів та других матеріалів.

    Імпульсній нагрів бланках Робить процедуру теплового контролю (ТК) більш гнучкий з Огляду на ті, что об'єкт контролю стімулюється відразу безліччю теплових хвиля різної частоти. Тому аналіз температурного відгуку на різніх частотах дозволяє профілюваті Властивості матеріалу по глібіні. В рамках цієї проекту експериментальні дослідження проводилися в два етапи. На Першому етапі експериментальні результати по контролю покриттів отрімані в рамках МІЖНАРОДНОГО співробітніцтва НДІ интроскопии ТПУ и Інституту технології конструкцій Национальной заради з ДОСЛІДЖЕНЬ Італії (м Падуя). В якості нагрівачів вікорістовуваліся 2-4 ксенонові імпульсні лампи, Які генерують Енергію в кілька кДж за 2 ... 10 мс. Для запису термограмм були вікорістані тепловізорі ThermaCAM P65HS, ThermaCAM SC 3000 и JADE з частотою кадрів 25, 60, 1000 Гц, температурний чутливістю 0,06, 0,03, 0,02 ° С відповідно и форматом зображення 320x240.

    Методика контролю теплозахисних покриттів включала [1]: 1) моделювання тестових СИТУАЦІЙ: 2) оцінка шумів для окрема відів матеріалів покриттів; 3) «покращення» вихідних інфрачервоніх (ІК) збережений; 4) класифікація дефектних відміток на картах дефектів и оцінка параметрів дефектів.

    моделювання

    Пропонованій підхід Заснований на возможности Вибори оператором еталонної точки, что Належить бездефектной області покриття. Для АНАЛІЗУ Даних вікорістовуваліся загальнопрійняті в тепловому контролі Критерії: діференційній Температурний сигнал ДТ = Т: Т: і безрозмірній температурних контрастів С = ДТ / Т ": (тут Т":, Т: - температура в бездефектной и дефектної точках).

    Відомо, что відшарування покриттів від підкладок и Зміни їх товщина прізводять до з'явиться помітніх максімумів в Тимчасова розвитку контрасту С, тоді як Зміни віпромінювальні-поглощательная властівостей покриттів створюють максімальні значення Ст в кінці нагріву, т. Е В момент часу Закінчення нагріву т, причому величина Ст примерно відповідає максимальним змін коефіцієнта випромінювання. Отже, шум, обумовлених варіацією коефіцієнта випромінювання, может буті відділеній від дефектних відміток с помощью відповідної Порогової процедури.

    У свою черга, сигналі, обумовлені відшаровуваннямі, ма ють відносно велику амплітуду и з'являються пізніше сігналів, вікліканіх змінамі товщина покриттів. Таким чином, селекція сігналів в часі дозволяє НЕ только відокреміті їх від перешкоду, но и сделать спрощений класіфікацію дефектів.

    Віщеопісані міркування проілюстровані рис. 1, де теоретичні кріві ДТ представляються два сімейства, відповідні відшарування и змін товщина покриттів (? А. Означає товщина покриття и? 4 Товщина повітряного дефекту) турбінніх лопаток авіаційних двигунів. Для покриття температуропровідність а = 4,35-10-7м2 / с, теплопровідність Я = 1 Вт / (м-К). Для Підстави зі Сталі АШ 304 а = 3,75-10-бм2 / с; Я = 15 Вт / (м-К).

    Дані на рис. 1 розраховані методом «чотіріполюсніка» в рамках трішарової одновімірної моделі [2], покриття товщина 250 мкм Прийнято бездефектне.

    Зауважімо, что утонение покриття веде до зниженя температури внаслідок більш Швидкого стоку тепла через металеву підкладку.

    Сигналі, обумовлені відшаровуваннямі, характеризуються великими амплітудамі и наступають пізніше, чем сигналі, віклікані змінамі товщина покриттів. Отже, при відповідній діскрімінації сігналів можна оцініті Параметри дефектів.

    Мал. 1. Теоретичні кріві температурного перепаду, відповідні відшарування! 6] и змін товщина покриттів турбінніх лопаток З

    Для подалі розрахунків булу Використана програма ТІегтоСаГс-БЬ (розроблено авторами), яка дозволяє моделюваті нагрів багатошарової пластини з внутрішнімі дефектами, Шляхом чисельного решение відповідної трівімірної задачі Теорії теплопровідності. Результати розрахунку є Розподіл температури на поверхні об'єкта контролю як функцію часу. Дані можна Зберегти у виде послідовності штучних збережений або трівімірного вектора.

    Об'єкт контролю моделювався Стальова пластину з плазмовим покриття. Теплофізичні характеристики шарів следующие: температуропровідність покриття а = 4,35-10-7м2 / с, теплопровідність покриття Я = 1 Вт / (м-К); відповідно для Підстави зі Сталі АШ 304: а = 3,75-10-бм2 / с и А = 15 Вт / (м-К).

    ЦІ Параметри типові для випадка ТК плазмових покриттів турбінніх лопаток.

    Вікорістовуючі поліноміальніх апроксімацію отриманий Даних с помощью програмного пакета МаШетайса були отрімані следующие формули.

    Для визначення товщина (Розкриття) дефекту (з похібкою до 5%)

    : = 0,0000238Ст1'103тт0'474 /, '° 72, (1)

    де: - товщина дефекту, м, Ст - максимальний поточний контраст, т - час настане максимального контрасту, з ,? - проектна товщина покриття, м.

    Для визначення потовщення покриття (з похібкою до 7%):

    Д1 = 0,2134Ст0Д554тт0Д3551 ~ 0'2565. (2)

    Для визначення утонения покриття (з похібкою до 10%):

    Д1 = 0,3357С ^ т ^ 444 ^ ™ 11. (3)

    оцінка шуму

    Перешкода (шум), супутні активному тепловому контролю, Прийнято віражаті у виде шумового контрасту:

    _ Cn (г) = ип (г) / Тм (г),

    де <т "(г) і 7 ^ (г) - відповідно стандартне відхилення температури и середня температура в обраній бездефектной зоне. Експериментально Певна зміна Сп в часі для конкретного покриття Еталон бланках показує, что шуми ма ють змішану природу.

    Мабуть, в початковий момент часу, коли внесок Власний шумів детектора випромінювання невеликий, має місце адитивності шум, вікліканій відбітім віпромінюванням гарячих компонент імпульсніх ламп. Мінімум шумового контрасту спостерігається через 10 ... 20мс, коли істотно зменшується відбіте випромінювання, а внесок структурних неоднорідностей Невеликий внаслідок діфузії тепла.

    Нарешті, при великих часах контролю величина температурного сигналу невелика и растет внесок Власний шумів системи контролю. Амплітуда шумового контрасту такоже Залежить від Розмірів обраної бездефектной зони. Найвіщі значення отношения сигнал / шум можна очікуваті для тих сігналів, Які з'являються через 10.20 мс после нагрівання, коли С "« 2%, если розмір бездефектной зона відповідає очікуваному розміру дефектів, і S "" 9%, если бездефектная зона покріває весь віріб.

    Обробка ІК збережений

    Основною метою цього етапу Виконання проекту Було Підвищення отношения сигнал / шум и вибір того зображення, Пожалуйста слід використовуват для побудова карти дефектів. У ТК предложено безліч алгоритмів ОБРОБКИ температурних Даних, что Використовують, головним чином, дінамічні Відмінності «дефектних» и «бездефектне» температур. До таких алгоритмам відносяться: нормалізація, поліноміальна апроксімація, аналіз похідніх, теплова томографія, імпульсна фазових термографія, нелінійна апроксімація, метод «удаваній» теплової інерції, аналіз головних компонент и использование елементів штучного інтелекту (нейронні мережі).

    Деякі алгоритми дозволяють Виконувати теплову дефектометрію або в термінах «Здаються» теплофізичних властівостей (метод теплової інерції), або безпосередно в параметрах дефектів (нелінійна підгонка). У ряді Ранее опублікованіх робіт проведено порівняння віщезазначеніх алгоритмів з точки зору максімізації отношения сигнал / шум [1, 3].

    На Першому етапі ДОСЛІДЖЕНЬ були віконані експериментальні дослідження по ТК Еталон бланках покриттів турбінніх лопаток. Використання тепловізор JADE фірми CEDIP, что Забезпечує частоту введення термограмм в комп'ютер, рівну 1 кГц, в результате чого в течение дерти 100 мс после імпульсу нагрівання запісувалі

    до 100 термограмм. Отрімані послідовності ІК термограмм обробляємих с помощью Вищевказаний алгоритмів, для чого вікорістовувалі програму ThermoFit Pro Томського НДІ интроскопии ТПУ. Отрімані в результате ОБРОБКИ значення отношения сигнал / шум наведені в табліці.

    Таблиця. Відношення сигнал / шум для різніх алгоритмів ОБРОБКИ збережений при ТК покриття товщина 150 мкм

    Алгоритм ОБРОБКИ Відношення сигнал / шум

    «Фазограмма» (1-я значущих частота) 7,14

    «Коррелограмм» 6,68

    Зображення 2-го полиномиального коефіцієнта 4,90

    «Фазограмма» (2-я значущих частота) 4,16

    Зображення 3-го полиномиального коефіцієнта 3,93

    Початкове зображення в оптимальний момент часу после нормалізації 2,81

    Початкове зображення в оптимальний момент часу 2,47

    Зображення 1-го полиномиального коефіцієнта 2,43

    Початкове зображення в оптимальний момент часу после полиномиальной апроксімації и Відновлення послідовності 1,87

    Як и очікувалося, найкращі результати були отрімані в результате! Застосування превращение Фур'є до одновімірніх піксельнім функцій Tj (r) (метод імпульсної фазової термографії). Перевага цього алгоритму є Відсутність еталонної точки и его незалежність від фізічного процесса, а тому цею алгоритм часто рекомендуються в якості «первого» при Перевірці експериментальний Даних.

    Близько за якістю зображення Було ОТРИМАНО Шляхом визначення коефіцієнта кореляції между шкірних пікселем в аналізованої послідовності и Еталон пикселем, причому Еталон піксель может буті избран довільнім чином.

    Приклад ТК реальної турбінної лопатки наведень на рис. 2 (Використання тепловізор Therma-CAM SC 3000).

    Дотрімуючісь вісновків, отриманий при випробуваннях Еталон бланках, послідовність ІК термограмм в цьом випадка булу оброблена лишь з Використання одновімірного превращение Фур'є и АНАЛІЗУ кореляції между усіма точками термограмми и обраної оператором еталонної точкою (кореляційній алгоритм запропонованій авторами и включень в комп'ютерну програму ThermoFit Pro). Були ідентіфіковані три невеликих дефекту, зазначеним стрілкамі на рис. 2, г (квадратна область чорного кольору зліва вгорі зображення відповідає алюмінієвій фользі, наклеєною на поверхню лопатки для Вивчення відбітого випромінювання нагріву).

    a біг

    Мал. 2. Тепловий контроль турбінної лопатки: а) Фотографія турбінної лопатки; б) Вихідне зображення в оптимальний момент часу; в) «фазограмма»; г) «коррелограмм»

    Експериментальні дослідження газополуменевіх покриттів

    На іншому етапі експериментального ДОСЛІДЖЕНЬ на базі комп'ютерної установки теплового контролю НДІ интроскопии ТПУ були віпробувані дев'ять зразків покриттів з порошків нікелю, хрому, молібдену, а такоже системи Ni-Cr-B-Si, НАДАННЯ Юргінськім технологічним інститутом ТПУ.

    Покриття наноситься газополуменевім способом, при якому частинки порошку плавлять або оплавляют в полум'я пропану и наносячи на підкладку детонаційнімі способом (напилення з использование вібухової Хвилі, что утворюється в стовбурі установки, яка плавити або оплавляє и розганяє Частки порошку до високих швидкости).

    Досвід виробництва и ЕКСПЛУАТАЦІЇ показує, что дефекти в покриття такого типу Присутні практично всегда. Основними типами дефектів є пори и несплошності, а такоже ніс-плавлення частінок между собою, непроплавленних окремий, особливо великих, часток и т. П.

    Для контролю зразків Використана експериментальна установка НДІ интроскопии ТПУ, основні елементи якої - тепловізор Therma-Cam P65 HS и оптичний нагрівачі потужністю до 30 кВт. Зразки нагріваліся імпульсом оптичні випромінювання ксенонової лампи Bowens QU-ADX 3000 з енергією Спалахи 3,2 кДж и енергетічної освітленістю в площіні бланках до 100 Вт / см2; длительность імпульсу около 5 мс. Запісувалі до 600 ІК збережений форматом 320x240 з частотою запису 25 Гц.

    Перший крок АНАЛІЗУ експериментальний Даних пролягав у підвіщенні ее Виявлення теплових аномалій за рахунок! Застосування методів Фур'є-аналізу и методу головних компонент. Як позначають вищє, ЦІ два методи АНАЛІЗУ дінамічніх ІК збережений є базовими, оскількі НЕ вімагають знання теплофізичних характеристик об'єктів и умів експеримент, будучи спрямованостей на Виявлення особливо поведінкі температури в часі. Відповідні алгоритми введені в програмне забезпечення ThermoFit Pro.

    Другий крок АНАЛІЗУ пролягав у візначенні максимальних температурних контрастів и моментів їх з'явилося для Подальшого розв'язання оберненої задачі ТК покриттів і оцінки параметрів можливий дефектів.

    В результате ДОСЛІДЖЕНЬ були ідентіфіковані дефекти в 5-й зразки з Використання інверсійніх формул (1-3). На рис. 3 наведені приклади збережений бланках № 8.

    Для характерних точок поверхні зразків були побудовані залежності Зміни температури и температурного контрасту в часі по аналогії з графікамі, рис. 1.

    На підставі експериментального Даних з Використання формул (1-3), зокрема, для бланках № 8, Зроблено Висновок про наявність у зразки різнотовщінності, вікліканої порістістю и неоднорідністю структури, на Рівні 25% (60 мкм) в лівій части бланках, а такоже розшарування Товщина до 40 мкм в правій его части з товщина покриття 250 мкм.

    в

    Висновки

    1. предложено методику випробувань і обробка експериментального Даних інфрачервоного термографічного контролю плазмових покриттів, что Включає моделювання дефектів методами Теорії теплопровідності; оптімізацію експеримент, аналіз шумів; комп'ютерну обробка послідовностей зображення, побудова бінарніх карт дефектів з оцінкою їх параметрів.

    2. Метод Забезпечує розпізнавання відслонень и неравномерностей товщина покриттів. Алгоритми ОБРОБКИ послідовностей термограмм забезпечують кількісну оцінку параметрів дефектів покриття при істотному підвіщенні співвідношення сигнал / шум.

    3. експериментальні дані по контролю Еталон и реальних зразків показують правомірність вікорістовуваного підходу.

    Робота виконан за Фінансової ПІДТРИМКИ гранту РФФД 09-08-99022 - р_офі.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Marinetti S., Vavilov V., Bison P.G., Grinzato E., Cernuschi F. Quantitative infrared thermographic nondestructive testing of thermal barrier coatings // Mater. Evaluation. - 2003. - V. 61. - № 6. -P. 773-780.

    2. Maillet D., Andre S., Batsale J.-C., et al. Thermal quadrupoles: Solving the heat equation through integral transforms. - London: John Wiley & Sons Publ., 2000. - 360 p.

    3. Zalameda J.N., Rajic N., Winfree W.P. A comparison of image processing algorithms for thermal nondestructive evaluation // Thermosense-XXV: Proc. SPIE. - Orlando, USA, 2003. - V. 5073. -P. 374-385.

    надійшла 09.06.2010г.

    УДК 536.2.083

    МЕТОДИЧНІ ПОХІБКІ ВИЗНАЧЕННЯ теплофізичних ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦІЙНІХ МАТЕРІАЛІВ ІМПУЛЬСНОЮ МЕТОДОМ ПРИ просторової НЕОДНОРІДНОСТІ ЛАЗЕРНОГО Променя

    Г.В. Кузнецов, М.Д. Кац

    Томського політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Чисельного розв'язано задачу про просторово нестационарном температурному полі бланках матеріалу при локальному неоднорідному впліві на его поверхню теплового імпульсу малої тімчасової протяжності. Проведено оцінку масштабів похібок визначення теплофізичних характеристик матеріалу імпульснім методом, пов'язана з припущені про одномірності процесса теплопереносу в зразки и просторової однорідності лазерного імпульсу.

    Ключові слова:

    Теплофізичні характеристики, імпульсній метод, методичні похібкі, температуропровідність, Питома теплоємність, теплопровідність.

    Key words:

    Thermophysical characteristics, pulse method, truncation error, thermal diffusivity, specific heat capacity, heat conductivity.

    Вступ

    В останні десятиліття підвіщену Рамус привертають імпульсні методи визначення коефіцієнтів температуропровідності и теплопровідності, а такоже теплоємності матеріалів в условиях Досить високих температур. Найбільший Інтерес для вирішенню ціх завдання представляет метод лазерного імпульсу [1-3], Сутність которого Полягає в поглінанні в тонкому шарі фронтальної ( «гарячої») поверхні бланках імпульсу променевої ЕНЕРГІЇ и реєстрації вимірювання в часі температури его зворотної ( «холодної») поверхні.

    Отримав за підсумкамі одноразового експеримент інформація дозволяє розрахуваті пітому

    теплоємність, а такоже КОЕФІЦІЄНТИ температуропровідності и теплопровідності матеріалу з Використання виразів:

    а = 1,37? 2 / (я \ 5); (1)

    з = Q / (тшах р1); (2)

    Х = АСР, (3)

    де Ь - товщина бланках, м; р - Щільність матеріалу, кг / м3; а - температуропровідність, м2 / с; Т05-годину Досягнення половини максімальної температури перегріву «холодної» (ненагревающіеся) поверхні бланках, с; с - теплоємність, Дж / (КГК); Про - Щільність теплового потоку, поглінена про-


    Ключевые слова: теплової неруйнівного контролю / інфрачервона термографія / теплозащитное покриття / Параметри дефектів / thermal nondestructive testing / infrared thermography / thermal protection coating / defect characterization

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити