热障涂层结构缺陷脉冲红外热波检测热学物理特征及信号提取算法研究

In order to ensure the controllability and safety of the hot end components, it is necessary to detect defects of unevenness coating thickness, coating and substrate deboning, and internal defects in the substrate produced in the thermal barrier coating structure preparation and service process. Project aims to research on thermo-physical properties of thermal barrier coating structure defects using pulsed infrared thermal wave detection method and its signal extraction algorithm, combining the method of pulsed infrared thermal wave detection technology, direct and inverse heat conduction problems and hybrid optimization algorithm. Build the heat conduction model of thermal barrier coating under pulsed excitation, and analyze the thermo-physical properties of the interaction between heat pulse and different defects. Study the noise suppression and feature extraction algorithm of the thermal barrier coating structure surface temperature signal, and analyze the inner relationship between the time-frequency domain characteristics and the coating thickness, defects size. Explore the influence law of the defects’ geometric feature and testing process parameters on surface temperature signal characteristics, and determine the defects size scope application and limitation of the pulsed infrared thermal wave testing technology. Build the inverse heat conduction problem mathematical model of defects’ geometric feature based on the surface temperature signal, combining the gradient and random search optimization algorithm to realize quantitative inversion of defects. The project provides a new efficient and reliable method for the detection of thermal barrier coating structure defects, and provides an important technical support for the safe production and operation of hot end components.

为保证热端部件可控性和运行安全性，需对热障涂层结构制备和服役过程中产生的涂层厚度不均、涂层与基体间空气脱粘或基体内部缺陷等进行检测。项目旨在采用脉冲红外热波检测技术、导热正反问题及混合优化算法相结合的方法，对热障涂层结构缺陷脉冲红外热波检测热学物理特征及信号提取算法进行研究。建立脉冲激励热障涂层结构热传导模型，分析脉冲热流与不同缺陷相互作用的热学物理特征；研究热障涂层结构表面温度信号噪声抑制与特征信息提取算法，分析时频域特征与涂层厚度和缺陷尺寸间的内在联系；探讨缺陷几何特征、检测工艺参数对表面温度信号特征的影响和规律，确定脉冲红外热波检测热障涂层结构的适用缺陷尺度范围及局限性；建立基于表面温度信号特征的缺陷几何特征导热反问题数学模型，运用梯度搜索和随机搜索相结合的混合优化算法，实现缺陷的定量反演。研究工作可为热障涂层结构缺陷的高效可靠检测提供新方法，为热端部件生产运行安全提供重要技术保障。

热障涂层作为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，近年来逐渐被广泛应用于航空航天、动力机械、核反应堆等高温高热流环境。热障涂层结构制备工艺复杂、服役环境较恶劣，易产生涂层厚度不均、涂层与基体脱粘等缺陷，危害热端部件可控性和运行安全性。项目研究了热障涂层结构缺陷脉冲红外热波检测热学物理特征及信号提取算法，解决了热障涂层结构及其构件的无损检测难题，为涂层材料和型号关键零部件热防护质量检测提供了手段和技术支撑。分析了光脉冲激励涂层结构样件的热流传递过程，建立了脉冲激励热障涂层结构的热传导模型及脉冲能量差动激励引起的表面温升与涂层厚度的数学模型；通过有限元仿真，分析了缺陷几何特征和检测参数对表面温度信号的影响与规律，探讨了脉冲红外热波成像检测热障涂层厚度不均匀性和脱粘缺陷的能力；开展了系统的脉冲红外热波检测试验研究，分析了缺陷几何特征和检测参数对样件表面温度信号影响与规律；研究了多项式拟合时间微分-相关系数法、马尔科夫-主成分分析法(Markov-PCA)等多种脉冲红外图像序列重构与特征提取算法，开发了相应软件处理程序，显著提高了特征图像的信噪比和缺陷探测能力；提出了导热反问题与模拟退火算法相结合的脉冲红外热波定量检测涂层厚度及其均匀性的新方法；提出了缺陷边缘几何特征的模糊C均值聚类-Canny算子检测方法和Markov-PCA-BP算法，实现了缺陷平面尺寸与深度的定量检测。该技术可有效解决型号热防护涂层缺陷检测问题，对提高型号产品质量和可靠性具有重要意义，同时奠定了红外热波无损检测技术在高端制造业和其他领域应用的技术基础。