高温热障覆层(TBC)的无损检测方法

1.厚度的检测

陶瓷顶面覆层是不导电材料覆盖在导电的基底上，因此，顶面覆层的厚度是很容易用涡流法测定的，连接层对测量没有明显的影响。涡流测量的准确度是重要的，因为涡流法测得的厚度值要用于确定超声波的速度及覆层的有效介电常数，即用于评估覆层的孔隙率。

2.孔隙率的检测

（1）超声波技术已经知道，超声波在陶瓷中的速度与孔隙的多少有线性关系。通过涡流法测得覆层厚度，用脉冲回波法是很容易测得超声纵波速度的。但是，采用这种方法时，当最大可用频率为10MHz时，要分辨顶部表面回波和界面回波是不容易的。更高些的频率是不能使用的，因为会增大声波在TBC中的衰减。一种可用的方法是用从声波在整个试样中的传播时间减去基底中的传播时间，从而得出在覆层中的传播时间，再由涡流法测出的覆层厚度，可得到声波在覆层中的速度。作为示例，图11.8-46所示为用水浸探头测得的超声纵波速度与孔隙率的关系。

图11.8-46 用水浸探头测得的超声纵波速度与孔隙率的关系

（2）电容法此法涉及测量覆层的介电性能，依据的事实是陶瓷覆层有效介电常数的减小与其中孔隙率的增大成正比。测试是用市售的配有加压电极的阻抗测定仪测量陶瓷覆层的电容量。已知覆层厚度（d）、电容量（C）和探头作用面积（A），即可确定有效介电常数。探头的作用面积可用已知介电常数的参考试样校准仪器来确定，表达式为

采用超声波法时，速度的减小可能与密度和弹性的变化均有关；而在采用电容法时，孔隙率的增大与介电材料中有较多的孔洞结果是可相比的。这两个物理参数均可受孔隙率的影响。两者均可独立地用于孔隙率的评估，但是对于工艺控制来说，介电常数测量是比较合适的。

3.损伤的检测

（1）超声波法连接层上，氧化层的形成最终会导致连接层的剥离，这可用超声纵波垂直入射进行C扫描来检测。

（2）涡流法通过采用适当频率的涡流探头，使涡流场能穿过连接层的整个厚度，并可部分进入电导率较大的基底。试样经高温暴露，可导致连接层的劣化和形成氧化层。这可使涡流响应改变，如可展示出相位的变化（信号的顺时针旋转）和信号的被拉长。

4.弹性模量的测定

对于较厚的热障覆层，其弹性模量可用超声波法测量（参阅本手册第10篇第3章）。对于由等离子喷涂所得的试样，由于等离子喷射入射角的不同，弹性模量微有各向异性，这可使对于z和y方向偏振的剪切波所测得的速度略有不同。(www.xing528.com)

等离子喷涂陶瓷用超声波测量时，由于材料孔隙率的增大，孔隙率（体积%）范围可为5%～25%，显示出其弹性模量有急剧的下降，对孔隙率的微小变化是十分敏感的。在单独制作的等离子喷涂Al₂O₃陶瓷涂层上测得的弹性模量与孔隙率的关系如图11.8-47所示。需加注意的是，这结果与弹性和球形微孔孔隙率变化关系的线性模型不相符合。原因可能是在等离子喷涂材料中，微孔的形状是圆盘形的。所测得的弹性模量和声速的线性关系与微孔几何形状和取向有关。

图11.8-47 在单独制作的等离子喷涂Al₂O₃陶瓷涂层上测得的弹性模量与孔隙率的关系

图11.8-48 等离子喷涂Al₂O₃覆层的层间气隙和垂直裂纹

1—未粘接区域 2—纵向裂纹

5.缺陷的检测

（1）超声波法当陶瓷覆层[如用w（Y₂O₃）=7%稳定的ZrO₂]以等离子喷涂工艺沉积在基底上（厚度为0.4～1.0mm）时，覆层中会有很多裂纹和微孔。图11.8-48所示为等离子喷涂Al₂O₃覆层的层间气隙和垂直裂纹。经覆层表面一直连通到基体表面的孔隙称为开孔，对耐蚀抗高温氧化等应用是十分有害的。对此，可通过超声波衰减测量（用水浸法）来评估。用一5MHz的宽带换能器可得很好的结果，但是要单独分辨陶瓷层的脉冲回波序列是不可能的。因此，用试件的（涂覆层加基底）一次底反射进行衰减测量，用门控峰值探测器选取底反射进行幅度测量，再送往频谱分析仪进行频谱分析。

试验结果表明，将试样浸入水中后，在一段时间内衰减不是恒定不变的。一个试件的底回波峰幅度与时间的关系如图11.8-49所示。其原因可能是水渗进陶瓷充满了互连的微裂纹和微孔，但对所用频率超声波仍是可透射的。将试件在300℃干燥5min，此结果可精确再现。将信号进行频谱分析可得超声波衰减时间频率行为。由此可得：等离子喷涂热障覆层在浸入水中时显示的特定时间超声波衰减关系可用以识别不同工艺制备的覆层和寻找等离子喷涂工艺的变化。

（2）红外热图法参阅本章8.5.2节中的4。

图11.8-49 一个试件的底回波峰幅度与时间的关系

注：在此情况下，8h后幅度不变。