一种热障涂层内部应力检测系统

本发明属于热障涂层内部应力场检测，具体涉及一种热障涂层内部应力检测系统。

背景技术：

1、高压涡轮叶片的服役温度一般很高，因此，为了延长高压涡轮叶片使用寿命，需要对高压涡轮叶片进行热防护，一般从耐高温合金基底材料、性能冷却通道设计和先进热障涂层（thermal barrier coating,tbc）系统三个方面来改善高压涡轮叶片的热防护能力。由于热障涂层系统具有较强的可设计性，现有一般从该方面对高压涡轮叶片的热防护能力进行改善。

2、热障涂层系统在复杂服役环境下常常发生毫无征兆的开裂、剥落，热障涂层失效因素包括有高温氧化、热冲击疲劳、高温蠕变、高温烧结、相变、高温腐蚀、高温粒子冲蚀与冲击等多种，这些因素的影响往往都会引起界面附近残余应力的累积。当涂层中尤其是界面附近累积的残余应力超过了其自身的强度时，将诱发裂纹的萌生、扩展，并导致涂层的最终剥落失效。因此，通过测量涂层内部残余应力来对涂层的损伤程度进行评价。

3、为了方便对涂层的应力进行检测，公布号为cn110231325a的专利文件公开了一种热障涂层结构的界面应力检测系统及方法，该系统包括激光光源、第一二向色镜、聚焦透镜和荧光光谱仪；聚焦透镜和荧光光谱仪分别设置在第一二向色镜的两侧；来获取稀土荧光光谱和红宝石荧光光谱，并基于双荧光法完整测量热障涂层内部关键界面处的应力分布特征。但是，该系统中待测物体的表面为平面，当待测物体为曲面物体时，激光激发后的待测物体发光产生的荧光方向是多样的，在激发激光方向基本不变的时候，检测光谱的范围需要扩大才能够获取完整的光谱数据，即该系统难以对激发后的荧光进行全面的扫描检测。

4、综上，现有检测叶片应力的系统不能完成对曲面叶片应力的检测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种热障涂层内部应力检测系统，能够适应曲面叶片的涂层应力检测，便于推广使用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种热障涂层内部应力检测系统包括有三维重构单元、光谱测量单元和数据处理单元，上述三维重构单元、光谱测量单元和数据处理单元依次通讯连接；三维重构单元用于利用激光测距仪得到待测叶片的三维坐标数据，以此进行三维重构得到待测叶片的三维模型；所述待测叶片的表面为曲面；光谱测量单元用于控制激发激光对待测叶片上从三维模型中选取的待测区域进行激发，并获取该待测区域的光谱数据；数据处理单元用于比较获取的光谱数据与正常光谱数据的光谱峰位，以此确定出光谱峰位偏差，并结合历史应力与光谱峰位的对应关系计算出该待测叶片的应力数据。

4、进一步，还包括有与三维重构单元通讯连接的机器人控制单元，用于控制夹具设备的三维移动，所述夹具设备用于夹持待测叶片，以实现对待测叶片的三维移动控制。

5、进一步，机器人控制单元还用于在激发激光对待测叶片进行激发时，控制待测叶片激发点的切平面与激发激光入射方向垂直。

6、进一步，三维重构单元得到待测叶片的三维模型的过程为：对待测叶片的外表面进行激光测距扫描得到外表面的起伏距离数据，将起伏距离数据转换为三维坐标数据，利用三维坐标数据建立待测叶片的三维模型。

7、进一步，选取待测区域的过程为：从待测叶片的凹面、前缘面和凸面分别框选测试区域，将框选的三个测试区域作为待测区域。

8、进一步，该待测区域的光谱数据包括有凹面、前缘面和凸面的光谱数据；数据处理单元用于比较获取的凹面的光谱数据与正常凹面的光谱数据的光谱峰位，以此确定出凹面的光谱峰位偏差，并结合历史应力与凹面的光谱峰位的对应关系计算出凹面平均应力数据；比较获取的前缘面的光谱数据与正常前缘面的光谱数据的光谱峰位，以此确定出前缘面的光谱峰位偏差，并结合历史应力与前缘面的光谱峰位的对应关系计算出前缘面平均应力数据；比较获取的凸面的光谱数据与正常凸面的光谱数据的光谱峰位，以此确定出凸面的光谱峰位偏差，并结合历史应力与凸面的光谱峰位的对应关系计算出凸面平均应力数据；将凹面平均应力数据、前缘面平均应力数据和凸面平均应力数据的平均值作为该待测叶片的应力数据。

9、进一步，上述光谱数据的光谱类型包括有拉曼光谱和荧光光谱，上述拉曼光谱用于计算陶瓷层应力数据，上述荧光光谱用于计算氧化层应力数据。

10、进一步，该激发激光采用大功率连续激光器发射，利用高速扫描振镜的线扫描方式来获取光谱数据。

11、进一步，该历史应力与光谱峰位的对应关系的建立过程为：获取与待测叶片相同环境温度的叶片使用前和使用后各采样时刻的应力数据和光谱峰值数据，结合对应的频移系数建立应力与光谱峰位的线性关系，并将其作为历史应力与光谱峰位的对应关系。

12、进一步，历史应力与光谱峰位的对应关系用公式表示为：

13、

14、其中，为历史应力，为x轴的平均应力，为y轴的平均应力，为叶片使用后发光离子的光谱峰位，为叶片使用前发光离子的光谱峰位，为对应单轴应力状态下的频移系数。

15、本发明与现有技术相比具有以下优点：

16、本发明的热障涂层内部应力检测系统通过三维重构单元获取待测叶片的三维模型，光谱测量单元依据从三维模型中选取的待测区域对待测叶片进行激发，并获取该待测区域的光谱数据；这样就能保障光谱检测单元知道激发后光谱的方向，便于光谱测量单元完整的获取光谱数据。解决了现有外面为曲面的叶片应力检测时需要扩大光谱检测范围的情况，实现了对曲面叶片涂层的应力检测。

17、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：该系统包括有三维重构单元、光谱测量单元和数据处理单元，所述三维重构单元、光谱测量单元和数据处理单元依次通讯连接；

2.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：还包括有与三维重构单元通讯连接的机器人控制单元，用于控制夹具设备的三维移动，所述夹具设备用于夹持待测叶片，以实现对待测叶片的三维移动控制。

3.按照权利要求2所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：所述机器人控制单元还用于在激发激光对待测叶片进行激发时，控制待测叶片激发点的切平面与激发激光入射方向垂直。

4.按照权利要求2所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：三维重构单元得到待测叶片的三维模型的过程为：对待测叶片的外表面进行激光测距扫描得到外表面的起伏距离数据，将起伏距离数据转换为三维坐标数据，利用三维坐标数据建立待测叶片的三维模型。

5.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：选取待测区域的过程为：从待测叶片的凹面、前缘面和凸面分别框选测试区域，将框选的三个测试区域作为待测区域。

6.按照权利要求5所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：待测区域的光谱数据包括有凹面、前缘面和凸面的光谱数据；

7.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：所述光谱数据的光谱类型包括有拉曼光谱和荧光光谱，所述拉曼光谱用于计算陶瓷层应力数据，所述荧光光谱用于计算氧化层应力数据。

8.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：所述激发激光采用大功率连续激光器发射，利用高速扫描振镜的线扫描方式来获取光谱数据。

9.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：所述历史应力与光谱峰位的对应关系的建立过程为：获取与待测叶片相同环境温度的叶片使用前和使用后各采样时刻的应力数据和光谱峰值数据，结合对应的频移系数建立应力与光谱峰位的线性关系，并将其作为历史应力与光谱峰位的对应关系。

10.按照权利要求1所述的热障涂层内部应力检测系统，其特征在于：所述历史应力与光谱峰位的对应关系用公式表示为：

技术总结本发明公开了一种热障涂层内部应力检测系统，属于热障涂层内部应力场检测技术领域，热障涂层内部应力检测系统通过三维重构单元获取待测叶片的三维模型，光谱测量单元依据从三维模型中选取的待测区域对待测叶片进行激发，并获取该待测区域的光谱数据；这样就能保障光谱检测单元知道激发后光谱的方向，便于光谱测量单元完整的获取光谱数据。解决了现有外面为曲面的叶片应力检测时需要扩大光谱检测范围的问题，实现了对曲面叶片涂层的应力检测。技术研发人员：江鹏,杨鏐育,陈艺文,李定骏,王铁军受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2