CC BY
47
Ф I З I К А
УДК 535.361:535.391
П. И. Ропот, Р. Ю. Васильев
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ZrO2 ПОКРЫТИЙ И ОБЪЕМНЫХ Al2O3 КЕРАМИК ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Введение
Объемные керамики и керамические покрытия на основе Al2O3 и ZrO2 нашли широкое применение в энергетической промышленности для теплозащиты в условиях высоких градиентов температуры (рабочая камера турбины, поверхность лопатки). Это обусловлено стабильностью физико-химических свойств керамик в широком диапазоне температур, вплоть до температур, близких к плавлению. Керамики на основе оксидов алюминия и циркония характеризуются высокой адгезией, термостабильностью и химической устойчивостью [1].
Керамики, как правило, материалы многофазные [2]. Кристаллическая фаза всегда имеет дефектную структуру, обусловленную микротрещинами, дислокациями, внутрикристаллическими порами, внедрением примесных ионов и наличием вакансий. Перечисленные дефекты влияют на физико-химические свойства, снижают механическую прочность и эксплуатационные свойства керамики. Особенностью структуры данных материалов является их зернистость и пористость, что ограничивает применение классических оптических методов контроля таких материалов. Защитные Al2O3 и ZrO2 покрытия имеют мелкозернистую структуру с размерами пор 0,5-1,0 нм. В объемных керамических теплозащитных блоках из Al2O3 диаметр пор достигает 1 мм, а общий объем пор составляет 8-12% от объема керамики.
Различные способы изготовления защитных объемных блоков и нанесения керамических покрытий, а также их последующая обработка позволяют частично управлять их физическими свойствами. В настоящее время эффективных методов дефектоскопии таких материалов, и в особенности в условиях производства, не создано. В работе исследуется возможность применения оптических методов неразрушающего контроля теплозащитных керамик в промышленных условиях.
Оптические методы контроля керамик
Главным барьером к применению в промышленных условиях оптических методов является тот факт, что Al2O3 и ZrO2 керамики сильно рассеивают в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра. Использование для диагностики дальнего ИК диапазона, наряду с серьезными проблемами излучения и регистрации сигнала, приводит к снижению разрешающей способности метода. Распространение оптических волн в керамическом материале сопровождается высокоразвитой спекл-структурой, и только детальное исследование пространственно-временных свойств этой структуры может дать ценную информацию относительно качества материала. На «применимости» оптических методов сказывается и поглощение излучения керамиками. Нами установлено, что ZrO2 керамики оптически прозрачны в видимой и инфракрасной области до 10 мкм, а для Al2O3 керамики область прозрачности распространяется от видимого до ближнего ИК диапазона с границей на 5 мкм. Экспериментально обнаружено, что проникновение излучения в глубь керамики в спектральной области 0,6-1,5 мкм растет. В частности, глубина проникновения излучения с длиной l = 1,15 мкм в два раз выше, чем для l = 0,63 мкм. Диапазон излучения 0,80-0,95 мкм является перспективным для использования в условиях производства из-за доступности в этой области мощных полупроводниковых лазеров и высокоразрешающих CCD матриц. Отсутствие сильного поглощения керамик в этой области спектра создает перспективу для применения оптических методов диагностики сильно рассеивающих материалов в условиях производства.
Нами применялся визуальный метод контроля для наблюдения объектов с использованием механической шлифовки и подкраски. На рис. 1 показаны увеличенные микроскопом фотографии поверхности покрытия, содержащие дефекты.
а) поверхность нешлифованная
б) поверхность нешлифованная с подкраской
в) шлифованная поверхность покрытия
г) шлифованная поверхность с подкраской
Рис. 1. Изображение поверхности ZrO2 покрытия (увеличение 120х)
Видно, что применение шлифовки и подкраски покрытия (рис. 1, г) повышает контраст пор и позволяет более четко рассмотреть приповерхностную структуру покрытия. Метод визуализирует небольшой участок поверхности на незначительную глубину, что ограничивает его применимость к объемным керамикам. Также следует учесть, что при механической обработке возможно нарушение структуры слоя.
При зондировании поверхности ZrO2 покрытия бесселевым и гауссовым лазерными пучками установлено, что источниками рассеянного света являются два фактора: а) развитая шероховатость поверхности; б) рассеяние в объеме покрытия, в т. ч. и многократное. В отраженном излучении фактически отсутствует зеркальная компонента, а коническая структура бесселева светового пучка полностью разрушается. Влияние рассеяния на поверхности в отраженном свете частично может быть ослаблено установкой поляризатора перед CCD камерой. Рост кратности рассеяния в объеме керамики приводит к потере информации о размерах и количестве дефектов в материале.
Флуоресцентные методы изучения покрытий из ZrO2 показали, что керамика обладает высоким энергетическим выходом флуоресценции в широкой спектральной области. Спектр флуоресценции ZrO2 покрытия, возбуждаемый ксеноновой лампой, имеющей мощность порядка 10"4-10"5 Вт, показан на рис. 2. На верхних графиках указана длина волны возбуждения (1 = 280 нм и 1 = 380 нм), нижние графики соответствуют флуоресценции, измеренной на длинах волн 1 = 450 нм и 1 = 551 нм.
Рис. 2. Спектр возбуждения флуоресценции 2г02 покрытия
Излучение флуоресценции пространственно некогерентно и поэтому не образует спеклов. Отмечается низкая эффективность метода применительно к тестированию объемных керамик.
Известно, что для рассеивающих сред наиболее широко применимыми являются методы двухэкспозиционной голографии (интерферометрии), углового светорассеяния в комбинации с фрактальным анализом и анализ динамики спекл-изображений.
Двухэкспозиционная голография (интерферометрия) [3] обладает очень высокой чувствительностью, связанной с регистрацией как интенсивности, так и фазы оптического поля. Между двумя экспозициями керамику подвергают динамической тепловой или механической нагрузке. Наиболее подходящая среда для регистрации голограмм в условиях промышленного производства - фототермопластики. В экспериментах нами использовался термопластик с разрешением до 1000 мм-1. Для записи голограмм применялась стандартная оптическая схема. Источником когерентного излучения служил Ие-№ лазер с длиной волны 1 = 633 нм и мощностью 50 мВт. Для получения качественных световых пучков проводилась пространственная фильтрация излучения. Угол схождения предметного и опорного пучков в эксперименте составлял около 30 . Две экспозиции регистрировались в процессе динамической тепловой нагрузки. Для этих целей применялась ксеноновая лампа с выходной мощностью около 1 кВт. Восстановленные нами типичные голограммы поверхности лопатки турбины (2г02 покрытие) показаны на рис. 3.
Слева расположены голограммы участков покрытия, не содержащие дефектов, справа -с дефектами. Кружком отмечены дефектные участки керамического 2г02 покрытия, выявленные методом двухэкспозиционной голографии. Нижний и верхний ряд голограмм отличаются кратностью увеличения и приведены для разных участков покрытия. Интерференционные полосы свидетельствуют о неравномерности возникновения тепловых напряжений образца. Исследования и анализ показали, что напряжения обусловлены не только дефектами покрытия, но и сложной конфигурацией металлической подложки образца. На голограммах видны некоторые вариации предельного контраста и других структурных особенностей покрытия. Однако видимый на голограммах интенсивный спекл-компонент приводит к увеличению уровня шума в выходном сигнале. Кроме того, на практике проявляется очень высокая чувствительность интерференционной картины к стохастическим вариациям температуры керамики и к нагреву окружающего керамику воздуха.
Рис. 3. Голограммы изображения керамического 2г02 покрытия
Светорассеяние под малым углом может рассматриваться как оптический аналог известной рентгеновской рефлектометрии, которая является хорошо прижившимся и мощным инструментом для неразрушающих измерений и испытаний материалов. Изучение малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [4] в пористых материалах показало, что рассеиваемая
интенсивность пропорциональна неинтегральной мощности I (д)~ д-, где д = 4пХ~х /2), 1 - длина волны, и в - угол рассеяния. Пористость керамики зависит от фрактальной величины d и от верхней £ и нижней 2г0 длины среза и дается формулой: р = 1 - (X / г0)с1-3. Три параметра d, £ и г0, входящие в эту формулу, оцениваются путем соответствия теоретических кривых экспериментальным данным.
Нами исследованы угловые спектры рассеяния 2г02 покрытия и объемных А1203 керамик. Для измерения угловых спектров применялись два типа стандартных оптических схем: схемы, работающие в отраженном свете и предназначенные для исследования 2г02 покрытий на металлических (непрозрачных) подложках; схемы, работающие в пропускающем свете для исследования объемных А1203 керамик.
Типичные угловые Фурье-спектры (рис. 4. а, в) и их Ш сечения (рис. 4. б, г), полученные нами для 2г02 покрытия (верхний ряд) и объемной защитной А1203 керамики (нижний ряд), представлены на рис. 4.
На рис. 5 показана индикатриса рассеяния, полученная нами для 2г02 покрытия. Аналогичные результаты получаются и для А1203 керамики. Здесь же для сравнения приведена индикатриса идеального рассеивающего объекта (косинусная индикатриса). Видно, что индикатриса керамики слабо отличается от индикатрисы идеального рассеивателя. Из проведенных экспериментальных исследований по угловому рассеянию следует, что основанные на анализе углового распределения интенсивности оптические методы контроля (малоугловое рассеяние, фрактальный анализ) имеют низкую чувствительность. Этот фактор ограничивает практическую применимость указанных методов при решении поставленной задачи.
Следует также заметить, что параметр пористости р не является достаточным для полного описания качества керамики. Более полную информацию о качестве керамики дает функция распределения пор по размеру дефектов, которая может быть получена из анализа спекл-динамики.
a)
§Й8 ЩШ
mm
■ . - ■ ■
в)
с
с
и
С
с
1.1 1
0.7 -0.6 —
б)
1.1
g 1
о
n 0.9
0.8
S3
te
0.7
0 6
г)
ZrO2-coating
1.5
r 2.5 Angle, deg
3.5
Al2O3-bulk ceramic 10
8 9
Angle, deg
11
Рис. 4. 2Б малоугловые Фурье-спектры для 2г02 покрытия (а), для объемной защитной А1203 керамики (в) и их Ш сечения - (б) и (г) соответственно.
й
й
<ч
1 .0
0.8
0.6
0.4
in d icatrix co s(f )
0.0
0.2
1 .0
1 .2
0.4 0.6 0.8
Angle, rad
Рис. 5. Индикатриса рассеяния оптического излучения для ZrO2 покрытия
Метод вычитания спекл-изображений [5] позволяет выявить неоднородность динамического воздействия на оптические свойства материала. Как правило, чаще применяют температурное воздействие. Если создано спекл-изображение, то спекл-точки в изображении однозначно идентифицируются с соответствующей точкой на объекте. Сдвиг спекла при регистрации для двух состояний объекта соответствует локальному изменению оптического пути внутри объекта. Разность двух спекл-изображений, полученных при различных температурных градиентах, содержит более достоверную информацию для диагностики, чем начальные изображения. Дополнительная обработка изображений (пороговая фильтрация интенсивности, процедура сглаживания) позволяет визуализировать дефекты, которые обычно не видны на изображениях. Кроме того, процедура отбора по интенсивности отраженного излучения позволяет потенциально распознать дефекты, приходящие из небольших глубин. В [6] исследована возможность определения подповерхностных дефектов при обработке последовательности спекл-изображений методом нахождения относительного стандартного отклонения (дисперсии). Мы провели исследования покрытий данным методом с целью выявления скрытых под
0.9
3
4
6
7
поверхностью керамики неоднородностеи, которые не видны при некогерентном освещении. Обработка последовательности спекл-изображений проводилась нами по стандартной процедуре нахождения относительного отклонения значения величины в каждом пикселе CCD камеры, т. е.
f I-Л
I 1 W n - 2 Y. . = J-Z (X . - X. . )2
j i л >• j >• j
^ N - 1 n=
/ X. .,
j -
- 1 N n
где X. . = — Z X. . - среднее значение величины в пикселе (i, j).
!'J N n=!
Экспериментально исследовались искусственные дефекты - поры в подложке, покрытые слоем писчей бумаги. Излучение He-Ne лазера мощностью 25 мВт после фильтрации расширялось телескопом до диаметра 40 мм и направлялось под углом 450 на исследуемое «дефектное» покрытие. На расстоянии 3f нормально к поверхности устанавливалась собирающая линза с фокусным расстоянием 60 мм. Входная апертура линзы ограничивалась диафрагмой. CCD камера была установлена в области формирования изображения и фиксировала спекл-структуру рассеянного излучения. Камерой снимались 100 кадров с экспозицией одного кадра от 1 до 12 мс и интервалом между ними 90 мс. В ходе эксперимента варьировался размер пор, цвет, плотность и толщина бумаги-покрытия. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 6.
Рис. 6. Единичный кадр сильно рассеивающего покрытия (а), изображение дефекта (б) после обработки (дисперсия) 25 кадров и зависимость контраста обработанного изображения от числа кадров (в) и времени экспозиции (г).
Видно, что единичное изображение объекта (рис. 6, а) имеет ярко выраженную спекл-структуру с отсутствием явных признаков дефекта. Математическая обработка нескольких спекл-изображений позволяет обнаружить дефект под покрытием (рис. 6, б). Ш срез изображения дефекта сильно изрезан, и его дальнейшую обработку проводят с применением процедуры сглаживания гауссовой функцией. Обработанное таким образом изображение имеет высокий контраст и позволяет с достаточной степенью точности определить размер дефекта. Увеличение числа обрабатываемых кадров не приводит к повышению контраста изображения дефекта (рис. 6, в). Зависимость контраста изображения дефекта от времени экспозиции для стандартной плотности бумаги приведена на рис. 6, г. Трехкратный рост плотности покрытия требует увеличения времени экспозиции до 12 мс, а число обрабатываемых спекл-изображений для получения хорошего контраста в этом случае возрастает до 80.
Выводы. Исследованы спектральные характеристики объемной Al2O3 керамики и ZrO2 покрытия, применяемых для тепловой защиты в энергетической промышленности. Показано, что керамики оптически прозрачны в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Пропускание керамик в диапазоне 0,6-1,5 мкм растет, что создает предпосылку использования оптических методов для дефектоскопии этих материалов в условиях производства. Экспериментально изучены возможности применения к защитным Al2O3 и ZrO2 керамикам различных оптических методов неразрушающего контроля (визуальные методы, методы зондирования, методы анализа углового спектра рассеяния, методы анализа динамики спекл-изображений). Установлено, что более полную информацию о качестве керамики можно получить из анализа динамики спекл-изображений. Перспективным методом обработки динамики спеклов керамики является корреляционный анализ изображений, полученных нестационарным тепловым воздействием при охлаждении образцов.
Литература
1. Балкевич, В. Л. Техническая керамика / В. Л. Балкевич. - М. : Стройиздат, 1984. - 465 с.
2. Лазарев, В. Б. Химические и физические свойства простых оксидов металлов / В. Б. Лазарев, В. В. Соболев, И. С. Шаплыгин. - М. : Наука, 1983. - 387с.
3. Svanbro, A. DSPI: complex amplitude correlation for large in-plane compensations and phase evaluation / A. Svanbro // Proc. SPIE. - 2006. - V. 6341. - Р. 63410I-1-63410I-5.
4. Small-Angle X-Ray Scattering Study of Porous Polysulfone and Poly (Vinyl Pyrrolidone) Polysulfone Blend Membranes / Debasis Sen [etc.] // J. Macromol. SCI. - Phys. - 2000. - Vol. B39, № 2. - Р. 235-243.
5. Roman, J. F. A speckle pattern subtraction technique applied to automatic displacement and deformation measurement / J. F. Roman, J. R. Salgueiro, V. Moreno // J. of Modern Optics. - 1999. -Vol. 46, № 4. - Р. 693-708.
6. Nothdurft, R. Imaging obscured subsurface inhomogeneity using laser speckle / R. Nothdurft, G. Yao // Opt. Express. - 2005. - Vol. 13, № 25. - Р. 100034-10039.
Summary
Spectral characteristics of Al2O3 bulk ceramics, applied for heat protection of operating camera of a turbine, have been investigated. It has been shown, that existing compact laser sources allow one to penetrate quite deeply inside such materials. Small transmission coefficient is not a limiting factor to apply optical methods for quality control of such materials in industrial conditions. The opportunities of application of various optical methods for nondestructive testing (visual methods, probing methods, methods for analysis of angular dispersion spectrum, methods for analysis of speckle-images dynamics) to highly dispersing materials, in particular to protective Al2O3 and ZrO2 ceramics.
Поступила в редакцию 22.12.06
