评估涂层微结构的系统和方法

背景技术

本公开的领域一般涉及无损检查的系统和方法，并且更特别地涉及沉积在基底上的单层或多层涂层结构的无损检查。

一些组件（例如燃气涡轮的热气路径组件）在使用时经受高温。至少一些这样的组件包括涂层系统，该涂层系统包括在暴露于高温的外表面上的热障涂层和粘合涂层（bondcoat）。许多已知的热障涂层的微结构取决于涂层施加过程的过程参数。例如，由相同材料制成的热障涂层仍然可由于相应涂层施加过程的过程参数的变化而具有不同的微结构。一些微结构在保护组件免于暴露于高温方面是有效的，而其它微结构可具有相对降低的有效性和较短的使用寿命。然而，至少一些已知的用于确定特定涂层的微结构的方法实施起来耗时且昂贵。

发明内容

在一个方面中，提供了一种供在检查基底上的涂层中使用的系统。该系统包括平台和光源，该平台被配置成接收包括具有沉积在其上的涂层的基底的样本，该光源被配置成将多个电磁脉冲朝向涂层上的扫描位置引导，其中该光源被定向成将多个电磁脉冲以相对于涂层的表面的倾斜角度引导。光检测器被配置成接收从样本反射的电磁脉冲，其中每个电磁脉冲的第一部分从涂层的表面反射，并且每个电磁脉冲的第二部分从基底的表面反射。致动器耦合到平台和光源中的至少一个，其中致动器被配置成使平台和光源相对于彼此移动，使得多个电磁脉冲可从不同的旋转位置朝向扫描位置引导。

在另一方面中，提供了一种检查基底上的涂层的方法。该方法包括将多个电磁脉冲朝向涂层上的扫描位置引导，每个电磁脉冲从相对于扫描位置的不同旋转位置被引导，并且每个电磁脉冲以相对于涂层的表面的倾斜角度引导。每个电磁脉冲的第一部分从涂层的表面反射，并且每个电磁脉冲的第二部分在涂层和基底之间的界面处从基底的表面反射。该方法还包括评估在光检测器处接收每个反射电磁脉冲的第一部分和第二部分之间的时间延迟，从而限定多个时间延迟，并且分析时间延迟以评估涂层的微结构。

在又一方面中，提供了一种评估涂层微结构的方法。该方法包括：提供多个样本，每个样本具有基底和沉积在其上的涂层；利用多个电磁脉冲评估每个样本，每个电磁脉冲从相对于相应样本的不同旋转位置被引导；以及获得与从多个样本反射的多个电磁脉冲相关联的时间延迟数据。通过在不同的时间点接收从每个样本反射的每个电磁脉冲的第一部分和第二部分来定义时间延迟。该方法还包括基于与多个样本相关联的时间延迟数据的比较来评估多个样本上的涂层的微结构。

本发明提供一组技术方案，如下。

技术方案1. 一种供在检查基底(110)上的涂层(112)中使用的系统，所述系统包括：

平台(102)，其被配置成接收包括具有沉积在其上的所述涂层(112)的所述基底(110)的样本(108)；

光源(104)，其被配置成将多个电磁脉冲(114)朝向所述涂层(112)上的扫描位置(116)引导，其中所述光源(104)被定向成以相对于所述涂层(112)的表面(118)的倾斜角度引导所述多个电磁脉冲(114)；

光检测器(106)，其被配置成接收从所述样本(108)反射的电磁脉冲(114)，其中每个电磁脉冲(114)的第一部分(142)在所述涂层(112)与周围环境之间的界面处从所述涂层(112)的所述表面(118)反射，并且其中每个电磁脉冲(114)的第二部分(144)在所述涂层(112)与所述基底(110)之间的界面处从所述基底(110)的表面(118)反射；以及

致动器(124)，其被耦合到所述平台(102)和所述光源(104)中的至少一个，其中所述致动器(124)被配置成使所述平台(102)和所述光源(104)相对于彼此移动，使得所述多个电磁脉冲(114)可从不同的旋转位置朝向所述扫描位置(116)引导。

技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的系统，还包括与所述光检测器(106)通信的计算设备(122)，所述计算设备(122)被配置成：

确定在所述光检测器(106)处接收每个反射电磁脉冲的所述第一部分(142)和所述第二部分(144)之间的时间延迟，从而限定多个时间延迟；以及

分析所述时间延迟以评估所述涂层(112)的微结构。

技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的系统，其中，所述致动器(124)被耦合到所述平台(102)，并且被配置成相对于所述光源(104)旋转所述平台(102)。

技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的系统，其中，所述致动器(124)被耦合到所述光源(104)，并且被配置成使所述光源(104)围绕所述平台(102)旋转。

技术方案5. 一种检查基底(110)上的涂层(112)的方法，所述方法包括：

将多个电磁脉冲(114)朝向所述涂层(112)上的扫描位置(116)引导，每个电磁脉冲(114)从相对于所述扫描位置(116)的不同旋转位置被引导，并且每个电磁脉冲(114) 以相对于所述涂层(112)的表面(118)的倾斜角度被引导，其中每个电磁脉冲(114)的第一部分(142)从所述涂层(112)的所述表面(118)被反射，并且其中每个电磁脉冲(114)的第二部分(144)在所述涂层(112)和所述基底(110)之间的界面处从所述基底(110)的表面(118)被反射；

确定在光检测器(106)处接收每个反射电磁脉冲的所述第一部分(142)和所述第二部分(144)之间的时间延迟，从而限定多个时间延迟；以及

分析所述时间延迟以评估所述涂层(112)的微结构。

技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，分析所述时间延迟包括确定所述多个电磁脉冲(114)中的每一个的所述时间延迟的标准偏差，所述方法还包括将所述标准偏差与预定阈值进行比较，其中当所述标准偏差大于所述预定阈值时确定第一微结构，并且其中当所述标准偏差小于所述预定阈值时确定第二微结构。

技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，引导多个电磁脉冲(114)包括引导具有在太赫兹频率范围中的波长的所述多个电磁脉冲(114)。

技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，引导多个电磁脉冲(114)包括：

从光源(104)发射所述多个电磁脉冲(114)；以及

旋转所述基底(110)和所述光源(104)中的至少一个，其中旋转所述基底(110)或所述光源(104)中的至少一个包括将所述光源(104)定位在相对于所述扫描位置(116)限定在约0度与约360度之间的旋转范围内。

技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的方法，还包括：

在所述扫描位置(116)处提供所述涂层(112)上的视觉提示(130)；以及

从每个旋转位置将所述多个电磁脉冲(114)朝向所述视觉提示(130)引导。

技术方案10. 一种评估涂层(112)微结构的方法，所述方法包括：

提供多个样本(108)，每个样本具有基底(110)和沉积在其上的涂层(112)；

利用多个电磁脉冲(114)评估每个样本(108)，所述多个电磁脉冲各自从相对于相应样本(108)的不同旋转位置被引导；

获得与从所述多个样本(108)反射的所述多个电磁脉冲(114)相关联的时间延迟数据，其中通过在不同时间点接收从每个样本(108)反射的每个电磁脉冲(114)的第一部分(142)和第二部分(144)来定义时间延迟；以及

基于与所述多个样本(108)相关联的所述时间延迟数据的比较来评估所述多个样本(108)上的所述涂层(112)的微结构。

技术方案11. 如任意前述技术方案所述的方法，其中，评估微结构包括：

确定与每个样本(108)相关联的所述时间延迟数据的标准偏差；

基于所述标准偏差值中的相对差对所述标准偏差值进行分组；以及

基于所述分组来评估每个样本(108)的所述涂层(112)的所述微结构。

技术方案12. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，对所述标准偏差值进行分组包括限定第一集群(188)和第二集群(190)，所述第一集群(188)和所述第二集群(190)由比包含在所述第一集群(188)或所述第二集群(190)中的标准偏差值中的最大差更大的值分开，并且其中评估所述微结构包括：

当样本(108)的所述标准偏差包括在所述第一集群(188)中时，确定所述微结构是各向异性的；以及

当样本(108)的所述标准偏差包括在所述第二集群(190)中时，确定所述微结构是各向同性的。

技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，评估每个样本(108)包括将具有在太赫兹频率范围中的波长的所述多个电磁脉冲(114)朝向所述涂层(112)上的扫描位置(116)引导，每个电磁脉冲(114)以相对于所述涂层(112)的表面(118)的倾斜角度被引导，其中每个电磁脉冲(114)的所述第一部分(142)从所述涂层(112)的所述表面(118)被反射，并且其中每个电磁脉冲(114)的所述第二部分(144)从所述基底(110)的表面(118)被反射。

技术方案14. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，引导多个电磁脉冲(114)包括：

从光源(104)发射所述多个电磁脉冲(114)；以及

旋转所述基底(110)和所述光源(104)中的至少一个，其中旋转所述基底(110)或所述光源(104)中的至少一个包括将所述光源(104)定位在相对于所述扫描位置(116)限定在约0度与约360度之间的旋转范围内。

技术方案15. 根据任意前述技术方案所述的方法，还包括：

在扫描位置(116)处提供所述涂层(112)上的视觉提示(130)；以及

从每个旋转位置将所述多个电磁脉冲(114)朝向所述视觉提示(130)引导。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似的字符在附图通篇中表示相似的部分，其中：

图1是供在评估涂层微结构中使用的示范性检查系统的示意图，该检查系统处于第一操作模式。

图2是图1中所示的检查系统在样本已经旋转第一角度之后的示意图。

图3是图1中所示的检查系统在样本已经旋转第二角度之后的示意图。

图4图示可以利用图1-3中所示的系统来检查的示范性第一样本的俯视图，该第一样本具有第一微结构。

图5图示图4中所示的第一样本的截面视图，该视图是沿线5-5截取的。

图6图示从图4中所示的第一样本的检查获得的测试结果。

图7图示可以利用图1-3中所示的系统来检查的示范性第二样本的俯视图，该第二样本具有第二微结构。

图8图示图7中所示的第二样本的截面视图，该视图是沿线8-8截取的。

图9图示从图7中所示的第二样本的检查获得的测试结果。

图10图示使用图1-3中所示的系统从多个样本的检查获得的测试结果。

除非另外指出，否则本文提供的附图意在说明本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的对于实施本文公开的实施例所需的全部常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将参考许多术语，其应被定义为具有以下含义。

单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数参考，除非上下文另外清楚地指明。

“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括其中事件发生的实例和其中事件不发生的实例。

如本文在整个说明书和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，所述定量表示可容许在不导致与其相关的基本功能改变的情况下变化。因此，由诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并包括其中包含的全部子范围，除非上下文或语言另有指示。

本公开的实施例涉及对沉积在基底上的单层或多层涂层结构的无损检查。在示范性实施例中，本文所述的检查系统包括在其上接收样本的平台、用于将电磁脉冲朝向样本引导的光源以及用于接收从样本反射的电磁脉冲的光检测器。朝向样本引导的电磁脉冲具有在太赫频率范围中的波长。在该频率范围，电磁脉冲在样本上的涂层表面处从空气/涂层界面部分地反射，并且其余的波穿过涂层并从涂层/基底界面反射。作为反射电磁脉冲的传播长度的差异的结果而实现的时间延迟促进估计涂层的厚度及其折射率。

在双折射材料中，折射率取决于入射波束的传播方向。双折射材料本质上是各向异性的(即，它们具有限定的晶体结构周期性)。在本文所述的检查系统中，平台和光源相对于彼此移动或旋转，以使得能够利用相对于涂层上的扫描位置定位在不同旋转位置处的光源来获得时间延迟数据。在许多已知的热障涂层中，通常观察到两种不同类型的微结构。一种是柱状类型，其本质上更有序且各向异性。另一种是花椰菜型，其结构更随机(即各向同性)。预期的是，在各向异性材料中，时间延迟将变化，并且在各向同性材料中，时间延迟将在很大程度上一致，因为样本是从不同的旋转位置检查的。使用从检查过程获得的时间延迟数据，特定样本内包含的双折射量是可确定的，从而实现将以快速、有效和非破坏性的方式识别微结构的类型。

图1是处于第一操作模式的示范性检查系统100的示意图。在示范性实施例中，检查系统100包括平台102、光源104和光检测器106。平台102在其上接收要被检查的样本108。样本108包括具有沉积在其上的涂层112的基底110。基底110和涂层112可由使检查系统100能够如本文所述的那样起作用的任何材料制成。示例基底材料包括但不限于镍基、钴基等金属材料。示例涂层材料包括但不限于陶瓷材料。

在操作中，光源104将电磁脉冲114朝向涂层112上的扫描位置116引导。光源104被定向成以相对于涂层112的表面118的倾斜角度ϴ引导多个电磁脉冲。因此，如上所述，光源104被定向成从具有各向异性微结构的潜在双折射材料精确地获得时间延迟数据。多个电磁脉冲114具有在太赫兹(THz)频率范围中的波长，该太赫兹频率范围被限定在大约0.1THz和大约4 THz之间的范围内。在备选实施例中，电磁脉冲114具有使检查系统100能够如本文所述的那样起作用的任何频率范围中的波长。

光检测器106接收从样本108反射的电磁脉冲120。如下面将更详细地描述的，每个电磁脉冲120的第一部分从涂层112的表面118反射，并且每个电磁脉冲120的第二部分从基底110的表面反射。检查系统100还包括与光检测器106通信的计算装置122。计算装置122确定在光检测器106处接收每个反射电磁脉冲120的第一部分和第二部分之间的时间延迟。计算装置122然后可对于从不同旋转位置朝向样本108引导的电磁脉冲114分析时间延迟，以确定涂层112的微结构。

例如，平台102和光源104中的至少一个耦合到致动器124。致动器124移动平台102和/或光源104，使得多个电磁脉冲114可从不同旋转位置朝向扫描位置116引导。更特定地，致动器124可以耦合到平台102，以用于相对于光源104旋转平台102。备选地或附加地，致动器124可以耦合到光源104，以用于在平台102周围移动光源104。

如图1中所示，致动器124将样本108以相对于参考轴126的第一旋转角(即0度)定向。在操作中，当样本108以第一旋转角定向时获得第一时间延迟数据，并且致动器124然后将样本108以相对于参考轴126的第二旋转角α(例如，45度)定向，如图2中所示。当样本108以第二旋转角α定向时获得第二时间延迟数据，并且致动器124然后将样本108以相对于参考轴126的第三旋转角β(例如，90度)定向，如图3中所示。当样本108以第三旋转角β定向时获得第三时间延迟数据，并且涂层112的双折射可以基于由计算装置122对时间延迟数据的分析来确定。

检查系统100还包括扫描定位器128，其用于在样本108上提供视觉定位引导（positioning guidance），这有助于确保通过从不同旋转位置朝向样本108引导的电磁脉冲114来评估相同的扫描位置116。扫描定位器128可以是使检查系统100能够如本文所述的那样起作用的任何定位装置。在示范性实施例中，扫描定位器128是激光投影装置，其在扫描位置116处提供涂层112的表面118上的视觉提示130。因此，电磁脉冲114可被引导朝向涂层112上的相同位置，而不管光源104对于样本108的相对旋转位置。

图4和图5图示可以利用检查系统100 (图1-3中所示)检查的示范性第一样本132的俯视图和截面视图。在示范性实施例中，第一样本132包括具有第一微结构类型的涂层134，该第一微结构类型为柱状、有序（ordered）并因此本质上固有地为各向异性的。

图6图示从第一样本132 (图4和图5中所示)的检查获得的测试结果。在示范性实施例中，通过将第一电磁脉冲136、第二电磁脉冲138和第三电磁脉冲140朝向涂层134引导来检查第一样本132 (图4和5中所示)。当第一样本132以第一旋转角定向时，第一电磁脉冲136被引导，如图1中所示。从第一样本132反射的第一电磁脉冲136包括在第一时间点接收的第一部分142和在第二时间点接收的第二部分144。第一部分142和第二部分144被接收的时间差限定第一时间延迟146。另外，当第一样本132以第二旋转角α定向时，第二电磁脉冲138被引导，如图2中所示，并且当第一样本132以第三旋转角β定向时，第三电磁脉冲140被引导，如图3中所示。第二时间延迟148由在不同时间点接收的反射的第二电磁脉冲138的第一部分150和第二部分152限定，并且第三时间延迟154由在不同时间点接收的反射的第三电磁脉冲140的第一部分156和第二部分158限定。

图7和图8图示可以利用检查系统100 (图1-3中所示)检查的示范性第二样本160的俯视图和截面视图。在示范性实施例中，第二样本160包括具有第二微结构类型的涂层162，当与图4和图5中所示的第一微结构类型相比时，该第二微结构类型在结构上更随机，并且因此在性质上比第一微结构类型更各向同性。

图9图示从第二样本160 (图7和图8中所示)的检查获得的测试结果。在示范性实施例中，通过将第四电磁脉冲164、第五电磁脉冲166和第六电磁脉冲168朝向涂层162引导来检查第二样本160(图7和图8中所示)。当第二样本160以第一旋转角定向时，第四电磁脉冲164被引导，如图1中所示。从第二样本160反射的第四电磁脉冲164包括在第一时间点接收的第一部分170和在第二时间点接收的第二部分172。第一部分170和第二部分172被接收的时间差限定第四时间延迟174。另外，当第二样本160以第二旋转角α定向时，第五电磁脉冲166被引导，如图2中所示，并且当第二样本160以第三旋转角β定向时，第六电磁脉冲168被引导，如图3中所示。第五时间延迟176由在不同时间点接收的反射的第五电磁脉冲166的第一部分178和第二部分180限定，并且第六时间延迟182由在不同时间点接收的反射的第六电磁脉冲168的第一部分184和第二部分186限定。

如图6中所示，涂层134 (图4和图5所示)的各向异性性质导致第一时间延迟146、第二时间延迟148和第三时间延迟154各自具有不同的值。另外，如图9中所示，涂层162的各向同性性质使得第四时间延迟174、第五时间延迟176和第六时间延迟182基本相等。可分析时间延迟146、148、154、174、176和182以评估涂层134和162的微结构。例如，计算设备122(图1-3中所示)可以接收时间延迟146、148和154的值，以及时间延迟174、176和182的值。计算设备122然后可以确定与每个样本相关联的时间延迟值的标准偏差。在一个实施例中，涂层134和162的微结构通过将与各样本相关联的标准偏差与预定阈值进行比较来确定。当标准偏差大于预定阈值时，确定存在第一微结构，并且当标准偏差小于预定阈值时，确定存在第二微结构。

图10图示使用检查系统100 (图1-3中所示)从多个样本108的检查获得的测试结果。如图10中所示，制造和评估了八个样本108，但是应当理解，可以制造和评估任何数量的样本108，其使得评估涂层微结构的方法能够如本文所述的那样起作用。在示范性实施例中，使用如上所述的检查系统100来评估每个样本108，并且每个样本108上的涂层112的微结构可基于与每个样本108相关联的时间延迟数据的比较来确定。例如，针对每个样本108确定与每个样本108相关联的时间延迟数据的标准偏差。然后将标准偏差值彼此比较，并基于标准偏差值中的相对差来分组（group）。

在示范性实施例中，样本3、4、5和6的标准偏差值大于样本1、2、7和8的标准偏差值。可以基于标准偏差值中的相对差来定义第一群集（cluster）188和第二群集190。例如，包含在第一群集188或第二群集190中的最高和最低标准偏差值之间的差可以是第一值，并且第一群集188中的最高标准偏差值和第二群集中的最低标准偏差值之间的差可以是第二值。基于第一值小于第二值来定义第一群集188和第二群集190。因此，基于在第一群集188或第二群集190之一中包括相关联标准偏差值来确定每个样本108上的涂层112的微结构。因此，根据图10，样本3、4、5和6被确定具有各向异性微结构，并且样本1、2、7和8被确定具有各向同性微结构。

本文描述的系统和方法的示范性技术效果包括以下中的至少一个：(a)涂层微结构的无损检查和确定；(b)提供一种使用非电离辐射的检查技术；以及(c)提供具有机翼上部署（on-wing deployment）的能力的检查技术。

供在对沉积在基底上的涂层进行无损检查的系统和方法的示范性实施例不限于本文所述的特定实施例，而是，系统的组件和/或方法的步骤可与本文所述的其它组件和/或步骤独立地和分开地使用。例如，方法和系统也可与其它非金属涂层系统组合使用，并且不限于仅用本文所述的热障涂层或环境屏障涂层来实践。相反，示范性实施例可以结合可以受益于本文所述技术效果的许多其它应用、设备和系统来实现和利用。

虽然本公开的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出而不在其它附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的实施例，并且还使任何本领域技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这样的其它示例打算处于权利要求的范围内。