Terahertz Detection and Evaluation of Thermal Barrier Coating Thickness

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Thermal barrier coatings are mainly used for thermal protection of turbine blades, and accurate non-destructive measurement of their thickness is a key factor in evaluating the integrity of blade quality. This article uses a reflective terahertz time-domain spectroscopy system to measure the thickness of thermal barrier coating samples, obtaining the refractive index of several thermal barrier ceramic coating material samples under different preparation conditions in the terahertz frequency band. Then, the reflective terahertz measurement system is used to obtain the time-domain signals of thermal barrier ceramic coating samples under different preparation conditions, extract different time-domain features, calculate the coating thickness, and compare them. The phenomenon of waveform broadening caused by dispersion during the transmission of terahertz waves in different samples was studied, and the impact of waveform broadening on the measurement of thermal barrier coating thickness was qualitatively analyzed. Compared with the results of metallographic thickness measurement, the deviation of the results is within the error range, and the comparison results show good consistency. It also provides useful reference for using terahertz technology to detect the thickness of thermal barrier coatings on turbine blades and evaluate structural quality.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Bin Han

Beijing Institute of Technology

Email: yjzhao@bit.edu.cn
China, 5, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100081

Jianchao Li

Institute of Surface Engineering Technology of the Chinese Academy of Agricultural Mechanization

Email: yjzhao@bit.edu.cn
China, 12, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100083

Qing He

Institute of Surface Engineering Technology of the Chinese Academy of Agricultural Mechanization

Email: yjzhao@bit.edu.cn
China, 12, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100083

Zhenwei Zhang

Beijing Institute of Technology; Capital Normal University

Email: yjzhao@bit.edu.cn
China, 5, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100081; 105, West Road, North 3rd Ring Road, Haidian District, Beijing, 100048

Yuejin Zhao

Beijing Institute of Technology

Author for correspondence.
Email: yjzhao@bit.edu.cn
China, 5, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100081

Huiying Wang

Beijing Institute of Technology

Email: wanghuiying@bit.edu.cn
China, 5, South Street, Zhongguancun, Haidian District, Beijing, 100081

References

  1. Darolia R. et al. Thermal barrier coatings technology: critical review, progress update, remaining challenges and prospects // International materials reviews. 2013. V. 58. No. 6. P. 315—348.
  2. David R.C., Simon R.P. et al. Thermal barrier coating materials // Materials Today. 2005. V. 8. No. 6. P. 22—29.
  3. Yong L., Chen Z., Mao Y. et al. Quantitative evaluation of thermal barrier coating based on eddy current technique // NDT and E international. 2012. V. 50. P. 29—35.
  4. Zhang D., Yu Y., Lai C. et al. Thickness measurement of multi-layer conductive coatings using multi-frequency eddy current techniques // Nondestructive testing and evaluation. 2016. V. 31. No. 3. P. 191—208.
  5. Chen H.L.R., Zhang B., Alvin M.A. et al. Ultrasonic detection of delamination and material characterization of thermal barrier coatings // Journal of thermal spray technology. 2012. V. 21. No. 6. P. 1184—1194.
  6. Ma Z., Zhao Y., Luo Z. et al. Ultrasonic characterization of thermally grown oxide in thermal barrier coating by reflection coefficient amplitude spectrum // Ultrasonics. 2014. V. 54. No. 4. P. 1005—1009.
  7. Zhao Y., Chen J., Zhang Z. Nondestructive characterization of thermal barrier coating by noncontact laser ultrasonic technique // Optical engineering. 2015. V. 54. No. 9. P. 094—104.
  8. David R.C., Simon R.P. Thermal barrier coating materials // Materials Today. 2005. V. 8. No. 6. P. 22—29.
  9. Stoik C., Bohn M., Blackshire J. Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy // Optics Exp. 2008. V. 16. No. 21. P. 17039—17051.
  10. Su K., Shen Y.C., Zeitler J.A. Terahertz sensor for non-contact thickness and quality measurement of automobile paints of varying complexity // IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology. 2014. V. 4. No. 4. P. 432—439.
  11. Krimi S., Klier J., Jonuscheit J. et al. Highly accurate thickness measurement of multi-layered automotive paints using terahertz technology // Applied Physics Letters. 2016. V. 109. P. 021105.
  12. Xiao L.W., Xie J.H., Song K. et al. Experimental Study on Thermal Barrier Coating Thickness Measurement of Key Component of Aero-enigine Based on Eddy-current Method // Failure Analysis and Prevention. 2020. V. 15. No. 2. P. 101—108.
  13. Garcia-Martin J., Gómez-Gil J., Vázquez-Sánchez E. Non-Destructive Techniques Based on Eddy Current Testing // Sensors. 2011. V. 11. No. 2. P. 2525—2565.
  14. Zhang H., Xu L.K., Hou W.T. et al. Determination of Thickness of Ti/IrO_2-Ta_2O_5 Oxide Anode Coating by X-Ray Fluorescence // Journal of Materials Protection. 2010. V. 43. No. 2. P. 67—69.
  15. Jain S.K., Gupta P.P., Eapen A.C. An X-Ray Fluorescence Method for Coating Thickness Measurement // X-Ray Spectrometry. 1979. V. 8. No. 1. P. 11—13.
  16. White J., Fichter G., Chernovsky A. et al. Time domain terahertz non-destructive evaluation of aeroturbine blade thermal barrier coatings. Review of quantitative nondestructive evaluation // American Institute of Physics. 2009. V. 28.
  17. Fukuchi T., Fuse N. et al. Measurement of topcoat thickness of thermal barrier coating for gas turbines using terahertz waves // IEEJ Trans Fundam Mat. 2012. V. 132. P. 166—172.
  18. Fukuchi T., Fuse N. et al. Measurement of refractive index and thickness of topcoat of thermal barrier coating by reflection measurement of terahertzwaves // IEEJ Trans Fund Mater. 2012. V. 132. No. 9. P. 702—708.
  19. Fukuchi T., Fuse N., Okada M. et al. Topcoat thickness measurement of thermal barrier coating of gas turbine blade using terahertz wave // Electrical engineering in Japan. 2014. V. 189. No. 1. P. 1—8.
  20. Krimi S., Klier J. et al. Self-Calibrating Approach for Terahertz Thickness Measurements of Ceramic Coatings. 2016.
  21. Ye D.D., Wang W.Z., Huang J.B., Lu X. et al. Nondestructive interface morphology characterization of thermal barrier coatings using terahertz time-domain spectroscopy // Coatings. 2019. V. 9. No. 2. P. 89.
  22. Cao B.H., Wang M.Y., Li X.H. et al. Noncontact Thickness Measurement of Multilayer Coatings on Metallic Substrate Using Pulsed Terahertz Technology // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. No. 6. P. 3162—3171.
  23. Watanabe M., Kuroda S., Yamawaki H., Shiwa M. Terahertz dielectric properties of plasma-sprayed thermal-barrier coatings // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 205. No. 19. P. 4620—4626.
  24. Ye D.D., Wang W., Zhou H.T. et al. In-situ evaluation of porosity in thermal barrier coatings based on the broadening of terahertz time domain pulses: simulation and experimental investigations // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 28150—28165.
  25. Ye D.D., Wang W.Z., Zhou H. et al. Nondestructive Evaluation of Thermal Barrier Coatings Interface Delamination Using Terahertz Technique Combined with SWT-PCA-GA-BP Algorithm // Coatings. 2020. V. 10. No. 9. P. 859.
  26. Chen C.C., Lee D.J., Pollock T. et al. Pulsed-terahertz reflectometry for health monitoring of ceramic thermal barrier coatings // Optics express. 2010. V. 18. No. 4. P. 3477—3486.
  27. Dong J., Locquet A., Citrin D.S. Terahertz Quantitative Nondestructive Evaluation of Failure Modes in Polymer-Coated Steel // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. No. 4. P. 1—7.
  28. Dorney T.D., Baraniuk R.G., Mittleman D.M. Material parameter estimation with terahertz timedomain spectroscopy // Journal of the Optical Society of America (Optics Image Science and Vision). 2001. V. 18. No. 7. P. 1562—1571.
  29. Zhang Z.W., Jia R., Xu J. et al. Quasi-optical measurement and complex refractive index extraction of flat plate materials using single time-domain transmission model in Y-Band // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2022. V. 70. No. 11. P. 5224—5233.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Principle of reflection of terahertz waves in a sample (a); typical reflection waveform (b).

Download (217KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Circuit diagram of the system transmission mode (a); reflection mode (b).

Download (174KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Sample for transmittance measurement (a); sample for reflection measurement (b); observation area during measurement (c); metallographic micrograph corresponding to the reflected sample (d).

Download (536KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Sample transmission signal: terahertz waveform in time domain (a) and frequency spectrum (b).

Download (190KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Refractive index spectra (a) and absorption coefficient of the YSZ sample (b).

Download (256KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Time domain signals at different positions of each sample.

Download (299KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Pulse widths S and R1 for samples PS1-PS3.

Download (158KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Thicknesses of samples PS1 (a); PS2 (b); PS3 (c).

Download (193KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».