热障涂层厚度涡流检测方法研究

发布时间：2020-06-10 09:06

【摘要】：航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”,是体现国家核心竞争力的重要标志。高压涡轮叶片将燃气热能转化为动能,是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件,也是制约发动机发展的短板。而热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是国内外公认可以有效阻碍燃气与叶片基体之间的热传递以大幅降低叶片基体温度,是显著提高发动机推重比、热效率和服役寿命最切实可行的办法。本文提出了利用模型法涡流检测实现热障涂层厚度无损测量的新方法,推导并构建了热障涂层厚度测量模型,搭建了涡流检测实验平台,提出了基于模型的厚度检测方法,研究了模型校准方法,最后借助蒙特卡洛算法对模型的检测精度进行了可靠性评价。主要成果及创新点如下:首先,依据麦克斯韦方程组和矢量磁位推导了多匝线圈激励下单层导电结构涡流场的积分解析模型,借助叠加原理建立了多层导电结构涡流场的积分解析模型。同时,为确定检测模型的准确性,利用Ansys Maxwell对其进行了数值验证;接着,通过仿真对阻抗信号的影响因素进行了探究。其次,制作了热障涂层试件,搭建了涡流检测实验平台,设计开发了基于FPGA的实验系统,该平台由硬件部分和软件部分构成。硬件部分包括FPGA控制模块、探头驱动模块、信号处理模块、电源模块、无线通信模块;软件部分由上位机软件和下位机软件组成,下位机软件主要负责接收检测探头信号,控制检测信号的传输和处理;而上位机的主要功能是协调处理整个系统的正常运作。再者,提出了基于解析模型的热障涂层厚度检测方法,并进行了优化策略选择,确定下山单纯形算法为求解方法,而后对热障涂层进行了实验研究,将所测阻抗代入厚度检测算法,结果表明检测误差较大;利用模型仿真和实验结合的方式,对模型误差和阻抗信号的关系进行了探究,并在此基础上提出了基于校准系数的方法来对模型进行校准,提高了检测精度。最后,运用蒙特卡洛算法对热障涂层厚度检测方法进行了不确定度评估,结果表明,当检测信号服从高斯分布时,厚度检测结果也近似服从高斯分布,陶瓷层和粘结层厚度均值与真值一致,而标准差分别为0.0056和0.0035,不确定性分析结果验证了对本文检测算法的可靠性。本文的研究为热障涂层厚度检测,检测模型构建、校准方法探究、可靠性评估等方面均有涉及,具有重要的理论与应用价值。
【图文】：

热障涂层,结构示意图

1 Introduction1.1 课题背景及意义(Background and Significance)航空发动机集成了热学、材料学、动力学、结构力学等高精尖学科，是国家工业实力的体现，代表着国家科研实力的最高水平。其中，叶片部分将热能转化为动能，直接接触高温燃气，故对其承温能力有极其苛刻的要求。但是，即使是最先进的高温合金，也无法达到其温度要求，故提高航空发动机涡轮叶片的承温能力是发展航空发动机事业亟待解决的问题。热障涂层（Thermal Barrier Coating, TBC）喷涂在涡轮叶片表面，避免了叶片基体合金与高温燃气直接接触，可以有效的降低到达基体合金燃气的温度，另外，由于不是直接接触，故在一定程度上防止了高温燃气对叶片的侵蚀[1,2]。因此，热障涂层是当前保护叶片基体合金最有效的方法。TBC 主要由陶瓷层（TopCoating,TC）、金属粘结层（BondCoating,BC）和镍基高温合金基体组成，如图 1-1 所示[3]。

框图,论文结构,框图,研究现状

图 1-2 论文结构框图Figure 1-2 Structure of the paper1.4 本章小结(Summary)(1) 介绍了课题的研究背景和意义；(2) 简单介绍了热障涂层的国内外研究现状；(3) 给出了论文的主要内容及章节安排。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V23

【参考文献】