基于CT法的火山灰腐蚀APS热障涂层内部孔隙演化规律表征

发布时间：2020-09-22 13:52

　　 航空发动机的发展是国防科技水平的重要体现,热障涂层由于隔热性能佳,可以有效保护航空发动机涡轮叶片,减少其受热气流冲击。热障涂层在制备完成时内部就包含一定的孔隙,这些孔隙结构可以帮助其提高隔热效率。然而,在服役过程中热障涂层的孔隙会发生变化,尤其是火山灰高温腐蚀会对孔隙结构产生较大的影响。火山灰被吸入发动机后会变成熔融状态渗透进热障涂层中,改变涂层孔隙结构,从而影响涂层的隔热性能和力学性能等,分析火山灰腐蚀诱发的孔隙变化是分析热障涂层剥落的重要途径。X射线计算机断层扫描(CT)是一种微观结构探索的方法,具有无损、三维、高分辨率等特点,因此有望成为热障涂层内部结构分析的有效手段。本课题基于CT表征方法,以大气等离子喷涂热障涂层为研究对象,运用图像形态学的处理方法,得到了热障涂层孔隙的分布特点,分析了火山灰腐蚀导致孔隙演化的规律,并结合几种常用孔隙检测手段对实验结果进行了对比。主要研究内容有:(1)提出了一种图像分割处理的方法。热障涂层内部孔隙繁多,体积小,且与样品的界限不明显,常用的单一阈值分割法不能完整地将孔隙从样品中分割出来。经过探索发现,顶帽法这种图像形态学处理方法在可以很好地识别图像的细节部分,能识别出热障涂层中的绝大部分孔隙。对于部分未识别的则采用区域生长法补全,两种方法结合能将孔隙从热障涂层样品中完整提取出来。通过这种方式对热障涂层内部孔隙的结构进行了三维重构。(2)研究了火山灰高温腐蚀对热障涂层内部孔隙的尺寸、形状、孔隙率演化规律的影响。在孔隙尺寸方面,火山灰在熔融渗透进陶瓷层的过程中主要填充的是半径在3μm以下的孔隙;在孔隙形状方面,火山灰腐蚀会使孔隙形态由规则向不规则转变,腐蚀温度越高,孔隙越不规则,火山灰涂覆量对孔隙球形度造成的影响较小;在孔隙率方面,火山灰腐蚀样品比原始涂层低,孔隙率随着涂覆量增多而降低,随着腐蚀温度上升而降低。(3)结合压汞法、SEM法、超声扫描显微镜法三种检测手段与CT法做对比。实验发现,压汞法、SEM法的检测数据与CT法基本一致。但是压汞法只能得到累加的孔隙分布值,SEM法只能分析某个截面的孔隙分布信息,且两种方法都对样品造成不可逆的伤害。由于超声波在进入多孔热障涂层样品时散射严重,超声波扫描显微镜还不能满足检测热障涂层。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V263
【部分图文】：

热障涂层通常由两个金属层：基底（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、粘结层（Ｂｏｎｄ邋Ｃｏａｔ）和两个非逡逑金属层：顶部陶瓷层（Ｃｅｒａｍｉｃ邋Ｔｏｐ，简称ＴＣ）、氧化层（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ邋Ｇｒｏｗｎ邋Ｏｘｉｄｅ，逡逑简称ＴＧＯ）组成，其结构如图１．１所示。逡逑＂＾２邋基底邋粘结层邋陶瓷层逦￥冷却气膜．逡逑涂覆了热障涂层赠Ａ逦ｉ？１００卩ｍｉ邋１００－４００以ｍ邋｜邋｜逡逑的润轮叶片邋＾邋ｙ邋ｍｍ邋■邋ｍｍｉ逡逑，ａ邋ｍｍ－，逡逑ｔ逡逑、、、＇邋ｌ邋１００逡逑距离逡逑图１．１热障涂层系统构成横截面图ｗ逡逑基底的作用主要是承受发动机工作时的机械载荷，常用的材料是镍基或钴基逡逑高温合金。顶部陶瓷层的厚度约３００邋ｎｍ，主要用来限制外界热源与基底的热传逡逑导，主要材料为氧化钇（Ｙ２0３）部分稳定的氧化锆（Ｚｒ0２），即ＹＳＺ，其中Ｙ２Ｏ３的逡逑质量分数一般为７％？８％。粘结层是一种厚度为１００？１５０的金属结构，通常逡逑选用的材料为ＭＣｒＡｌＹ合金（其中Ｍ为Ｎｉ、Ｃｏ或Ｎｉ－Ｃｏ合金）材料。粘结层可以逡逑提高金属基底与顶部陶瓷层的结合性能，缓解两层之间热、力学参数如热膨胀系逡逑数、热应力等的不匹配，还能提高涂层的抗氧化性能。在高温服役过程中，粘结逡逑层中的Ａ１与来自外界的0２反应

＿Ｌ逦［？｜逡逑图１．２电子束物理气相沉积手段原理示意图逡逑电子束辅助物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）法的主要过程是：利用真空泵组将设备逡逑沉积室内压力抽至１0－３邋Ｐａ以下，达到沉积所需的高真空状态。在电子枪灯丝两逡逑端加以高电压，从通电灯丝发射出的电子经聚焦线圈和偏转磁场的作用后会形成逡逑可控电子，照射到块状靶材上。在电子束能量的加热下靶材上表面形成溶池，靶逡逑材材料随后汽化成为蒸汽状态，汽化后的靶材材料以原子或分子的状态在真空环逡逑境下向上沉积到被加热的基底上。其制备原理如图１．２所示。逡逑喷涂材料逡逑｜逦热喷涂涂层邋ｆ媜逡逑理逡逑喷枪逦喷涂流逦￥逡逑气体或其他工逦ｆ逡逑艺介质逦＋逡逑逦？逡逑图１．３等离子喷涂原理示意图逡逑３逡逑

照射到块状靶材上。在电子束能量的加热下靶材上表面形成溶池，靶逡逑材材料随后汽化成为蒸汽状态，汽化后的靶材材料以原子或分子的状态在真空环逡逑境下向上沉积到被加热的基底上。其制备原理如图１．２所示。逡逑喷涂材料逡逑｜逦热喷涂涂层邋ｆ媜逡逑理逡逑喷枪逦喷涂流逦￥逡逑气体或其他工逦ｆ逡逑艺介质逦＋逡逑逦？逡逑图１．３等离子喷涂原理示意图逡逑３逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前9条

1 刘前;王优强;苏新勇;黄兴保;董宁;刘基凯;;Al_2O_3-40%TiO_2陶瓷涂层残余应力的有限元分析[J];热喷涂技术;2015年02期

2 凌锡祥;王玉璋;王星;李佳莉;;层状热障涂层孔隙微结构对其隔热性能影响的数值研究[J];中国有色金属学报;2015年02期

3 郑金华;高鸿波;张士晶;石剑;王婵;;基于小波分析的热障涂层厚度超声检测[J];失效分析与预防;2014年03期

4 郑蕾;郭洪波;郭磊;彭徽;宫声凯;徐惠彬;;新一代超高温热障涂层研究[J];航空材料学报;2012年06期

5 杨丽;周益春;齐莎莎;;热障涂层的冲蚀破坏机理研究进展[J];力学进展;2012年06期

6 周益春;刘奇星;杨丽;吴多锦;毛卫国;;热障涂层的破坏机理与寿命预测[J];固体力学学报;2010年05期

7 王增勇;汤光平;李建文;孙朝明;;工业CT技术进展及应用[J];无损检测;2010年07期

8 周俊华;徐可北;葛子亮;;热障涂层厚度涡流检测技术研究[J];航空材料学报;2006年03期

9 吴时红,陈颖,何双起;超声显微检测系统在涂层检测中的应用研究[J];宇航材料工艺;2005年04期

本文编号：2824480