热障涂层高温CMAS腐蚀失效的声发射检测与模式识别

发布时间：2017-09-28 17:03

  本文关键词：热障涂层高温CMAS腐蚀失效的声发射检测与模式识别

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【摘要】：热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)是一种应用在发动机高温金属部件表面的耐高温、隔热陶瓷材料,能增加燃气进口温度从而有效地提高发动机的性能和热效率。但复杂、多样的微观结构和苛刻的服役环境,使预测热障涂层的剥落失效具有极大的挑战性。飞机在飞行过程中,发动机无法避免从外部吸入Ca、Mg、Al、Si的混合氧化物颗粒(简称CMAS)并粘附在叶片表面涂层上,在高温下融化、渗透到陶瓷层中,使涂层结构、性能、成分发生变化而导致涂层剥落失效。但这一失效过程的失效形式及其演化规律并不清楚,因此急需一种无损检测方法,为理解CMAS腐蚀失效机理提供可靠的参考依据。本文结合声发射技术对高温CMAS腐蚀热障涂层的失效过程进行实时监测。采用聚类分析、频谱分析和小波分析等信号处理方法识别热障涂层的失效模式,并对失效过程进行具体分析。主要研究内容如下:第一,模拟真实的火山灰成分,配制出实验室专用的CMAS粉末,检测出研磨后的CMAS粉末平均粒径为15.601μm。通过自主研制的高温梯度实验炉,实现了带有温度梯度的热障涂层高温CMAS腐蚀实验,同时基于波导杆技术实现了热障涂层高温CMAS腐蚀失效过程的声发射检测。第二,先基于幅值和AE事件数分析热障涂层高温CMAS腐蚀的AE信号特征。通过与未涂覆CMAS的涂层和纯金属基底的信号对比,发现CAMS导致涂层的损伤最严重。再采用k-means聚类分析得到频率是识别热障涂层高温CMAS腐蚀失效模式的最佳特征参量。通过频谱分析发现基底变形信号的频率在0.09~0.13 MHz,表面垂直裂纹的频率在0.20~0.25 MHz,剪切型界面裂纹的频率在0.25~0.32 MHz,张开型界面裂纹的频率在0.38~0.45 MHz。最后,观察涂层的微观形貌,验证涂层中相应的失效模式,并发现剪切型界面裂纹信号的频率段包括陶瓷层/粘结层处的界面裂纹和陶瓷层中的水平裂纹,涂层的剥落失效主要由这两种裂纹引起。第三,基于小波包识别热障涂层高温CMAS腐蚀的失效模式。先根据不同类型信号的频率分布,选取小波基和分解尺度。然后分别对四类信号进行小波包时频分析得到其时频分布特点。之后,再提取特征小波包能谱系数识别热障涂层的四类失效模式,即表面垂直裂纹,剪切型界面裂纹,张开型界面裂纹,基底变形。最后,分析发现热障涂层CMAS腐蚀失效主要在降温时,而且在这个失效过程中涂层先产生的是界面裂纹和水平裂纹,温度降到400°C左右时开始出现表面垂直裂纹。
【关键词】：热障涂层 CMAS腐蚀 声发射技术 失效模式
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 热障涂层及研究现状9-12
• 1.2.1 热障涂层概念与结构9-10
• 1.2.2 热障涂层的制备工艺10-11
• 1.2.3 热障涂层的失效机理11-12
• 1.3 热障涂层的CMAS腐蚀失效12-14
• 1.3.1 CMAS腐蚀失效的危害12-13
• 1.3.2 CMAS腐蚀失效机制13-14
• 1.3.3 CMAS腐蚀失效的研究方法14
• 1.4 热障涂层失效的检测及其发展14-17
• 1.4.1 热障涂层失效的检测14-15
• 1.4.2 声发射检测原理15-16
• 1.4.3 基于声发射检测识别热障涂层失效模式的研究现状16-17
• 1.5 选题依据及其主要内容17-19
• 第2章 热障涂层高温CMAS腐蚀的声发射信号检测19-25
• 2.1 CMAS的实验室制备方法和热障涂层样品19-21
• 2.2 高温波导杆的选取21-22
• 2.3 热障涂层CMAS腐蚀实验方案22-23
• 2.4 金相试样制备23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 热障涂层高温CAMS腐蚀声发射信号的特征参量提取25-40
• 3.1 声发射信号特征分析25-27
• 3.2 热障涂层高温CMAS腐蚀的声发射信号特征27-30
• 3.3 基于聚类分析的声发射信号特征参量选取30-34
• 3.3.1 声发射信号聚类分析过程30-31
• 3.3.2 基于k-means算法的AE信号聚类分析31-32
• 3.3.3 热障涂层高温CMAS腐蚀声发射信号的聚类分析32-34
• 3.4 基于频谱法分析热障涂层高温CMAS腐蚀的失效模式34-38
• 3.5 热障涂层微观形貌分析38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 基于小波包变换的热障涂层高温CMAS腐蚀失效模式识别40-56
• 4.1 小波分析40-43
• 4.1.1 小波变换基本原理40-41
• 4.1.2 多分辨分析41-43
• 4.2 小波包分析43-44
• 4.2.1 小波包变换的基本原理43-44
• 4.2.2 小波包能谱系数44
• 4.3 热障涂层高温CMAS腐蚀声发射信号的小波包分析44-54
• 4.3.1 小波基的选择44-45
• 4.3.2 利用小波包变换对声发射信号进行时频分析45-48
• 4.3.3 基于小波包特征能谱系数分析热障涂层失效模式48-49
• 4.3.4 热障涂层高温CMAS腐蚀失效过程的声发射评价49-51
• 4.3.5 热障涂层CMAS腐蚀的热力学分析和分层机制图51-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第5章 总结与展望56-58
• 5.1 工作总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-64
• 致谢64-65
• 附录A：文中主要程序65-70
• 附录B：个人简历与攻读硕士学位期间发表的学术论文70

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本文编号：937001