基于高频涡流的热障涂层厚度检测方法研究
发布时间：2021-11-19 07:36
涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,主要是将热能转化为动能,涡轮叶片工作在高温、高压、高应力、高速等极其恶劣的环境下,涡轮叶片是否可靠对安全生产、飞行至关重要。为了提高其安全性能及使用寿命,在叶片表面覆盖热障涂层,热障涂层由陶瓷层、粘接层和镍基高温合金基体组成。伴随着服役时间的增长,粘接层厚度和陶瓷层厚度都会减薄,并在高温下氧化产生氧化物,导致隔热性变差,更严重会导致陶瓷层的脱落,导致热障涂层失效。因此,热障涂层厚度的检测对监测航空发动机的健康状况及其寿命的预测具有十分重要的作用。由于热障涂层中粘接层电导率低,常规涡流的分辨率不足以测量其厚度,本文提出了一种基于高频涡流来检测热障涂层厚度的新方法。主要成果如下:首先,建立了平面螺旋线圈高频涡流的解析模型,根据Maxwell方程组引入矢量磁位,得到了空气中单匝线圈的磁场解析模型;接着,应用叠加定理得到了平面螺旋线圈在空气中的磁场解析模型;然后利用电磁场的反射理论,得到了在任意层导电试件上的平面螺旋线圈涡流场的积分解析模型;随后,基于法拉第电磁感应定律及欧姆定律,建立了平面螺旋线圈高频涡流场阻抗变化量的积分解析模型,进行了实验和有限元仿真验证...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
远场涡流检测的基本原理
晰度会受到缺陷所在的深度影响，深度越深，受趋肤效应的影响，成像结果越不明显[60-63]。1.5热障涂层厚度涡流检测的研究现状（CurrentSituationofThermalBarrierCoatingThicknessDetectionusingeddycurrenttesting）我国作为航天大国，航空发动机是最重要的部件，航空发动机目前工作在高温、高压等极其恶劣的环境下，为了提高其使用寿命，目前都将热障涂层(ThermalBarrierCoatings,TBCs)作为航空发动机的隔热材料[64-66]。热障涂层通常由陶瓷层和金属粘接层组成，通常热障涂层会覆盖在镍基高温合金基体表面[67]，如图1-7所示。陶瓷层具有隔热的作用，而粘接层的作用是提高陶瓷层与基体的相容性，因此热障涂层能够保证航空部件在高温下正常的工作[68]。图1-7热障涂层的结构Figure1-7Structureofthermalbarriercoating由于长时间在恶劣的环境下工作，陶瓷层会产生氧离子，而粘接层则会产生金属离子，氧离子和金属离子会在陶瓷层和粘接层之间聚合生成氧化物，在高温下的氧化会导致陶瓷层和粘接层厚度的减薄，降低隔热的效果，因此对热障涂层厚度的无损检测是当前我国在航天事业上急需解决的问题[69-71]。涡流检测具有操作简单、设备便携、高灵敏度、不损伤检测试件、使用成本低等优点，可以用来作为热障涂层厚度测量的理想方法。周俊华和徐可北[72]通过涡流检测，得到了组成热障涂层的每种材料的电磁特性，分析了在对热障涂层厚度测量时，会对其测量产生影响的因素。通过研究发现，基体以及粘接层为非铁磁性导电材料，而陶瓷层为非导电涂层，而且粘接层的存在会极大影响陶瓷层厚度的测量。尹武良[73-75]通过研究发现，电感虚部的峰值所对应的频率会随着电导率的减
硕士学位论文20选择涡流场求解器。在涡流检测中，可以根据试件厚度、电导率等的差异得到对应的阻抗值，通过阻抗值来获得待测试件的厚度、电导率等信息。步骤二：建立模型。由于平面螺旋线圈在有限元仿真建模中不属于轴对称模型，因此要采用三维模型，三维模型相比于二维模型来说，计算时间慢、准确度低，容易受到网格划分的影响。平面螺旋线圈有限元仿真模型如图2-5所示。图2-5三维平面螺旋线圈检测模型Figure2-53Dplanarspiralcoildetectionmodel步骤三：设置探头参数和待测试件参数。图2-5中，圆柱形为设置的空气域，也称为求解区域，求解区域圆柱体的半径通常略大于待测试件半径。下面的矩形主要是热障涂层试件的模型，通常设置为矩形，热障涂层试件的参数如表2-2。板材上面是平面螺旋线圈的检测探头，探头的参数如表2-1所示。步骤四：添加激励和边界条件。在涡流场的有限元仿真中需要给出激励电流的幅值和相角，在二维模型中，添加激励时只需要垂直于二维平面，然而在三维模型中，需要在绕组的内部要做出电流面，电流通过电流面流入，平面螺旋线圈是沿着Z轴分布的，因此在XY面内切割的横截面即为电流面。边界条件即为图2-5所示的圆柱形区域，边界设置为绝缘材料，设置边界条件使模型不至于过大，减少了仿真的时间，提高了仿真的精度。步骤五：网格剖分。由于有限元仿真结果受到网格剖分的影响，所以在线圈和待测试件中需要精细的网格以提高精度，但同时也增加了有限元仿真的时间。因此为了平衡两者，线圈的最大单元长度为0.5mm，待测试件的最大单元长度为5mm。步骤六：求解后处理。在本文中，主要通过线圈的阻抗变化量来获得热障涂层的厚度信息，因此在仿真中计算得到的线圈阻抗。2.3.2实验平台的搭建实验平台主要是由五部分组成?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analytical model of tilted driver–pickup coils for eddy current nondestructive evaluation[J]. 曹丙花,李超,范孟豹,叶波,田贵云. Chinese Physics B. 2018(03)
[2]平面电容传感器热障涂层缺陷检测系统[J]. 代守强,陈棣湘,田武刚,潘孟春,任远,周卫红. 中国测试. 2017(01)
[3]航空发动机叶片热障涂层厚度的无损定量评估[J]. 李达,李勇,闫贝,刘相彪,王东升,牟仁德. 空军工程大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]热障涂层闪光灯激励红外热像检测[J]. 刘颖韬,牟仁德,郭广平,杨党纲,唐佳. 航空材料学报. 2015(06)
[5]热障涂层失效的无损检测与评价研究进展[J]. 赵扬,马志远,陈建伟,林莉,马健,赵鹏. 河北科技大学学报. 2013(06)
[6]基于频谱分析的脉冲涡流缺陷检测研究[J]. 周德强,田贵云,尤丽华,王海涛,王平. 仪器仪表学报. 2011(09)
[7]多层导电结构电涡流检测探头阻抗解析模型及数值计算[J]. 范孟豹,黄平捷,叶波,侯迪波,张光新,周泽魁. 机械工程学报. 2009(06)
[8]涡流探头提离效应的理论分析与实验研究[J]. 张玉华,孙慧贤,罗飞路. 电机与控制学报. 2009(02)
[9]基于粗糙集的管道缺陷远场涡流检测系统[J]. 毛秉毅. 仪器仪表学报. 2006(10)
[10]新型接近式柔性电涡流阵列传感器系统[J]. 陈祥林,丁天怀,黄毅平. 机械工程学报. 2006(08)
博士论文
[1]多层导电结构电涡流检测的解析建模研究[D]. 范孟豹.浙江大学 2009
[2]热障涂层隔热性能研究[D]. 牟仁德.北京航空材料研究院 2007
硕士论文
[1]热障涂层厚度涡流检测方法研究[D]. 王亚清.中国矿业大学 2019
[2]电涡流检测互感式探头信号的理论建模研究[D]. 李超.中国矿业大学 2018
[3]多涂层厚度涡流无损检测技术及其实现方法研究[D]. 来超.电子科技大学 2015
本文编号：3504581
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
远场涡流检测的基本原理
晰度会受到缺陷所在的深度影响，深度越深，受趋肤效应的影响，成像结果越不明显[60-63]。1.5热障涂层厚度涡流检测的研究现状（CurrentSituationofThermalBarrierCoatingThicknessDetectionusingeddycurrenttesting）我国作为航天大国，航空发动机是最重要的部件，航空发动机目前工作在高温、高压等极其恶劣的环境下，为了提高其使用寿命，目前都将热障涂层(ThermalBarrierCoatings,TBCs)作为航空发动机的隔热材料[64-66]。热障涂层通常由陶瓷层和金属粘接层组成，通常热障涂层会覆盖在镍基高温合金基体表面[67]，如图1-7所示。陶瓷层具有隔热的作用，而粘接层的作用是提高陶瓷层与基体的相容性，因此热障涂层能够保证航空部件在高温下正常的工作[68]。图1-7热障涂层的结构Figure1-7Structureofthermalbarriercoating由于长时间在恶劣的环境下工作，陶瓷层会产生氧离子，而粘接层则会产生金属离子，氧离子和金属离子会在陶瓷层和粘接层之间聚合生成氧化物，在高温下的氧化会导致陶瓷层和粘接层厚度的减薄，降低隔热的效果，因此对热障涂层厚度的无损检测是当前我国在航天事业上急需解决的问题[69-71]。涡流检测具有操作简单、设备便携、高灵敏度、不损伤检测试件、使用成本低等优点，可以用来作为热障涂层厚度测量的理想方法。周俊华和徐可北[72]通过涡流检测，得到了组成热障涂层的每种材料的电磁特性，分析了在对热障涂层厚度测量时，会对其测量产生影响的因素。通过研究发现，基体以及粘接层为非铁磁性导电材料，而陶瓷层为非导电涂层，而且粘接层的存在会极大影响陶瓷层厚度的测量。尹武良[73-75]通过研究发现，电感虚部的峰值所对应的频率会随着电导率的减
硕士学位论文20选择涡流场求解器。在涡流检测中，可以根据试件厚度、电导率等的差异得到对应的阻抗值，通过阻抗值来获得待测试件的厚度、电导率等信息。步骤二：建立模型。由于平面螺旋线圈在有限元仿真建模中不属于轴对称模型，因此要采用三维模型，三维模型相比于二维模型来说，计算时间慢、准确度低，容易受到网格划分的影响。平面螺旋线圈有限元仿真模型如图2-5所示。图2-5三维平面螺旋线圈检测模型Figure2-53Dplanarspiralcoildetectionmodel步骤三：设置探头参数和待测试件参数。图2-5中，圆柱形为设置的空气域，也称为求解区域，求解区域圆柱体的半径通常略大于待测试件半径。下面的矩形主要是热障涂层试件的模型，通常设置为矩形，热障涂层试件的参数如表2-2。板材上面是平面螺旋线圈的检测探头，探头的参数如表2-1所示。步骤四：添加激励和边界条件。在涡流场的有限元仿真中需要给出激励电流的幅值和相角，在二维模型中，添加激励时只需要垂直于二维平面，然而在三维模型中，需要在绕组的内部要做出电流面，电流通过电流面流入，平面螺旋线圈是沿着Z轴分布的，因此在XY面内切割的横截面即为电流面。边界条件即为图2-5所示的圆柱形区域，边界设置为绝缘材料，设置边界条件使模型不至于过大，减少了仿真的时间，提高了仿真的精度。步骤五：网格剖分。由于有限元仿真结果受到网格剖分的影响，所以在线圈和待测试件中需要精细的网格以提高精度，但同时也增加了有限元仿真的时间。因此为了平衡两者，线圈的最大单元长度为0.5mm，待测试件的最大单元长度为5mm。步骤六：求解后处理。在本文中，主要通过线圈的阻抗变化量来获得热障涂层的厚度信息，因此在仿真中计算得到的线圈阻抗。2.3.2实验平台的搭建实验平台主要是由五部分组成?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analytical model of tilted driver–pickup coils for eddy current nondestructive evaluation[J]. 曹丙花,李超,范孟豹,叶波,田贵云. Chinese Physics B. 2018(03)
[2]平面电容传感器热障涂层缺陷检测系统[J]. 代守强,陈棣湘,田武刚,潘孟春,任远,周卫红. 中国测试. 2017(01)
[3]航空发动机叶片热障涂层厚度的无损定量评估[J]. 李达,李勇,闫贝,刘相彪,王东升,牟仁德. 空军工程大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]热障涂层闪光灯激励红外热像检测[J]. 刘颖韬,牟仁德,郭广平,杨党纲,唐佳. 航空材料学报. 2015(06)
[5]热障涂层失效的无损检测与评价研究进展[J]. 赵扬,马志远,陈建伟,林莉,马健,赵鹏. 河北科技大学学报. 2013(06)
[6]基于频谱分析的脉冲涡流缺陷检测研究[J]. 周德强,田贵云,尤丽华,王海涛,王平. 仪器仪表学报. 2011(09)
[7]多层导电结构电涡流检测探头阻抗解析模型及数值计算[J]. 范孟豹,黄平捷,叶波,侯迪波,张光新,周泽魁. 机械工程学报. 2009(06)
[8]涡流探头提离效应的理论分析与实验研究[J]. 张玉华,孙慧贤,罗飞路. 电机与控制学报. 2009(02)
[9]基于粗糙集的管道缺陷远场涡流检测系统[J]. 毛秉毅. 仪器仪表学报. 2006(10)
[10]新型接近式柔性电涡流阵列传感器系统[J]. 陈祥林,丁天怀,黄毅平. 机械工程学报. 2006(08)
博士论文
[1]多层导电结构电涡流检测的解析建模研究[D]. 范孟豹.浙江大学 2009
[2]热障涂层隔热性能研究[D]. 牟仁德.北京航空材料研究院 2007
硕士论文
[1]热障涂层厚度涡流检测方法研究[D]. 王亚清.中国矿业大学 2019
[2]电涡流检测互感式探头信号的理论建模研究[D]. 李超.中国矿业大学 2018
[3]多涂层厚度涡流无损检测技术及其实现方法研究[D]. 来超.电子科技大学 2015
本文编号：3504581
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