熱障涂層結(jié)構(gòu)性能及健康狀況微波無損檢測方法研究結(jié)題摘要

熱障涂層，由于其隔熱性好，抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的渦輪葉片等熱端部件上。熱障涂層在制備過程中，制備工藝復(fù)雜，其工藝參數(shù)變化會直接影響熱障涂層的厚度和孔隙率等結(jié)構(gòu)性能，而其結(jié)構(gòu)性能又直接影響其熱障效果。因此，研究熱障涂層的結(jié)構(gòu)性能檢測及健康監(jiān)測具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。 本項(xiàng)目針對熱障涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用微波無損檢測技術(shù)對涂層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能檢測研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系數(shù)法檢測熱障涂層的理論模型。通過對理論模型的計(jì)算可知，利用微波信號的反射系數(shù)可以表征熱障涂層中各介質(zhì)層的厚度、與介電常數(shù)有關(guān)的物理特性、合金層表面的健康狀況以及各層間的脫粘狀況等。理論模型的研究表明，在檢測中探頭的特性、工作頻率以及提離距離會影響檢測靈敏度。 (2) 規(guī)則波導(dǎo)探頭的參數(shù)敏感性分析。根據(jù)微波在波導(dǎo)中的傳輸條件，確定了波導(dǎo)中單模傳播時(shí)波導(dǎo)尺寸與工作頻率間的對應(yīng)關(guān)系，以簡化微波檢測過程中模態(tài)分析的過程。根據(jù)微波在不同形狀波導(dǎo)中的傳播特點(diǎn)，以及檢測空間分辨率的要求，分析了如何根據(jù)工作頻率選擇合適的波導(dǎo)探頭；并分析了波導(dǎo)探頭法蘭對檢測結(jié)果的影響。 (3) 微波檢測熱障涂層時(shí)檢測參數(shù)的優(yōu)化研究。利用CST微波工作室仿真軟件對檢測過程中工作頻率和提離距離等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在接觸式檢測中，主要對檢測的工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化的工作頻率選擇合適的波導(dǎo)探頭進(jìn)行無損檢測以達(dá)到較高的檢測靈敏度；在非接觸式檢測中，主要對提離距離進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為掃描檢測時(shí)提離距離的選擇奠定了理論基礎(chǔ)。 (4) 微波檢測熱障涂層的試驗(yàn)研究。根據(jù)檢測參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C對熱障涂層的厚度和孔隙率進(jìn)行了微波無損檢測試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：利用微波信號的反射系數(shù)相位差,在檢測工作頻率范圍內(nèi)可以很好地表征熱障涂層厚度的變化;在敏感工作頻率處，可以表征熱障涂層孔隙率的變化。并對微波檢測結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定。 (5) 熱障涂層健康狀況的毫米波無損檢測研究。選用了多種型號的終端開口矩形波導(dǎo)作為探頭，在毫米波波段對熱障涂層系統(tǒng)中常見的缺陷進(jìn)行了無損檢測研究，檢測中利用信號的反射系數(shù)相位差來表征被檢測參數(shù)的變化。在毫米波段可以實(shí)現(xiàn)對熱障涂層中裂縫、脫粘和TGO層的微波無損檢測；利用高頻率段的探頭進(jìn)行檢測可以明顯提高檢測靈敏度。 2100433B

熱障涂層（TBC），由于其隔熱性好，抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等熱端部件上。由于其制造工藝復(fù)雜，影響涂層質(zhì)量的因素較多，不同的工藝參數(shù)會導(dǎo)致涂層性能存在較大差異，且在役過程中熱生長氧化層（TGO）及萌生的裂紋會隨著熱循環(huán)逐漸劣化，進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致分層剝落，并最終失效。因此，研究熱障涂層的結(jié)構(gòu)性能檢測及健康監(jiān)測具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目提出一種高頻、寬帶、高分辨率，適合熱障涂層多參數(shù)綜合檢測的微波/亞毫米波無損檢測方法。重點(diǎn)研究熱障涂層的結(jié)構(gòu)性能及健康狀況的微波參數(shù)表征，包括：微波在熱障涂層結(jié)構(gòu)中的傳播特性分析及熱障涂層結(jié)構(gòu)性能參數(shù)微波檢測的模型建立與表征；微波檢測參數(shù)及方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)波導(dǎo)、提離距離、工作頻率及檢測方法等；微波逆散射成像方法及毫米波檢測的關(guān)鍵問題研究等，為研究TBC的制造工藝、分析其失效原因，檢測和評定TBC結(jié)構(gòu)奠定必要的基礎(chǔ)。

熱障涂層系統(tǒng)要求涂層既有良好的隔熱效果，又有抗高溫氧化及熱沖擊性能。針對在腐蝕介質(zhì)中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設(shè)計(jì)思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)對基體合金材料的保護(hù)。熱障涂層主要由陶瓷表層和結(jié)合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達(dá)到提高抗腐蝕能力，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據(jù)估計(jì)近20%)、延長熱端部件的使用壽命；與開發(fā)新的高溫合金材料比較，熱障涂層技術(shù)的研究發(fā)展成本要低得多，工藝也現(xiàn)實(shí)可行。因此，熱障涂層技術(shù)成為未來發(fā)動機(jī)熱端部件高溫防護(hù)涂層技術(shù)的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有著廣泛的應(yīng)用與研究。 2100433B

美國NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃?xì)鉁u輪葉片、火箭發(fā)動機(jī)的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀(jì)50年代就提出了熱障涂層概念。在涂層的材料選擇和制備工藝上進(jìn)行較長時(shí)間的探索后, 80年代初取得了重大突破,為熱障涂層的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)表明, 先進(jìn)熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動機(jī)熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動機(jī)熱端部件上的應(yīng)用, 人們認(rèn)識到熱障涂層的應(yīng)用不僅可以達(dá)到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度的目的,而且可以減少燃油消耗、提高效率、延長熱端部件的使用壽命。與開發(fā)新型高溫合金材料相比, 熱障涂層的研究成本相對較低, 工藝也現(xiàn)實(shí)可行。

隨著航空、航天及民用技術(shù)的發(fā)展，熱端部件的使用溫度要求越來越高，已達(dá)到高溫合金和單晶材料的極限狀況。以燃料輪機(jī)的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室為例，它們處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中，承受溫度高達(dá)1100℃，已超過了高溫鎳合金使用的極限溫度（1075℃）。將金屬的高強(qiáng)度、高韌性與陶瓷的耐高溫的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來所制備出的熱障涂層能解決上述問題，它能起到隔熱、抗氧化、防腐蝕的作用，已在汽輪機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、噴氣式發(fā)動機(jī)等熱端材料上取得一定應(yīng)用，并延長了熱端部件的使用壽命。

熱障涂層可以明顯降低基材溫度、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有防止高溫腐蝕、延長熱端部件使用壽命、提高發(fā)動機(jī)功率和減少燃油消耗等優(yōu)點(diǎn)，TBCs的出現(xiàn)為大幅度改進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的性能開辟了新途徑。自20世紀(jì)70年代以來，美國、英國、法國、日本等發(fā)達(dá)工業(yè)化國家都競相發(fā)展TBCs涂層，并大量應(yīng)用在葉片、燃燒室、隔熱屏、噴嘴、火焰筒、尾噴管等航空發(fā)動機(jī)熱端部件上。

熱障涂層在我國航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用研究已經(jīng)開始并得到重視，已在某些渦輪葉片上噴涂出熱障涂層，取得了階段性成果。熱障涂層技術(shù)的應(yīng)用可以大幅提升發(fā)動機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的綜合性能，延長其使用壽命，是高性能發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著我國大飛機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、固體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對熱障涂層的需求將會越來越巨大，熱障涂層將在航天、艦船、核工業(yè)、汽車等領(lǐng)域的熱端部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，熱障涂層制造工藝及設(shè)備將得到不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員對帶熱障涂層的認(rèn)識將更加全面，熱障涂層工藝人員技術(shù)也將更加?jì)故臁?/p>