热障涂层氧化、损伤与断裂的无损评价研究

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1、摘要摘要由于热障涂层(ThermalBarrierCoatings，简称TBCs)系统的结构复杂、使用环境恶劣，使得热障涂层的失效机理非常复杂，从而造成寿命预测成为热障涂层研究工作的难点问题。热障涂层失效的无损评价将为寿命预测提供最直接的参考和依据，基于此，本文针对热障涂层的高温氧化、损伤与断裂的无损评价展开了研究，主要研究内容如下：第一，用复阻抗谱方法评价了热障涂层的高温氧化性能。通过高温氧化实验分析了等离子喷涂和物理气相沉积法制备的热障涂层的高温氧化机制和氧化生长规律；建立了这两种热障涂层在不同氧化

2、阶段的等效电路；分别用解析法、软件模拟法确立了这两种热障涂层等效电路中各元件参数与阻抗谱之间的关系，并对两种热障涂层的氧化进行了复阻抗谱测量与评价。第二，探索了声发射信号的小波分析方法，实现对热障涂层损伤源的定性和定位分析。通过对热障涂层信号的特征分析，选择了合适的小波基，分解尺度以及特征提取方法，对热障涂层声发射信号进行了小波分析，并与相关性分析和时差定位相结合，实现了热障涂层声发射信号的去噪、模式识别与定位分析，为后面热障涂层损伤与断裂的声发射评价打下基础。第三，用声发射方法对热障涂层的拉伸失效进行

3、了定量、定性与定位分析，并评价了高温氧化对热障涂层拉伸失效机制的影响。本文利用声发射无损检测和拉伸实验相结合的方法，研究了氧化前后的等离子喷涂热障涂层以及裸基底材料的拉伸失效过程。通过对声发射信号的分析得出：热障涂层在拉伸应力作用下经历了表面垂直裂纹、界面裂纹以及涂层剥落的失效过程；涂层损伤如垂直裂纹、界面裂纹均与拉伸应力呈幂函数关系；声发射信号在空间和时间上的统计分布对损伤或断裂源能够进行准确的预测；高温氧化不仅仅降低了热障涂层抵抗变形的能力，而且改变了热障涂层的损伤机制。第四，设计了热障涂层高温热疲

4、劳的声发射测量装置，实现了热障涂层整个热疲劳失效过程的声发射检测。通过对声发射信号的特征参数以及小波分析得出：热障涂层在热疲劳失效时会出现三种失效模式，即陶瓷层中的垂直裂纹、水平裂纹以及陶瓷层与中间过渡层的界面裂纹；涂层中的损伤不仅可以在冷却阶段因为涂层体系中的压应力形成和扩展，也可以在加热阶段中因为陶瓷层中的拉应力而形成和扩展；波导杆I湘潭大学博士学位论文的使用不影响损伤源的模式识别，但是却给损伤源的定位分析带来新的困难。第五，开发了声发射信号采集与处理的平台。由于实验室条件的限制以及国内外声发射技术

5、特别是信号采集与处理方面存在的巨大差异，基于作者多年来从事声发射检测与信号分析的基础上，开发了一个用于北京声华SWAE－5型声发射仪的声发射信号采集以及普便适用的信号处理软件平台。本文的研究工作是基于这个平台进行的，该平台在声发射信号的采集上以完善信号的存储为主；在信号的处理上发展了声发射信号的参数分析、波形分析、相关性分析以及定位分析模块。平台将为声发射的检测与应用提供方便。总之，本论文较为系统的开展了热障涂层氧化、损伤与断裂的无损评价方法，为热障涂层研究和应用提供重要的实验方法和参考依据，也拓展了无

6、损检测方法的应用。关键词：热障涂层；高温氧化；复阻抗谱；声发射；小波变换；声发射信号采集与处理平台IIABSTRACTABSTRACTDuetothecomplexstructureandthedeteriorativeoperationcircumstance,thefailuremechanismofthermalbarriercoatings(TBCs)isverycomplicated,whichleadstothelifepredictionbeadifficultsubjectofthere

7、searchonTBCs.Non-destructiveevaluation(NDE)ofthefailureisthedirectreferenceandevidenceforthelifepredictionofTBCs.Inthispaper,NDEofthehightemperatureoxidation,thedamageandthefractureofTBCshasbeenstudied.Themaincontentsinthispaperarelistedasfollows,Firstly

8、,thehightemperatureoxidationperformancehasbeenstudiedusingimpedancespectroscopymethod.TheoxidationmechanismandoxidationgrowthlawofTBCspreparedbyairsprayeddeposition(APS)andelectronbeamphysicalvapordeposition(EB-PVD)havebee