熱障涂層結構性能及健康狀況微波無損檢測方法研究結題摘要

熱障涂層，由于其隔熱性好，抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點，已經被廣泛應用到發(fā)動機的渦輪葉片等熱端部件上。熱障涂層在制備過程中，制備工藝復雜，其工藝參數變化會直接影響熱障涂層的厚度和孔隙率等結構性能，而其結構性能又直接影響其熱障效果。因此，研究熱障涂層的結構性能檢測及健康監(jiān)測具有重要的學術意義和工程實用價值。 本項目針對熱障涂層結構特點，采用微波無損檢測技術對涂層進行了結構性能檢測研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系數法檢測熱障涂層的理論模型。通過對理論模型的計算可知，利用微波信號的反射系數可以表征熱障涂層中各介質層的厚度、與介電常數有關的物理特性、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)則波導探頭的參數敏感性分析。根據微波在波導中的傳輸條件，確定了波導中單模傳播時波導尺寸與工作頻率間的對應關系，以簡化微波檢測過程中模態(tài)分析的過程。根據微波在不同形狀波導中的傳播特點，以及檢測空間分辨率的要求，分析了如何根據工作頻率選擇合適的波導探頭；并分析了波導探頭法蘭對檢測結果的影響。 (3) 微波檢測熱障涂層時檢測參數的優(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進行了優(yōu)化設計。在接觸式檢測中，主要對檢測的工作頻率進行了優(yōu)化設計，根據優(yōu)化的工作頻率選擇合適的波導探頭進行無損檢測以達到較高的檢測靈敏度；在非接觸式檢測中，主要對提離距離進行了優(yōu)化設計，為掃描檢測時提離距離的選擇奠定了理論基礎。 (4) 微波檢測熱障涂層的試驗研究。根據檢測參數優(yōu)化結果，利用網絡分析儀E8363C對熱障涂層的厚度和孔隙率進行了微波無損檢測試驗研究。研究結果表明：利用微波信號的反射系數相位差,在檢測工作頻率范圍內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。并對微波檢測結果進行了標定。 (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)中常見的缺陷進行了無損檢測研究，檢測中利用信號的反射系數相位差來表征被檢測參數的變化。在毫米波段可以實現對熱障涂層中裂縫、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，已被應用在發(fā)動機轉子葉片等熱端部件上。由于其制造工藝復雜，影響涂層質量的因素較多，不同的工藝參數會導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，進而擴展導致分層剝落，并最終失效。因此，研究熱障涂層的結構性能檢測及健康監(jiān)測具有重要的學術意義和工程實用價值。本項目提出一種高頻、寬帶、高分辨率，適合熱障涂層多參數綜合檢測的微波/亞毫米波無損檢測方法。重點研究熱障涂層的結構性能及健康狀況的微波參數表征，包括：微波在熱障涂層結構中的傳播特性分析及熱障涂層結構性能參數微波檢測的模型建立與表征；微波檢測參數及方法的優(yōu)化設計，包括優(yōu)化設計波導、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結構奠定必要的基礎。

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。針對在腐蝕介質中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設計思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導熱性，實現對基體合金材料的保護。熱障涂層主要由陶瓷表層和結合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達到提高抗腐蝕能力，進一步提高發(fā)動機工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據估計近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，熱障涂層技術的研究發(fā)展成本要低得多，工藝也現實可行。因此，熱障涂層技術成為未來發(fā)動機熱端部件高溫防護涂層技術的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、能源等領域的熱端部件上也有著廣泛的應用與研究。 2100433B

美國NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃氣渦輪葉片、火箭發(fā)動機的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀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行較長時間的探索后, 80年代初取得了重大突破,為熱障涂層的應用奠定了堅實基礎。文獻表明, 先進熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動機熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動機熱端部件上的應用, 人們認識到熱障涂層的應用不僅可以達到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進一步提高發(fā)動機工作溫度的目的,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, 工藝也現實可行。

隨著航空、航天及民用技術的發(fā)展，熱端部件的使用溫度要求越來越高，已達到高溫合金和單晶材料的極限狀況。以燃料輪機的受熱部件如噴嘴、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1100℃，已超過了高溫鎳合金使用的極限溫度（1075℃）。將金屬的高強度、高韌性與陶瓷的耐高溫的優(yōu)點結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、柴油發(fā)電機、噴氣式發(fā)動機等熱端材料上取得一定應用，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)動機功率和減少燃油消耗等優(yōu)點，TBCs的出現為大幅度改進航空發(fā)動機的性能開辟了新途徑。自20世紀70年代以來，美國、英國、法國、日本等發(fā)達工業(yè)化國家都競相發(fā)展TBCs涂層，并大量應用在葉片、燃燒室、隔熱屏、噴嘴、火焰筒、尾噴管等航空發(fā)動機熱端部件上。

熱障涂層在我國航空發(fā)動機渦輪葉片上的應用研究已經開始并得到重視，已在某些渦輪葉片上噴涂出熱障涂層，取得了階段性成果。熱障涂層技術的應用可以大幅提升發(fā)動機和地面燃氣輪機的綜合性能，延長其使用壽命，是高性能發(fā)動機和燃氣輪機研制的關鍵技術之一，隨著我國大飛機、地面燃氣輪機、固體燃料發(fā)動機技術的不斷進步，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)、汽車等領域的熱端部件上擁有廣泛的應用前景。與此同時，熱障涂層制造工藝及設備將得到不斷改進，設計人員對帶熱障涂層的認識將更加全面，熱障涂層工藝人員技術也將更加嫻熟。