热障涂层结构性能及健康状况微波无损检测方法研究

热障涂层，由于其隔热性好，抗氧化，耐腐蚀等优点，已经被广泛应用到发动机的涡轮叶片等热端部件上。热障涂层在制备过程中，制备工艺复杂，其工艺参数变化会直接影响热障涂层的厚度和孔隙率等结构性能，而其结构性能又直接影响其热障效果。因此，研究热障涂层的结构性能检测及健康监测具有重要的学术意义和工程实用价值。 本项目针对热障涂层结构特点，采用微波无损检测技术对涂层进行了结构性能检测研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系数法检测热障涂层的理论模型。通过对理论模型的计算可知，利用微波信号的反射系数可以表征热障涂层中各介质层的厚度、与介电常数有关的物理特性、合金层表面的健康状况以及各层间的脱粘状况等。理论模型的研究表明，在检测中探头的特性、工作频率以及提离距离会影响检测灵敏度。 (2) 规则波导探头的参数敏感性分析。根据微波在波导中的传输条件，确定了波导中单模传播时波导尺寸与工作频率间的对应关系，以简化微波检测过程中模态分析的过程。根据微波在不同形状波导中的传播特点，以及检测空间分辨率的要求，分析了如何根据工作频率选择合适的波导探头；并分析了波导探头法兰对检测结果的影响。 (3) 微波检测热障涂层时检测参数的优化研究。利用CST微波工作室仿真软件对检测过程中工作频率和提离距离等参数进行了优化设计。在接触式检测中，主要对检测的工作频率进行了优化设计，根据优化的工作频率选择合适的波导探头进行无损检测以达到较高的检测灵敏度；在非接触式检测中，主要对提离距离进行了优化设计，为扫描检测时提离距离的选择奠定了理论基础。 (4) 微波检测热障涂层的试验研究。根据检测参数优化结果，利用网络分析仪E8363C对热障涂层的厚度和孔隙率进行了微波无损检测试验研究。研究结果表明：利用微波信号的反射系数相位差,在检测工作频率范围内可以很好地表征热障涂层厚度的变化;在敏感工作频率处，可以表征热障涂层孔隙率的变化。并对微波检测结果进行了标定。 (5) 热障涂层健康状况的毫米波无损检测研究。选用了多种型号的终端开口矩形波导作为探头，在毫米波波段对热障涂层系统中常见的缺陷进行了无损检测研究，检测中利用信号的反射系数相位差来表征被检测参数的变化。在毫米波段可以实现对热障涂层中裂缝、脱粘和TGO层的微波无损检测；利用高频率段的探头进行检测可以明显提高检测灵敏度。 2100433B

热障涂层（TBC），由于其隔热性好，抗氧化，耐腐蚀等优点，已被应用在发动机转子叶片等热端部件上。由于其制造工艺复杂，影响涂层质量的因素较多，不同的工艺参数会导致涂层性能存在较大差异，且在役过程中热生长氧化层（TGO）及萌生的裂纹会随着热循环逐渐劣化，进而扩展导致分层剥落，并最终失效。因此，研究热障涂层的结构性能检测及健康监测具有重要的学术意义和工程实用价值。本项目提出一种高频、宽带、高分辨率，适合热障涂层多参数综合检测的微波/亚毫米波无损检测方法。重点研究热障涂层的结构性能及健康状况的微波参数表征，包括：微波在热障涂层结构中的传播特性分析及热障涂层结构性能参数微波检测的模型建立与表征；微波检测参数及方法的优化设计，包括优化设计波导、提离距离、工作频率及检测方法等；微波逆散射成像方法及毫米波检测的关键问题研究等，为研究TBC的制造工艺、分析其失效原因，检测和评定TBC结构奠定必要的基础。

热障涂层系统要求涂层既有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。针对在腐蚀介质中的特殊要求，还要具有高温耐蚀性能。热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性，实现对基体合金材料的保护。热障涂层主要由陶瓷表层和结合底层所组成。

热障涂层不仅可以达到提高抗腐蚀能力，进一步提高发动机工作温度，而且可以减少燃油消耗(据估计近20%)、延长热端部件的使用寿命；与开发新的高温合金材料比较，热障涂层技术的研究发展成本要低得多，工艺也现实可行。因此，热障涂层技术成为未来发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。另外，热障涂层在轮船、汽车、能源等领域的热端部件上也有着广泛的应用与研究。 2100433B

美国NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在二十世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层的材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后, 80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明, 先进热障涂层能够在工作环境下降低高温发动机热端部件温度170K左右。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用, 人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力, 进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比, 热障涂层的研究成本相对较低, 工艺也现实可行。

随着航空、航天及民用技术的发展，热端部件的使用温度要求越来越高，已达到高温合金和单晶材料的极限状况。以燃料轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室为例，它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中，承受温度高达1100℃，已超过了高温镍合金使用的极限温度（1075℃）。将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温的优点结合起来所制备出的热障涂层能解决上述问题，它能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用，已在汽轮机、柴油发电机、喷气式发动机等热端材料上取得一定应用，并延长了热端部件的使用寿命。

热障涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命、提高发动机功率和减少燃油消耗等优点，TBCs的出现为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径。自20世纪70年代以来，美国、英国、法国、日本等发达工业化国家都竞相发展TBCs涂层，并大量应用在叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒、尾喷管等航空发动机热端部件上。

热障涂层在我国航空发动机涡轮叶片上的应用研究已经开始并得到重视，已在某些涡轮叶片上喷涂出热障涂层，取得了阶段性成果。热障涂层技术的应用可以大幅提升发动机和地面燃气轮机的综合性能，延长其使用寿命，是高性能发动机和燃气轮机研制的关键技术之一，随着我国大飞机、地面燃气轮机、固体燃料发动机技术的不断进步，对热障涂层的需求将会越来越巨大，热障涂层将在航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件上拥有广泛的应用前景。与此同时，热障涂层制造工艺及设备将得到不断改进，设计人员对带热障涂层的认识将更加全面，热障涂层工艺人员技术也将更加娴熟。