热障涂层无损检测技术进展

热障涂层(TBC)是航空航天发动机涡轮叶片的主要防护材料,对其进行表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷的无损检测具有重大意义.对热障涂层的传统检测方法(如渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测等),以及新型红外热成像方法在内的无损检测方法进行了介绍和归纳,重点介绍了光激励、涡流激励和超声激励3种主动式红外热成像无损检测技术.其中,对激光扫描热成像法进行了详细介绍,该方法具有非接触、操作简单、灵敏度高、全场范围内检测快速的优点,能够实现宽度为10μm以上的裂纹和直径为1mm以上脱粘缺陷的无损检测;透射式涡流热成像具有识别小于1mm脱粘缺陷的能力.     

热障涂层电磁/电容复合检测技术研究

热障涂层能显著提升发动机叶片的耐高温能力,但由于其工作环境恶劣,容易发生裂纹、烧结、界面开裂、涂层脱落等失效现象。针对单一检测手段获取的信息量有限、难以实现热障涂层全面准确评估的现状,根据电磁法适合检测导电材料、电容法适合检测非导电材料的特点,提出了热障涂层电磁/电容复合检测技术,研究了所涉及的检测机理、复合式传感器设计以及涂层参数检测等关键问题。仿真和试验结果表明:传感器电磁检测单元和电容检测单元对涂层厚度的最大检测灵敏度分别达到0.1Ω/mm和15pF/mm,为涂层厚度及介电常数、电导率等参数的定量检测奠定了基础,为热障涂层全面准确的评估提供了有效的解决方案。     

热障涂层闪光灯激励红外热像检测

为了跟踪和记录热障涂层缺陷产生、发展直至脱落的过程,对热障涂层试片组进行热循环实验,在实验前和不同实验阶段分别对各个试片进行闪光灯激励红外热像检测;对发现的可疑区进行了解剖分析,识别出微裂纹;利用含有自然缺陷和人工缺陷的试片对红外热像检测的检测能力进行了评价。结果表明:闪光灯激励红外热像检测技术能够检测出直径小于0.5mm的脱粘缺陷,还能够识别出微裂纹态,这种状态用肉眼从涂层表面无法识别;闪光灯激励红外热像检测技术不仅可用于热障涂层的缺陷检测,还有希望用于热障涂层的寿命评估。     

基于近场动力学理论的热障涂层热冲击开裂行为

为研究热障涂层热冲击后损伤行为,设计并完成了陶瓷基热障涂层(TBC)的热冲击试验,研究了热障涂层损伤规律,分析了热冲击温度对损伤的影响。基于近场动力学(PD)理论,推导了热障涂层的热力耦合计算列式,编程计算了热障涂层的温度响应和裂纹扩展过程,分析了冲击温度对热障涂层损伤的影响。结果表明：纵向裂纹从陶瓷层表面萌生,沿厚度方向扩展到陶瓷层/粘结层界面附近,部分裂纹出现分叉和转向的现象,形成了与界面平行的横向裂纹;随热冲击温度提高,涂层中纵向裂纹萌生时间提前且数量增加,纵向裂纹数量在0.50 s时达到峰值。近场动力学方法可较好地捕捉热障涂层内部纵向裂纹和横向裂纹的萌生与扩展现象,且裂纹位置、裂纹形式及不同参数对涂层损伤的影响规律与试验符合较好。     

热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计

热障涂层是航空发动机涡轮叶片关键核心技术之一,但在服役条件下常受环境沉积物、熔盐等的腐蚀而过早失效。激光表面改性是一种提高涂层抗腐蚀性能的有效办法,但改性涂层的激光工艺优化和结构设计亟待研究。本文采用脉冲Nd：YAG激光系统对Y₂O₃部分稳定ZrO₂（YSZ）热障涂层进行表面改性,研究了激光功率、扫描速度以及光束长度对改性层厚度、微观结构的影响。结果表明,激光改性层呈致密的柱状晶结构,并有纵向裂纹贯穿其中。改性层的厚度与激光功率成正比,受扫描速度影响不大,与光束长度成反比。激光功率过高,则改性层裂纹增加明显;光束长度过大,则改性层与下方涂层的界面缺陷增多,不利于界面结合。优化的激光改性参数为：激光的功率为75~80 W,扫描速度8 mm/s,光束长度为160 mm。设计了双层激光改性层,每层中的纵向裂纹不连续,使得整个改性层中无贯穿的纵向裂纹,有助于抑制高温腐蚀熔体的内渗。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高，对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹，可以同时提升其隔热性能和服役寿命，是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而，目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象，发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型，推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解，获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律，发现：在表面裂纹形成前，陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变，而总应变能随其厚度线性增大，这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量；在其他喷涂参数不变的情况下，预热温度越高，表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响，为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能

采用等离子喷涂纳米氧化锆(ZrO_2-8%Y_2O_3)团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,利用连续CO_2激光对其进行重熔处理.以常规热障涂层作为比较对象,研究了纳米氧化锆热障涂层和激光重熔涂层的组织结构、硬度、抗热冲击性能.结果表明:纳米氧化锆热障涂层组织结构为独特的纳米-微米复合结构,主要有柱状晶和未熔融或部分熔融纳米颗粒组成;激光重熔热障涂层的组织结构为表面等轴晶+断面柱状晶.硬度试验和抗热冲击性能试验综合比较结果显示:相对于常规氧化锆热障涂层,纳米氧化锆热障涂层和激光重熔热障涂层拥有更好的性能.因此将纳米技术和激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来制备热障涂层是提高热障涂层性能的非常有前景的工艺方法.     

循环热载荷下CMAS 侵蚀对EB-PVD 热障涂层微裂纹特性的影响

为考察钙镁铝硅酸盐（Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate,CMAS）侵蚀对柱状晶间微裂纹附近温度场、应力场以及能 量释放率的影响规律,建立含微裂纹的电子束物理气相沉积（Electron Beam-Physical Vapor Deposition,EB-PVD）热障涂层数值模 型。分析了材料常数、裂纹角度及裂纹长度对微裂纹尖端场的影响,详细讨论了循环热载荷下CMAS 对微裂纹特性的影响规律,获得 了CMAS 侵蚀对应力场分布影响的3 个不同阶段。结果表明：裂纹尖端应力随CMAS 侵蚀深度和涂层间热失配的增加而显著增大; 随着CMAS 侵蚀时间的延长,涂层的隔热性能降低,裂纹尖端应力显著增大,易造成涂层的分层剥落失效;随着CMAS 侵蚀深度的增 加,裂纹尖端温度场和应力场以及能量释放率明显变化,且受裂纹角度影响显著。     

热障涂层喷涂质量微焦点CT检测

采用微焦点X射线源对热障涂层样品进行了高分辨率X射线成像研究,采用多尺度对比度增强算法提高了热障涂层与基体之间的对比度.X射线图像显示热障涂层各处厚度差异较大,热障涂层内部可能存在大量孔隙.通过微焦点计算机层析成像(CT)对样品进行了高分辨率CT扫描与重建,得到了样品的CT重建图像.从热障涂层CT图像观察到热障涂层内部存在大量孔隙,且不同层孔隙尺寸、数量不同.结合3个坐标方向的切片图像分析了热障涂层深度方向的热障涂层厚度,得到了热障涂层厚度的二维分布,测量得到热障涂层平均厚度约为40μm.对沿热障涂层深度方向850~1131层切片图像,利用可视化软件VGstudio MAX得到了热障涂层内部孔隙三维分布.研究结果表明:微焦点CT可用于热障涂层制备工艺质量检测.      

CFRP夹层结构超声特征成像检测

采用便携式超声特征成像检测系统全波列采集检测信号,通过对缺陷特征信号的提取和重构,实现自动识别,可适用于曲面等不规则面的检测,定量精度达到0.1 mm。实验结果表明低频窄带超声换能器能够减小铜网对声波的衰减和畸变,超声特征成像层析成像方法可以对表面铜网结构CFRP泡沫夹层中分层、冲击和脱粘缺陷进行识别并精确定位和定量。检测方法快捷准确、重复性好、可靠性高。     

环形阵列超声换能器的全聚焦成像方法及其应用

在检测高衰减的大厚度构件时，相控阵超声声束在非聚焦区域的声能量损失严重，采用线阵或矩阵超声换能器的检测精度和最大检测深度常难以满足要求。首先，建立了合成声束三维声场分布模型，分析了不同阵列超声换能器的空间声场能量分布特点，发现环阵超声换能器在相同聚焦深度处的声场特性更好，同时具有阵元数量少、声束焦斑沿轴线中心完全对称等特点。然后，建立了一种采用环阵超声换能器的全聚焦方法（TFM，Total Focusing Method），并基于试样群速度测量结果对各向异性材料中的聚焦算法进行了优化。在这种方法中将所采集到的全矩阵数据沿换能器中心轴线进行重建，可实现沿深度方向的逐点无穷聚焦。最后，利用所研制的阵列超声C扫描自动检测系统对预埋有缺陷的3D打印钛合金试样进行了对比检测实验，结果表明采用全聚焦成像算法的环阵超声换能器能实现55 mm试样内部直径0.8 mm、深度5.0 mm平底孔和横孔缺陷的精确检测，相对于常规的动态聚焦算法有更高的检测信噪比和定量精度。     

复合材料T-形R区超声反射法检测与缺陷判别

R区缺陷的检测是碳纤维复合材料结构中无损检测的焦点,针对此问题,以T-形R区为例,通过研究入射超声波在复合材料结构T-形R区产生回波信号及其特征,在典型超声检测试验验证分析基础上,提出了一种适用于复合材料结构T-形R区在线超声检测方法。系列超声检测与验证结果表明:采用水膜耦合超声检测技术,通过选择不同的声波入射方向,可有效地实现复合材料结构中T-形R区的覆盖检测;根据来自T-形R区的超声回波信号的时域特征可有效地进行缺陷的判别和确定检出缺陷所在铺层位置;表面检测盲区可达0.13mm(即单个复合材料铺层厚度)。解剖验证结果显示了超声检测结果与实际工艺缺陷的良好一致性。     

基于最小加工表面裂纹的TiAl合金铣削参数优化

TiAl合金以其优异的性能被广泛应用于航空、航天制造领域,但由于TiAl合金自身的物理、化学特性,导致其切削性能较差,加工过程中容易出现工件表面烧伤、表面微裂纹等问题。为了研究TiAl合金铣削加工过程中切削工艺参数对加工表面裂纹的影响规律,设计了TiAl合金切削参数与加工表面裂纹之间的正交试验。结果表明:切削速度对TiAl合金铣削表面裂纹的影响最大,其次是切削深度和切削宽度,每齿进给量对表面裂纹的影响最小。基于遗传算法,以表面裂纹长度为目标函数,优化得到的最优参数组合为:ae=0. 2 mm、ap=0. 2003 mm/z、fz=0. 02001 mm/z、vc=20. 0004 m/min。采用优化后的参数铣削TiAl合金,发现工件表面的实际加工裂纹长度和经过算法优化的裂纹长度相差较小,该优化方法可行性较高,误差较小。     

复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验

提出解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。基于激光超声技术,进行复合材料紧固孔分层的量化表征试验。制备碳纤维增强复合材料紧固孔试样,根据复合材料中激光超声的激发参量选取原则,利用材料受脉冲激光辐照作用产生的热弹效应激发超声波,提取表征紧固孔区域分层缺陷的超声信号;分析影响缺陷表征准确度的关键因素,发现脉冲激光光斑尺寸（直径1~5 mm）变化对紧固孔分层的表征不产生显著影响;基于穿透法和脉冲反射法进行激光超声C扫描检测,得到紧固孔区域分层缺陷的形状、尺寸和位置特征。研究结果表明,利用激光超声技术的非接触式激发、接收和高分辨力特点,可以准确测得紧固孔区域分层缺陷导致的波反射和衰减,有效表征飞机复合材料结构的紧固孔分层缺陷。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为

对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的由NiCoCrAlY粘结层和YSZ(YttriaStabilizedZirconia)陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TGO)内,而是发生在陶瓷层与TGO层、TGO与粘结层之间,尤其发生在TGO与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TGO层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。     

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法，采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为，利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌，记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂，疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响，扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm，当主裂纹长度小于250μm时，裂纹扩展非常缓慢；但当裂纹长度超过250μm后，疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中，疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。      

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题，基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系，考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌，依据表、界面裂纹位置、性质不同，分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型，结合围线积分和内聚力单元法，分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态，研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响，揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明，表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态，靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%，且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%，表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导，界面裂纹对其影响相对较小，分析结果与试验结果一致。