收藏本站
《大连理工大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高性能非均质涂层超声反射散射机理及其表征方法研究

马志远  
【摘要】:航空及核电领域大量应用的高性能涂层,如热障涂层、耐磨涂层等,由制备工艺决定,涂层内部随机分布一定数量的微孔隙、微裂纹,导致涂层物理及力学性能等存在明显的随机性和非均匀性,利用无损检测方法对涂层非均匀程度、弹性模量、界面粗糙度等特性进行测量和表征是航空及核电领域的迫切需求。阐明涂层宏观多界面结构超声波反射规律和涂层微细观组织结构导致的超声散射衰减机制,进而建立非均匀涂层特性参数与超声波特征参量之间的关系,是解决该问题的核心所在。对于非均匀涂层,除了涂层较薄带来的界面反射回波混叠、超声波特征参量提取困难外,形貌复杂随机分布的气相(微孔隙、微裂纹)与固相颗粒交织混杂,导致涂层密度、弹性模量及泊松比等物理力学参数波动起伏,超声波散射行为复杂,频散程度严重,表现在混叠波形畸变明显,频谱变化多样,检测信噪比低,进一步增加了超声波特征参量的提取难度。本文综合应用声波散射自洽理论、相屏近似理论及波型转换原理,分析涂层多界面结构超声反射回波特征及涂层非均匀性引起的超声波散射行为,创建了非均匀涂层声压反射系数幅度谱(Ultrasonic Reflection Coefficient Amplitude Spectrum,URCAS)表达式,首次将 URCAS的谐振频率、极值相位、极值幅值等超声参量与厚度、粗糙度、弹性模量及孔隙率等涂层特性参数之间建立函数关系。基于上述理论基础,将实验测试与数值计算相结合,借助互相关分析参数反演法提取特征参量,提出了针对高性能非均匀涂层特性的超声无损表征方法。主要研究内容如下:(1)分析了非均匀涂层中微孔隙、微裂纹引起的超声波多重散射行为及散射规律,基于创建的URCAS,提出了利用谐振频率偏移系数表征涂层非均匀程度的方法。采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观测电子束物理气相沉积法制备的氧化钇部分稳定氧化锆(Zr02-7wt.%Y203,7YSZ)热障涂层截面形貌,建立孔隙率为0~25.12%的多组7YSZ涂层模型,利用有限元模拟分析孔隙率对谐振频率偏移系数γ的影响,结果发现,γ随孔隙率的增加而减小。采用超声显微镜系统及50 MHz水浸聚焦探头对涂层试样进行测量,基于URCAS提取谐振频率偏移系数,结果发现涂层整个区域的γ在0.88-0.98之间波动,且γ随孔隙率增加而减小,间接表明采用超声方法能够表征非均匀涂层中孔隙的存在以及孔隙率差异。(2)非均匀涂层声速未知且存在波动,小尺寸涂层样件几何空间有限,由此导致涂层弹性模量与泊松比测量困难,基于创建的URCAS,提出了采用单探头小角度斜入射波型转换原理测量非均匀涂层弹性模量、泊松比与厚度的技术。采用超声波水浸聚焦系统、30 MHz点聚焦探头检测超音速火焰喷涂制备的WC-Ni耐磨涂层。结果显示:以30°、45°、60°与90°方位角喷涂的4组WC-Ni涂层,SEM观测涂层厚度200~400μm,孔隙率4.67%、1.76%、0.92%和0.19%;超声测量30°方位角涂层厚度255~293μm,相对误差为-9.3%~4.3%,4 组涂层弹性模量分别为 315 GPa、321 GPa、339 GPa 和 351 GPa,泊松比范围为0.221~0.245。结合SEM观测结果分析认为,随着喷涂方位角的增加,涂层孔隙率降低、致密度提高,弹性模量增大。(3)为了解决非均匀涂层内界面粗糙度测量问题,基于相屏近似理论推导出含粗糙界面非均匀涂层声压反射系数幅度谱(R-URCAS),提出通过解耦R-URCAS并采用互相关分析双参数反演表征涂层内界面粗糙度的技术。利用数值计算方法讨论了超声波波长、涂层形状误差及非均匀程度对粗糙度测量的影响。实验采用超声波水浸聚焦系统、20 MHz点聚焦探头,对粗糙度范围为4.2~28.6μm的四组标准粗糙度对比试样以及未知粗糙度的WC-Ni涂层试样进行超声检测。粗糙度测量结果显示:与激光共聚焦显微镜结果对比,标准粗糙度对比试样超声测量结果相对误差小于8.2%;WC-Ni涂层试样粗糙度超声测量结果与金相统计结果之间相对误差小于11.0%。(4)针对热障涂层与粘结层界面之间氧化后形成的微米量级异质相的表征问题,从理论上分析了涂层多界面结构相邻介质声阻抗匹配对混叠信号频谱的影响规律,提出了基于URCAS极值变化规律表征异质相存在的技术。实验中采用超声波水浸聚焦系统、20 MHz点聚焦探头,检测7YSZ热障涂层氧化后涂层与粘结层界面热生长氧化物(Thermally Grown Oxide,TGO)的存在。实验结果表明:由于氧化后在涂层/粘结层界面生成了主要成分为A12O3的TGO,涂层相邻介质声阻抗匹配关系改变,使得氧化前后涂层的URCAS极值出现规律相反,实验结果与理论分析一致,且与SEM观测结果相符。采用数值计算方法讨论了涂层孔隙率对URCAS极值出现位置,即谐振频率的影响,结果显示:涂层氧化前后孔隙率变化引起的谐振频率偏移量为0.15 MHz,远小于异质相TGO出现引起的偏移量3.7 MHz。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ630.1

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 全宏声;用铪和硅提高热障涂层的防护能力[J];材料工程;2000年06期
2 王利强 ,阎殿然 ,何继宁 ,宋向阳;热障涂层研究状况及进展[J];新技术新工艺;2002年03期
3 谢冬柏,王福会;热障涂层研究的历史与现状[J];材料导报;2002年03期
4 刘志;周洪;;热障涂层研究进展[J];河海大学常州分校学报;2006年03期
5 李美姮;管恒荣;;热障涂层的性能评价[J];中国腐蚀与防护学报;2007年05期
6 王铀;王亮;;新型锆酸盐基热障涂层材料的研究进展[J];中国表面工程;2009年06期
7 郭洪波;彭立全;宫声凯;徐惠彬;;电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展[J];热喷涂技术;2009年02期
8 丁彰雄;热障涂层的研究动态及应用[J];中国表面工程;1999年02期
9 刘凤岭;面向21世纪的热障涂层结构设计[J];材料保护;2000年01期
10 胡传顺,王福会,吴维;热障涂层研究进展[J];腐蚀科学与防护技术;2000年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李伟信;张跃;;热障涂层寿命的计算机优化方法[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
2 代辉;李佳艳;曹学强;;热障涂层新材料[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
3 张伟旭;范学领;王铁军;;热障涂层强度机理研究现状及展望[A];第十五届中国科协年会第7分会场:先进能源开发装置中的关键力学问题研讨会论文集[C];2013年
4 冯雪;;热障涂层的动静态热力耦合响应[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
5 刘奇星;蒋俊平;毛卫国;杨丽;周益春;;热循环条件下涡轮叶片热障涂层系统的有限元模拟[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
6 周益春;桥田俊之;段祝平;;热障涂层的热-力耦合破坏机制[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
7 唐达培;高庆;江晓禹;;金属/陶瓷梯度热障涂层[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
8 徐惠彬;宫声凯;张春霞;冀晓鹃;陈立强;韩小平;;热障涂层结构设计与服役环境模拟实验研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
9 周益春;邹金龙;;热障涂层系统的氧化扩散-动力学模型[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
10 宋波;刘喜华;张梅;王福明;;La_2O_3-CeO_2-ZrO_2热障涂层材料研究[A];2004年全国冶金物理化学学术会议专辑[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前8条
1 于洋;陶瓷热障涂层研究获进展[N];中国化工报;2014年
2 马宽新;西航热障涂层工艺取得重大突破[N];中国航空报;2009年
3 记者 沈谦 通讯员 马宽新;西航开发热障涂层工艺 年节约成本300万元[N];陕西日报;2009年
4 于洋 张兆军;我“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展[N];科技日报;2014年
5 李思闽 整理;自强立国 创新利民[N];中国航空报;2011年
6 长春;可控温热障涂层自动热循环仪问世[N];中国矿业报;2004年
7 张凌 董芝会;自主研发闯新路[N];中国航空报;2006年
8 王迅;锆铪应用领域不断拓展[N];中国有色金属报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 马志远;高性能非均质涂层超声反射散射机理及其表征方法研究[D];大连理工大学;2017年
2 何磊;小麦微波散射机理与生物量参数反演研究[D];电子科技大学;2016年
3 蔡杰;强流脉冲电子束作用下热障涂层热生长氧化物生长行为与应力状态[D];江苏大学;2015年
4 钟颖虹;燃气轮机透平叶片热障涂层的研究[D];机械科学研究总院;2015年
5 杜仲;界面氧化对等离子喷涂热障涂层失效行为的影响研究[D];北京理工大学;2015年
6 陆浩然;磁铁铅矿型LnMeAl_(11)O_(19)热障涂层材料的合成及性能研究[D];清华大学;2015年
7 邓舜杰;阴极等离子电解沉积弥散Pt颗粒增韧8YSZ、La_2Zr_2O_7热障涂层的研究[D];北京科技大学;2016年
8 欧阳韬源;自愈合抗氧化热障涂层的制备、性能及其应用研究[D];华中科技大学;2016年
9 赵蒙;掺杂对氧化锆基热障涂层材料热物理性能的影响[D];清华大学;2016年
10 王璟;锆酸镧热障涂层研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周会会;材料参数、界面孔隙率和粗糙度对热障涂层内应力的有限元模拟研究[D];昆明理工大学;2015年
2 吴海涛;网状热障涂层残余应力数值模拟及其结构设计[D];南京理工大学;2015年
3 王帅;网状衬垫的激光直接沉积制备及其对热障涂层性能的影响[D];南京理工大学;2015年
4 余蕾;锆酸镧热障涂层材料制备及等离子喷涂研究[D];山东大学;2015年
5 任许赫;新型Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3热障涂层材料及性能研究[D];北京理工大学;2015年
6 罗园;EB-PVD热障涂层CMAS侵蚀裂纹形成与扩展机制的实验研究[D];湘潭大学;2015年
7 汤文章;基于流固耦合热障涂层涡轮叶片应力场的数值模拟[D];湘潭大学;2015年
8 迟光芳;基于钻孔法和数字图像相关法热障涂层材料残余应力测试[D];湘潭大学;2015年
9 李郴飞;热障涂层复阻抗谱影响参数的有限元模拟[D];湘潭大学;2015年
10 彭樟保;高温环境下热障涂层材料力学参数测试分析[D];湘潭大学;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026