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热障涂层的超声表征原理与实验研究

赵扬  
【摘要】: 本文对等离子体喷涂和电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical VaporDeposition,EB-PVD)法制备的热障涂层的超声表征进行了研究。超声法表征热障涂层的难点集中在两个方面,一是涂层厚度较薄,以至于超声波在涂层上下表面的反射回波发生混叠,导致常规超声检测技术难以测得声速及声衰减等参量;二是涂层的非均匀性对超声波传播的影响,超声波在涂层中发生了复杂的散射与频散,现有均匀层状介质模型已无法描述声波在非均匀性介质传播所发生的频散现象,必须建立新的非均匀层状介质模型。 本文对超声波在非均匀层状介质的传播理论进行了研究并建立了相应的数学模型——获得了涂层声压反射系数幅度与相位的表达式,建立了相位谱极值与涂层密度的理论关系,并引入频散因子γ来定量描述涂层中的频散程度。 依据所建立的模型,对涂层的厚度、密度及非均匀性进行了表征,主要结果如下: (1)利用声压反射系数相位谱对等离子体喷涂的ZrO_2-8%Y_2O_3涂层厚度进行了测量,厚度范围318-337μm,与金相观察的涂层厚度范围相符; (2)依据所建立的相位谱极值与涂层密度关系,对等离子体喷涂的Cr_2O_3涂层不同区域的密度进行了定性分析,结果证明了涂层各区域的孔隙和微裂纹的密集程度不同,呈现明显的非均匀性: (3)对EB-PVD法制备的ZrO_2-7%Y_2O_3涂层的密度进行了定量表征,测得涂层密度为4.79 g/cm~3,相对于阿基米德法测量结果的误差为5.8%; (4)借助强流脉冲离子束(High-Intensity Pulsed Ion Beams,HIPIB)辐照技术对Cr_2O_3涂层和ZrO_2-7%Y_2O_3涂层进行了改性处理,得到了孔隙、微裂纹以及致密程度不同的涂层试样。分别利用声压反射系数幅度谱和相位谱对不同辐照次数下涂层试样的频散进行了表征,并结合数值拟合技术获得了涂层的衰减系数,结果发现,对于原始及辐照1、5次的Cr_2O_3涂层和ZrO_2-7%Y_2O_3涂层,涂层频散程度依次降低和衰减系数依次减小,说明涂层的非均匀性逐渐降低。经涂层表面及横截面SEM分析后认为,涂层频散程度和衰减系数的减小与其内部孔隙率和微裂纹数量的减小以及涂层的均匀程度提高有关。


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