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1、摘要 I摘 要 由 于 热 障 涂 层(Thermal Barrier Coatings， 简 称 TBCs)系 统 的 结 构 复杂 、 使 用 环 境 恶 劣 ， 使 得 热 障 涂 层 的 失 效 机 理 非 常 复 杂 ， 从 而 造 成 寿 命预 测 成 为 热 障 涂 层 研 究 工 作 的 难 点 问 题 。 热 障 涂 层 失 效 的 无 损 评 价 将 为寿 命 预 测 提 供 最 直 接 的 参 考 和 依 据 ， 基 于 此 ， 本 文 针 对 热 障 涂 层 的 高 温氧 化 、 损 伤 与 断 裂 的 无 损 评 价 展 开 了 研 究 ， 主 要 研 究 内 容 如
2、 下 ： 第 一 ， 用 复 阻 抗 谱 方 法 评 价 了 热 障 涂 层 的 高 温 氧 化 性 能 。 通 过 高 温氧 化 实 验 分 析 了 等 离 子 喷 涂 和 物 理 气 相 沉 积 法 制 备 的 热 障 涂 层 的 高 温 氧化 机 制 和 氧 化 生 长 规 律 ； 建 立 了 这 两 种 热 障 涂 层 在 不 同 氧 化 阶 段 的 等 效电 路 ； 分 别 用 解 析 法 、 软 件 模 拟 法 确 立 了 这 两 种 热 障 涂 层 等 效 电 路 中 各元 件 参 数 与 阻 抗 谱 之 间 的 关 系 ， 并 对 两 种 热 障 涂 层 的 氧 化 进 行 了
3、 复 阻 抗谱 测 量 与 评 价 。 第 二 ， 探 索 了 声 发 射 信 号 的 小 波 分 析 方 法 ， 实 现 对 热 障 涂 层 损 伤 源的 定 性 和 定 位 分 析 。 通 过 对 热 障 涂 层 信 号 的 特 征 分 析 ， 选 择 了 合 适 的 小波 基 ， 分 解 尺 度 以 及 特 征 提 取 方 法 ， 对 热 障 涂 层 声 发 射 信 号 进 行 了 小 波分 析 ， 并 与 相 关 性 分 析 和 时 差 定 位 相 结 合 ， 实 现 了 热 障 涂 层 声 发 射 信 号的 去 噪 、 模 式 识 别 与 定 位 分 析 ， 为 后 面 热 障 涂
4、层 损 伤 与 断 裂 的 声 发 射 评价 打 下 基 础 。 第 三 ， 用 声 发 射 方 法 对 热 障 涂 层 的 拉 伸 失 效 进 行 了 定 量 、 定 性 与 定位 分 析 ， 并 评 价 了 高 温 氧 化 对 热 障 涂 层 拉 伸 失 效 机 制 的 影 响 。 本 文 利 用声 发 射 无 损 检 测 和 拉 伸 实 验 相 结 合 的 方 法 ， 研 究 了 氧 化 前 后 的 等 离 子 喷涂 热 障 涂 层 以 及 裸 基 底 材 料 的 拉 伸 失 效 过 程 。 通 过 对 声 发 射 信 号 的 分 析得 出 ： 热 障 涂 层 在 拉 伸 应 力 作 用
5、 下 经 历 了 表 面 垂 直 裂 纹 、 界 面 裂 纹 以 及涂 层 剥 落 的 失 效 过 程 ； 涂 层 损 伤 如 垂 直 裂 纹 、 界 面 裂 纹 均 与 拉 伸 应 力 呈幂 函 数 关 系 ； 声 发 射 信 号 在 空 间 和 时 间 上 的 统 计 分 布 对 损 伤 或 断 裂 源 能够 进 行 准 确 的 预 测 ； 高 温 氧 化 不 仅 仅 降 低 了 热 障 涂 层 抵 抗 变 形 的 能 力 ，而 且 改 变 了 热 障 涂 层 的 损 伤 机 制 。 第 四 ， 设 计 了 热 障 涂 层 高 温 热 疲 劳 的 声 发 射 测 量 装 置 ， 实 现 了
6、 热 障涂 层 整 个 热 疲 劳 失 效 过 程 的 声 发 射 检 测 。 通 过 对 声 发 射 信 号 的 特 征 参 数以 及 小 波 分 析 得 出 ： 热 障 涂 层 在 热 疲 劳 失 效 时 会 出 现 三 种 失 效 模 式 ， 即陶 瓷 层 中 的 垂 直 裂 纹 、 水 平 裂 纹 以 及 陶 瓷 层 与 中 间 过 渡 层 的 界 面 裂 纹 ；涂 层 中 的 损 伤 不 仅 可 以 在 冷 却 阶 段 因 为 涂 层 体 系 中 的 压 应 力 形 成 和 扩展 ， 也 可 以 在 加 热 阶 段 中 因 为 陶 瓷 层 中 的 拉 应 力 而 形 成 和 扩 展
7、； 波 导 杆湘潭大学博士学位论文 II的 使 用 不 影 响 损 伤 源 的 模 式 识 别 ， 但 是 却 给 损 伤 源 的 定 位 分 析 带 来 新 的困 难 。 第 五 ， 开 发 了 声 发 射 信 号 采 集 与 处 理 的 平 台 。 由 于 实 验 室 条 件 的 限制 以 及 国 内 外 声 发 射 技 术 特 别 是 信 号 采 集 与 处 理 方 面 存 在 的 巨 大 差 异 ，基 于 作 者 多 年 来 从 事 声 发 射 检 测 与 信 号 分 析 的 基 础 上 ， 开 发 了 一 个 用 于北 京 声 华 SWAE 5 型 声 发 射 仪 的 声 发 射 信
8、 号 采 集 以 及 普 便 适 用 的 信 号 处理 软 件 平 台 。 本 文 的 研 究 工 作 是 基 于 这 个 平 台 进 行 的 ， 该 平 台 在 声 发 射信 号 的 采 集 上 以 完 善 信 号 的 存 储 为 主 ； 在 信 号 的 处 理 上 发 展 了 声 发 射 信号 的 参 数 分 析 、 波 形 分 析 、 相 关 性 分 析 以 及 定 位 分 析 模 块 。 平 台 将 为 声发 射 的 检 测 与 应 用 提 供 方 便 。 总 之 ， 本 论 文 较 为 系 统 的 开 展 了 热 障 涂 层 氧 化 、 损 伤 与 断 裂 的 无 损评 价 方 法
9、， 为 热 障 涂 层 研 究 和 应 用 提 供 重 要 的 实 验 方 法 和 参 考 依 据 ， 也拓 展 了 无 损 检 测 方 法 的 应 用 。 关 键 词 ： 热 障 涂 层 ； 高 温 氧 化 ； 复 阻 抗 谱 ； 声 发 射 ； 小 波 变 换 ； 声 发 射信 号 采 集 与 处 理 平 台 ABSTRACT IABSTRACT Due to the complex structure and the deteriorative operation circumstance, the failure mechanism of thermal barrier coating
10、s (TBCs) is very complicated, which leads to the life prediction be a difficult subject of the research on TBCs. Non-destructive evaluation (NDE) of the failure is the direct reference and evidence for the life prediction of TBCs. In this paper, NDE of the high temperature oxidation, the damage and
11、the fracture of TBCs has been studied. The main contents in this paper are listed as follows, Firstly, the high temperature oxidation performance has been studied using impedance spectroscopy method. The oxidation mechanism and oxidation growth law of TBCs prepared by air sprayed deposition (APS) an
12、d electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) have been analyzed through high temperature oxidation tests. The equivalent circuits of the two TBCs at different oxidation periods were proposed. The parameters of the equivalent circuits have been obtained from the impedance spectroscopy for EB-PV
13、D TBCs and APS TBCs by means of analyzing and simulating, respectively. The oxidation degree of TBCs has been evaluated using impedance spectroscopy. Secondly, the wavelet analysis method to analyze the AE signals of TBCs has been discussed, so as to realize the qualitative analysis of AE source as
14、well as to localize the AE source. Through analyzing the characteristic of AE signals, the rules of how to select the suitable wavelets, the maximum decomposition level and the feature extraction method were established, and the wavelet analysis of the AE signals of TBCs was realized. With the combi
15、nation of correlation analysis, the conventional time difference location and the wavelet analysis, the de-noising, model discrimination and source location of AE signals were realized, which were the basis of the NDE for the damage of TBCs. Thirdly, the quantitative, qualitative and location analys
16、is of the tensile failure for TBCs were carried out using AE technique, and the influence of bond coating oxidation on the fracture behavior of APS-TBCs 湘潭大学博士学位论文 IIhas also been evaluated by AE. In this paper, APS-TBCs without TBC coating, as-sprayed and pre-oxidized, were tested under tensile loading, and their AE responses were monitored. On the basis of AE behavior, the fracture process of TBCs and corresponding cracking patterns in TBCs subjected to tensile tests were evaluated, the f
