曲面热障涂层厚度的涡流测量方法研究

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近年来,航空工业迎来了高速发展时期,涡轮叶片作为航空发动机的核心零件必须具备优良的耐高温、耐腐蚀和抗氧化能力。热障涂层(TBCs)是目前高温防护效果较好的一种涂层,它可以在极端严酷的条件下对涡轮叶片起到很好的保护作用,通常以少量的氧化钇稳定的氧化锆为陶瓷层,MCr AIY金属为粘结层。然而伴随服役时间的增加,磨损与氧化物的生长导致涂层厚度变化。如果涂层太薄,就会影响到基体的防护;如果涂层太厚,会造成应力的增加,从而降低涂层与基体的粘结强度,造成涂层的脱落。因此,精确的测量热障涂层厚度是十分重要的。本文基于电涡流检测技术研究了热障涂层厚度检测新方法。研究内容如下:(1)基于电磁场反射透射理论,应用叠加定理推导出多层平板上方螺旋线圈涡流场解析模型,应用该解析模型验证了热障涂层上方平面螺旋线圈有限元模型的正确性,随后分析了提离高度和粘结层电导率对检测信号的影响。(2)制备了热障涂层模拟试件,运用金相显微镜观察确认其加工状况良好。设计并且制作了PCB平面螺旋线圈和3D打印封装夹具,编写了上位机控制软件Labview程序,可采集阻抗分析仪测量数据,通过控制三维移动平台步进电机运动调整试件检测位置和提离高度。(3)针对陶瓷层和粘结层厚度阻抗变化信号耦合问题,应用建立的解析模型仿真分析了阻抗信号随陶瓷层与粘结层厚度变化规律,发现阻抗相位信号与粘结层厚度存在良好线性关系,陶瓷层厚度阻抗信号与粘结层厚度阻抗信号的夹角近似不变。据此提出了基于阻抗坐标变换的热障涂层厚度检测新方法,经信号投影实现了陶瓷层和粘结层厚度信号解耦,并根据投影后粘结层厚度对投影夹角误差进行估计,再根据修正后夹角对阻抗信号进行二次投影,提高了厚度测量精度。(4)利用条纹投影三维形貌技术,通过计算机产生条纹、投影仪投影条纹图、相机拍摄变形条纹图、相位提取、系统标定等步骤对曲面热障涂层进行三维重构,分析了热障涂层表面曲率分布状况。深入研究了曲面热障涂层测厚中信号的耦合问题,分析了曲率半径和陶瓷层厚度对阻抗相位的影响,发现曲率半径和陶瓷层厚度与斜率和截距之间存在线性关系。选取两个频率获得两个独立方程,应用校准试件拟合方程系数,进而利用两个独立方程确定待测试件双层涂层厚度。结果表明,提出的测量方法能够实现曲面热障涂层厚度检测。本文含有图71幅,表23个,参考文献86篇
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