热障涂层复阻抗谱影响参数的有限元模拟

摘要

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)是一种绝热陶瓷涂层，已成功应用在航空发动机的涡轮叶片，以提高涡轮叶片的服役温度和耐腐蚀性能。然而，TBCs结构复杂，在恶劣的服役环境下会发生脱落和失效，这不但影响航空发动机效率，而且严重威胁航空发动机的安全运行。为预防上述情况发生，复阻抗谱检测(Impedance Spectroscopy，简称IS)作为一种无损检测方法已被应用于热障涂层的结构检测和寿命预测中。尽管如此，复阻抗谱检测在航空发动机热障涂层中的应用还存在以下两个问题：1.对复阻抗谱结果的分析缺乏稳定可靠的研究工具。2.实验中采用的非对称电极对复阻抗谱检测结果的影响不明确。因此，本文引入有限元法对热障涂层的复阻抗谱检测进行模拟分析，进一步研究复阻抗谱测量环境和TBCs结构变化对热障涂层复阻抗谱测量结果的影响。主要研究内容及所得结果如下：
　　1.根据有限元结果、实验测量结果以及复阻抗谱理论，详细地分析测量电压、测量温度以及测量电极大小对TBCs复阻抗谱的影响。此外，对复阻抗谱进行等效电路拟合，得到YSZ和TGO的测量厚度。最后，综合测量电压、测量温度以及测量电极大小的影响，确定TBCs复阻抗谱最佳的测量电压为1 V，测量温度为400℃，测量所用的Pt电极直径为3~5 mm。
　　2.根据有限元结果、实验结果及复阻抗谱理论，分析YSZ、TGO厚度和电导率对TBCs复阻抗谱检测的影响。通过比较测量厚度与模型所设厚度，确定检测的大致误差，结果表明：在根据复阻抗谱计算YSZ和TGO厚度时，不应直接采用 Pt电极面积作为测量区域面积，而应选取比 Pt电极面积大的值。如当 Pt电极直径为3 mm时，用于计算YSZ厚度的测量区域面积取值应比Pt电极面积大10％，此时得到的结果测量误差更小。同理，对于计算TGO厚度，测量区域面积取值则应比Pt电极面积大60％。
　　3.采用COMSOL软件模拟TBCs复阻抗谱测量过程，同时分析不同条件下TBCs的复阻抗谱及其内部的电场分布。结果表明：非对称电极的使用导致TBCs内电场线发散，该发散是复阻抗谱检测误差存在的重要原因之一。测量温度、测量电极大小、YSZ和TGO的厚度以及电导率对复阻抗谱的影响可从两个角度解释：(1)通过本身数值的改变影响 TBCs的复阻抗谱；(2)通过改变测量区域面积影响TBCs的复阻抗谱。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层概述

1.3热障涂层的复阻抗谱无损检测

1.4热障涂层复阻抗谱检测的有限元模拟

第2章 热障涂层复阻抗谱检测的模型与实验

2.1 热障涂层的有限元模型及结果处理

2.2 热障涂层复阻抗谱测量实验

第3章 热障涂层复阻抗谱最佳测量条件及拟合参数的确定

3.1 热障涂层复阻抗谱最佳测量条件

3.2 热障涂层复阻抗谱拟合参数的确定

第4章 热障涂层复阻抗谱检测时电场分布及其影响

4.1测量环境对电场分布的影响

4.2 TBCs结构对电场分布的影响

4.3小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

4.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

附录A：攻读硕士学位期间发表的专利及学术论文