等离子喷涂Al/BN可磨耗封严涂层孔隙状况超声表征

摘要

较强推力、更优节油比成为目前航空发动机设计的核心目标。可磨耗封严涂层（以下简称封严涂层）由于在保证发动机工作效率的同时还可大幅度降低工作端基体的工作温度和燃气损耗，延长机器的服役寿命，已大量应用于航空发动机中。可磨耗性、抗冲蚀性及抗热震性是封严涂层的3项关键性能指标，而涂层内部孔隙状况对这3项指标均有重要影响，准确可靠的封严涂层孔隙状况无损测试方法成为该领域的迫切工程需求。本文采用超声方法对等离子喷涂法制备的Al/BN封严涂层的孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙分布状况进行了研究，该封严涂层的主要组份为金属相铝、润滑相氮化硼以及一定比例的孔隙。
　　超声法表征封严涂层孔隙状态的难点集中在两个方面，一是涂层厚度较薄，通常应选用较高的检测频率，但含孔结构会导致高频超声波不易穿透，然而较低频率由于脉冲宽度相对较宽，在时域信号中表面回波会与界面波发生混叠，因此，从混叠信号中提取孔隙信息成为解决问题的关键;二是该涂层孔隙状况复杂，孔隙率范围为15-30％，孔隙尺寸在几微米至数十微米之间，涂层中超声衰减较为严重，超声回波信号幅度很低，利用时域信号回波高度来计算衰减系数的传统方法已不可行，需要寻找更为适合的分析方法以及更合适的特征参量。
　　本研究首先分析了声压反射系数功率谱特征参量与衰减系数之间，以及孔隙率、孔隙尺寸与衰减系数之间的理论关系，并以衰减系数为桥梁，给出了以孔隙率、孔隙尺寸为自变量、功率谱极值为因变量的函数关系。在实验方面，利用扫描电镜获得涂层的孔隙率、孔隙形貌等信息，尺寸为40mm×29mm×1.2mm的涂层试样，整个观测区域内孔隙率变化范围是16.20％-29.17％,水平方向孔隙尺寸5～70μm。对不同孔隙状态区域进行超声信号采集及分析，并提取声压反射系数功率谱的谐振频率和功率谱极值，绘制其与孔隙率、孔隙尺寸之间的关系曲线。以金相照片为基础，进一步通过两种不同方式对相同孔隙分布、不同孔隙率，以及相同孔隙率、不同孔隙分布的封严涂层进行建模，利用仿真方法分析，得到涂层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙分布与声压反射系数功率谱谐振频率、功率谱极值等参量之间的数值计算结果。对比实验与模拟结果发现，孔隙率-声速变化率、孔隙率-功率谱极值差的关系曲线均呈现带状规律，表明孔隙率与孔隙随机形貌因素综合作用，导致超声参量变化具有不唯一性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 可磨耗封严涂层概述

1．1．2 可磨耗封严涂层分类

1．1．3 Al/BN可磨耗封严涂层特性

1．1．4 封严涂层的性能检测与评价

1．2 超声检测技术研究现状

1．3 研究基础

2 孔隙对涂层中声参量的影响

2．1 相关声学参量

2．1．1 声阻抗

2．1．2 声速

2．1．3 声衰减

2．2 孔隙对封严涂层声速影响

2．3 孔隙对封严涂层中声衰减影响

2．3．1 声压反射系数功率谱与声衰减系数的函数关系

2．3．2 声衰减系数与孔隙参量的函数关系

2．3．3 声压反射系数功率谱与孔隙参量的函数关系

2．4 理论函数拟合

3 封严涂层孔隙状况的超声实验表征

3．1 封严涂层试样及超声实验装置

3．1．1 封严涂层试样

3．1．2 实验装置及其基本参数设定

3．2 检测频率优选

3．2．1 优选原则

3．2．2 C扫描图像分析

3．2．3 不同频率下超声信号分析

3．3 超声密集信号采集

3．4 实际孔隙状况获取

3．4．1 制样

3．4．2 能谱分析

3．4．3 试样的SEM照片

3．4．4 试样孔隙状况信息

3．5 实验结果分析与讨论

3．5．1 孔隙率对谐振频率的影响

3．5．2 孔隙率对功率谱极值的影响

3．5．3 孔隙尺寸对功率谱极值的影响

4 含孔隙封严涂层的数值模拟

4．1 建模流程及模型参数设置

4．1．1 建模流程

4．1．2 介质属性设置

4．1．3 边界设置

4．1．4 发射/接收换能器

4．2 含孔隙涂层物理模型构建

4．2．1 原位模型

4．2．2 原始模型

4．3 原位模型模拟结果分析与讨论

4．4 原始模型模拟结果分析与讨论

4．4．1 孔隙率对谐振频率的影响

4．4．2 孔隙率对功率谱极值的影响

4．4．3 孔隙尺寸对功率谱极值的影响

4．5 实验与模拟结果对比分析

结论

参考文献

致谢