MATLAB热障涂层成像,考虑孔隙细观特征的热障涂层脱粘缺陷超声检测数值模拟

引文格式:张伟,马志远,高剑英,等.考虑孔隙细观特征的热障涂层脱粘缺陷超声检测数值模拟[J].中国表面工程,2017,30(3):115-121.ZHANGW,MAZY,GAOJY,etal.Ultrasonictestingnumericalsimulationofdebondingdefectinthermalbarriercoatingsconsideringvoidmicroscopicparameters[J].ChinaSurfaceEngineering,2017,30(3):115-121.常用的热障涂层(Thermalbarriercoatings,TBCs)是由表层陶瓷层(Topcoating,TC)、金属过渡粘结层(Bondcoating,BC)以及高温合金基体构成的复合型涂层系统[1]。在涂层成分设计、涂装和服役过程中,陶瓷层与粘接层热膨胀系数不匹配、界面污染、TGO生长、表层相变等因素均可能引起TC与BC层间界面脱粘[2-3],导致涂层脱落失效,从而将合金基体暴露在高温燃气中,引起灾难性的后果。建立系统的涂层脱粘缺陷检测理论和表面完整性评价方法已成为高性能表面层精密制造过程中亟待解决的关键问题[4]。目前,应用于涂层脱粘缺陷检测的无损检测方法主要有红外热像技术[5]、激光错位散斑技术[6]及超声检测技术[7]等。红外热像技术对涂层的厚度和导热系数要求较为苛刻,涂层太厚或导热系数过高都会影响检测灵敏度,适用于检测大尺寸脱粘缺陷;激光错位散斑技术具有测量信息丰富、检测精度高等特点,可检测出激光波长级别的缺陷,但检测系统复杂,成本高,难以应用于实际工程之中。相比于其他无损检测手段,超声检测技术具有检测范围广、灵敏度高以及适于现场使用等优势,已广泛应用于涂层厚度[8-9]、密度[10-11]、声速[12]等参量的测量和表征之中。对于热障涂层,其孔隙率、孔隙分布和形貌具有明显的随机特性,超声波在涂层中传播时会发生复杂的散射及频散现象,导致信号波形畸变,能量衰减严重。声学中常采用数学解析法和数值模拟技术处理此类问题。数学解析法对研究规则散射体的声传播问题比较方便,而且准确,但往往难以处理超声波在非均质材料中的散射问题。相比之下,数值模拟刚好弥补了这些不足,为声波散射分析和研究开辟了广阔的途径。理论上,采用数值计算方法可以实现几乎所有声场问题的求解。作者课题组围绕热障涂层随机孔隙建模、超声检测数值模拟、超声信号特征参量提取等方面开展了大量工作。在此基础上,针对电子束物理气相沉积(Electronbeamphysicalvapordeposition,EB-PVD)制备的ZrO2-7%Y2O3(7YSZ)热障涂层SEM形貌,基于随机介质理论和统计学方法构造了具有不同孔隙率、孔隙分布和形貌的多组热障涂层随机孔隙模型,采用时域有限差分法数值模拟研究了孔隙细观特征(孔隙率、孔隙分布和形貌)对涂层脱粘缺陷尺寸超声检测定量精度的影响。1.1超声波在非均质TBCs中的传播由于制备工艺的原因,采用等离子喷涂或EB-PVD技术制备的TBCs中都不可避免存在一定量的孔隙,使得涂层呈现出一定的非均质特性。超声波入射到这种非均质材料中会发生复杂的散射,孔隙尺寸与超声波波长的比值决定了其在介质中的响应类型。根据弹性波散射理论,针对归一化波数ka(a为散射体平均直径,k为波数,k=2/)取值范围不同,超声波散射可分为图1所示的3种机制:(1)瑞利散射:当ka>1时,其散射能量与散射体平均直径a成反比(s=C4F/a),相当于遇到单个散射体的情况,大部分散射能量集

最后

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