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涡轮叶片热障涂层结构状态超声检测方法研究

作　者: 孙颖
导　师: 李秋锋
学　校: 南昌航空大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 热障涂层 ABAQUS有限元波包分解结构状态
分类号: TB302.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 31次
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内容摘要

随着高性能航空发动机的不断发展，推重比的不断提高以及各项性能的优化。伴随而来的是涡轮燃气温度的大幅度提高，使得涡轮叶片的工作环境越来越恶劣。在高温、高压和腐蚀等恶劣的工作环境的制约下，仅仅依靠采用冷却技术和改进涡轮叶片制造工艺等常规方法，已经难以保证即安全又可靠的完成工作。因此，热障涂层技术应运而生。但由于热障涂层材料与基体材料之间，热膨胀系数的不匹配，使得在涂层制备的过程中，可能会出现裂纹、气孔等缺陷。这些存在着缺陷的热障涂层将会严重影响着涡轮叶片的质量和使用寿命。本文采用有限元分析软件ABAQUS对热障涂层进行建模分析。建立热障涂层2D模型，模拟与研究热障涂层中超声波的传播特性，并结合水浸聚焦超声脉冲反射实验分析各界面的反射回波，用以观察与分析热障涂层的超声结构状态。通过数值仿真实验，研究超声波在热障涂层中的传播机理。首先，利用有限元仿真软件ABAQUS建立涡轮叶片热障涂层的模型，测量热障涂层陶瓷层、粘结层和基体的声速，并研究超声波在薄层中传播时的各种反射过程。由于陶瓷层、粘结层与基体三种材料之间的声阻抗大小差异不大，导致陶瓷层/粘结层、粘结层/基体界面的反射信号非常微弱。反射回波中包含着大量的结构特征信息，包括声速和频率等。要检测涂层的结构状态，需要将各个界面微弱的反射信号提取出来。并通过对反射信号进行数据分析和处理，提取状态特征信息。对于薄层反射引起的混叠情况，引入波包分解技术对回波混叠信号进行分解，找出涂层在回波信号中所反映出来的结构状态特征信息，并将结果与模型进行对照，确定特征信息的准确性。最后，采用等离子喷涂制备法制作涡轮叶片热障涂层试块，制作一块双层结构的涂层试块。制作涂层的材料由ZrO2和Y2O3组成，涂层厚度范围在0.1mm至0.15mm之间。采用水浸聚焦超声波脉冲反射法对涂层试块进行实验研究，完成实验检测，总结实验研究结果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题研究背景和意义  9-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 课题的研究目标和内容  14-16
第2章热障涂层超声结构特征  16-27
  2.1 概述  16
  2.2 涡轮叶片热障涂层  16-19
    2.2.1 热障涂层的结构  16-18
    2.2.2 热障涂层中的常见缺陷  18-19
  2.3 热障涂层的声学特性  19-22
    2.3.1 热障涂层中的声速  19-20
    2.3.2 热障涂层的声阻抗  20-21
    2.3.3 涂层特性中的声衰减  21-22
  2.4 超声波在涂层结构中的传播特性  22-25
    2.4.1 超声波在异质界面处的反射和透射  22-24
    2.4.2 超声波在水-涂层-基体界面结构中的入射与透射  24-25
  2.5 本章小结  25-27
第3章热障涂层有限元数值模拟分析  27-42
  3.1 概述  27
  3.2 动力学中有限元基本理论  27-28
  3.3 有限元软件 ABAQUS 的基本使用简介  28-30
  3.4 热障涂层有限元模拟  30-40
    3.4.1 模型的建立  30-32
    3.4.2 信号的加载及始波干扰  32-36
    3.4.3 热障涂层各层声速的测定  36-40
  3.5 本章小结  40-42
第4章测试信号处理  42-51
  4.1 波包分解技术  42-43
  4.2 波包分解技术验证实验  43-45
  4.3 热障涂层仿真信号波包分解  45-50
    4.3.1 20MHz 仿真信号波包分解  45-48
    4.3.2 30MHz 仿真信号波包分解  48-50
    4.3.3 误差分析  50
  4.4 本章小结  50-51
第5章热障涂层水浸聚焦实验初步探究  51-66
  5.1 概述  51
  5.2 试块的制备  51-53
    5.2.1 等离子喷涂技术  51-52
    5.2.2 试块参数  52-53
  5.3 水浸聚焦实验系统  53-57
    5.3.1 超声成像检测系统简介  53-54
    5.3.2 水浸聚焦探头  54-56
    5.3.3 热障涂层水浸聚焦实验  56-57
  5.4 信号分析与处理  57-64
    5.4.1 频谱分析  57-58
    5.4.2 信号预处理  58-59
    5.4.3 补偿滤波  59-64
  5.5 本章小结  64-66
第6章总结与展望  66-68
  6.1 总结  66
  6.2 展望  66-68
参考文献  68-72
发表论文和参加科研情况  72-73
致谢  73-74

涡轮叶片热障涂层结构状态超声检测方法研究

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