热障涂层结构性能及健康状况微波无损检测方法研究

热障涂层（TBC），由于其隔热性好，抗氧化，耐腐蚀等优点，已被应用在发动机转子叶片等热端部件上。由于其制造工艺复杂，影响涂层质量的因素较多，不同的工艺参数会导致涂层性能存在较大差异，且在役过程中热生长氧化层（TGO）及萌生的裂纹会随着热循环逐渐劣化，进而扩展导致分层剥落，并最终失效。因此，研究热障涂层的结构性能检测及健康监测具有重要的学术意义和工程实用价值。本项目提出一种高频、宽带、高分辨率，适合热障涂层多参数综合检测的微波/亚毫米波无损检测方法。重点研究热障涂层的结构性能及健康状况的微波参数表征，包括：微波在热障涂层结构中的传播特性分析及热障涂层结构性能参数微波检测的模型建立与表征；微波检测参数及方法的优化设计，包括优化设计波导、提离距离、工作频率及检测方法等；微波逆散射成像方法及毫米波检测的关键问题研究等，为研究TBC的制造工艺、分析其失效原因，检测和评定TBC结构奠定必要的基础。

热障涂层，由于其隔热性好，抗氧化，耐腐蚀等优点，已经被广泛应用到发动机的涡轮叶片等热端部件上。热障涂层在制备过程中，制备工艺复杂，其工艺参数变化会直接影响热障涂层的厚度和孔隙率等结构性能，而其结构性能又直接影响其热障效果。因此，研究热障涂层的结构性能检测及健康监测具有重要的学术意义和工程实用价值。.本项目针对热障涂层结构特点，采用微波无损检测技术对涂层进行了结构性能检测研究。 其主要工作如下：.(1) 建立了微波反射系数法检测热障涂层的理论模型。通过对理论模型的计算可知，利用微波信号的反射系数可以表征热障涂层中各介质层的厚度、与介电常数有关的物理特性、合金层表面的健康状况以及各层间的脱粘状况等。理论模型的研究表明，在检测中探头的特性、工作频率以及提离距离会影响检测灵敏度。.(2) 规则波导探头的参数敏感性分析。根据微波在波导中的传输条件，确定了波导中单模传播时波导尺寸与工作频率间的对应关系，以简化微波检测过程中模态分析的过程。根据微波在不同形状波导中的传播特点，以及检测空间分辨率的要求，分析了如何根据工作频率选择合适的波导探头；并分析了波导探头法兰对检测结果的影响。.(3) 微波检测热障涂层时检测参数的优化研究。利用CST微波工作室仿真软件对检测过程中工作频率和提离距离等参数进行了优化设计。在接触式检测中，主要对检测的工作频率进行了优化设计，根据优化的工作频率选择合适的波导探头进行无损检测以达到较高的检测灵敏度；在非接触式检测中，主要对提离距离进行了优化设计，为扫描检测时提离距离的选择奠定了理论基础。.(4) 微波检测热障涂层的试验研究。根据检测参数优化结果，利用网络分析仪E8363C对热障涂层的厚度和孔隙率进行了微波无损检测试验研究。研究结果表明：利用微波信号的反射系数相位差,在检测工作频率范围内可以很好地表征热障涂层厚度的变化;在敏感工作频率处，可以表征热障涂层孔隙率的变化。并对微波检测结果进行了标定。.(5) 热障涂层健康状况的毫米波无损检测研究。选用了多种型号的终端开口矩形波导作为探头，在毫米波波段对热障涂层系统中常见的缺陷进行了无损检测研究，检测中利用信号的反射系数相位差来表征被检测参数的变化。在毫米波段可以实现对热障涂层中裂缝、脱粘和TGO层的微波无损检测；利用高频率段的探头进行检测可以明显提高检测灵敏度。