基于同步辐射CT技术研究涡轮叶片热障涂层的三维结构

Thermal barrier coatings(TBCs) is the key technology of high temperature protective coating of turbine blade in advanced aero engine, with typical layered structure characteristics, and thermally grown oxide(TGO) structure produced by high temperature oxidation of thermal barrier coatings, there is an urgent need for three-dimensional imaging method that will nondestructive research the internal structure of thermal barrier coatings. Conventional duplex layer structure thermal barrier coatings consist of a ceramic, heat-isolative topcoat with 100 micrometers thickness and a bond coat with 100 micrometers thickness, high resolution three-dimensional imaging of thermal barrier coatings of turbine blade will be investigated by synchrotron radiation computed tomography(CT) and micro-CT in this project, it is expected to establish a method for three dimensional layered structure characterization of thermal barrier coatings. This project will focus on synchrotron radiation CT and micro-CT imaging of thermal barrier coatings, three dimensional structure analysis and characterization, structure analysis of TGO, including: three-dimensional structure of thermal barrier coatings can be reconstructed with high resolution, and a three-dimensional structural analysis model of thermal barrier coatings will be established. Feature segmentation, extraction and analysis for different layer structure of coating, including the analysis of pore, porosity, thickness, interface morphology characteristics. Microstructure analysis of TGO, including synchrotron radiation CT and micro-CT imaging of TGO structure, thickness, growth behaviors and three-dimensional morphology extraction and visualization of TGO, and so on. Research results may be used to better control the quality of thermal barrier coating, and lay foundation for relation between structure and property of thermal barrier coating.

热障涂层是先进航空发动机涡轮叶片的高温防护关键技术，具有典型的层状结构特征，且热障涂层服役过程中高温氧化产生热生长氧化物(TGO)结构，其研究迫切需要三维成像方法无损地探知热障涂层内部结构。本项目针对陶瓷隔热层和粘结层厚度分别为100μm左右的双层结构热障涂层，拟采用同步辐射CT和微米CT对涡轮叶片热障涂层开展系统的高分辨率无损三维成像研究，以期建立一种热障涂层三维层状结构表征的方法。重点研究热障涂层同步辐射CT和微米CT成像、三维结构分析及表征、TGO结构分析，包括：高分辨率重建热障涂层的三维结构，构建三维结构分析模型；热障涂层不同层结构特征分割、提取与分析，包括孔隙、孔隙率、厚度、界面形貌等特征分析；TGO微结构分析，包括TGO结构的CT成像方法、厚度分析、生长行为研究、三维形态提取与可视化关键问题研究等。研究结果可用于控制热障涂层质量，为热障涂层的结构与性能之间的关系研究奠定基础。

热障涂层是高推重比航空发动机涡轮叶片高温防护关键技术之一，具有典型的层状结构特征。热障涂层的三维结构对其性能有非常重要的影响，直接影响涂层的使用寿命。.(1) 采用三维X射线显微镜三维成像方法获得了高分辨率的APS热障涂层层状结构CT图像，用三维分割与提取方法得到了陶瓷隔热层、粘结层和基体的三维形貌，定量分析了厚度、孔隙尺寸、孔隙数量及孔隙率等热障涂层重要表征参数。.(2) 采用三维X射线显微镜对高温氧化后的APS热障涂层进行0.5µm高分辨率CT三维重建，获得了热障涂层三维结构，陶瓷隔热层呈片层状分布。实现了TGO三维结构的提取，揭示了TGO薄层状结构分布，测定了TGO厚度。建立了基于真实TGO三维结构的热障涂层有限元热应力分析模型，分析了真实TGO三维界面形貌对APS热障涂层热应力的影响。.(3) 对高温氧化48h后的EB-PVD热障涂层进行FIB-SEM三维成像，实现了柱间孔隙和TGO三维结构的分割提取，获得了陶瓷层内柱间孔隙结构和TGO附近微裂纹分布。建立了基于真实柱间孔隙三维分布和TGO三维结构的EB-PVD热障涂层有限元热应力分析模型，分析了真实柱间孔隙三维分布和TGO三维结构对EB-PVD热障涂层热应力的影响。结果发现，应力集中在孔隙尖端和边缘处，粘结层与TGO交界线处的应力分布总体大于陶瓷层与TGO交界线处的应力分布。.(4) 对EB-PVD热障涂层进行分辨率为0.5μm的微米CT三维成像，获得了层状结构高分辨率CT图像，陶瓷隔热层呈柱状晶结构。通过对微米CT三维成像后的EB-PVD热障涂层进行三维分割，得到了EB-PVD热障涂层各层三维结构，并实现三维可视化，对各层结构进行厚度、孔隙率和表面粗糙度分析。基于真实TGO三维形貌建立了三维有限元热应力分析模型，分析了蠕变、循环次数、温度分布和TGO/粘结层界面处曲率对热应力的影响。结果表明：TGO内的热应力大于陶瓷层和粘结层中的应力，陶瓷层/TGO界面的应力要比TGO/粘结层界面的应力小，TGO/粘结层界面凸起位置拉应力较大。.(5) 采用上海光源同步辐射CT对不同高温氧化时间的EB-PVD热障涂层进行分辨率为1μm的三维成像，获得了层状结构CT图像，由于环形伪影影响严重，严重降低了成像质量，成像结果不如微米CT成像效果。.研究结果表明，微米CT是热障涂层三维结构分析的有效手段。