[发明专利]热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法。

背景技术

热障涂层是一种陶瓷涂层，具有非常低的热传导系数和优良的抗高温氧化能，它通过粘接层沉积在耐高温金属部件或合金的表面，有效的将高温部件(合金)与高温燃气隔绝开来，以降低高温部件的表面工作温度，并保护高温部件免受高温燃气的腐蚀和冲蚀，大大延长高温部件的使用寿命，进而提高航空发动机燃气温度和热效率，是现代航空发动机的关键技术之一，有着很好的应用和发展潜力。美国康涅狄格州大学的Nitin，Gell和Jordan于2002年在国际权威杂志<Science>上这样描述热障涂层的重要性：“许多种不同类型的涂层被用来保护结构工程材料远离腐蚀、摩擦和冲蚀环境，并提供润滑和隔热保护作用。其中热障涂层系统是所有涂层系统中最复杂的一种结构，也是最急需应用在航天器和涡轮机高温部件环境中的一种涂层”。然而热障涂层在实际使用过程中会出现无法预知的涂层开裂、界面分离、涂层脱落等一系列失效形式，为什么热障涂层会失效？热障涂层的失效机理是什么？如何检测与预测失效发生的时间和地方？如何防止失效？这一系列的问题在各国航天航空制造领域和国防防御中日益突出，也是严重制约热障涂层技术广泛应用的瓶颈问题。

由于热障涂层结构复杂、其失效行为除了与其本身的力学性质有关外，还与表面效应、尺寸效应、界面效应以及基底的力学性能密切相关。要探讨并回答这些问题，最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的实际工作环境进行实验模拟，同时实现对热障涂层整个失效过程的实时检测。这是因为，相对于发展新的、复杂的理论工具以及破坏实验方法来说，对热障涂层失效过程的实时无损检测更直接、方便，它不仅能克服在理论分析中“顾此失彼”的问题，即不能将所有影响热障涂层失效行为的因素完全考虑，而且也避免了传统的破坏实验中所丢失的损伤形成、演化以及最终失效过程等关键信息。因此，发展实时无损检测方法，实现热障涂层失效过程的无损检测，为热障涂层失效机制的理解以及寿命预测提供直接的依据和指导。因此，“热障涂层损伤及其失效过程的实时检测技术”为高效率应用热障涂层、减少灾难性的事故，促进国民经济的增长成为可能，具有重要的学术意义和工程应用价值。

声发射是指材料在受外界作用下变形或断裂时，因迅速释放(弹性)能量而产生瞬态应力波的一种现象。采集、分析这些应力波信号并利用这些信号来推断变形或断裂源信息的技术称为声发射技术，该技术具有动态的、无损的、实时的检测特点。我们知道，不管材料的结构和形状多么复杂，不管其受载状态和服役环境多么复杂，也不管其损伤和失效的形式多么复杂，在产生变形和损伤的过程中，总会伴随着能量的变化也就是说会释放出畸变能，从而产生应力波也就是声发射信号；而且，因为损伤在材料中所处的位置、结构不同，形成或扩展的方式不同，其产生的应力波信号总会存在或多或少的差异。因而，声发射检测技术将是实现热障涂层失效过程实时检测的一种重要的实验手段和方法。但是，面对热障涂层复杂多样的失效，如何识别失效形式，如何定量损伤演化，如何确定损伤源的位置是目前声发射检测技术面临的巨大难题。特别的是，对于服役在高温环境下的热障涂层，实现其在实际的高温服役环境下失效过程的实时检测对研究其失效机制尤为重要，但是目前还没有报道这方面的研究进展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时无损检测方法。本发明可实现常温下热障涂层损伤的声发射信号检测、损伤的定性、定量与定位分析；并能实现高温环境下热障涂层损伤的声发射信号检测及其定性与定量分析。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)将热障涂层样品和声发射传感器连接、耦合；

2)对热障涂层样品施加载荷，声发射传感器接收样品中发出的声波信号；

3)将接收的声波信号进行小波变换，得到小波能谱系数分布图，将其与已经确定损伤模式的特征能谱系数分布图相比较，判断热障涂层损伤声波信号的损伤模式；

4)统计每一种损伤产生的声发射信号事件数，得出事件数随施加载荷变化的经验公式。

5)提取出小波能谱系数最大值所对应的小波分解尺度下的信号分量，用相关性分析方法计算出这一信号分量到达各个传感器之间的时间差，然后采用传统的时差定位方法，确定损伤源的位置。

本发明中对声发射信号进行小波变换的原理如下：

设ψ(t)∈L²(R)其傅立叶变换为当满足允许条件时：