[发明专利]一种热障涂层损伤模式自动识别的声发射信号分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热障涂层损伤模式自动识别的声发射信号分析方法，属于热障涂层失效无损实时检测技术领域。

背景技术

热障涂层的概念于1953年由美国的NASA研究中心提出，它是一种具有非常低的热传导系数和优良的抗高温氧化性能的陶瓷涂层，通过粘结层沉积在耐高温金属或合金的表面，有效的将高温金属或合金与高温燃气隔绝开来，用以降低高温部件或合金的表面工作温度，使其免受高温燃气的腐蚀和冲蚀，大大延长了高温金属或合金的使用寿命，进而提高航空发动机的燃气温度和热效率。这一概念提出后立即引起了世界各国国防、高校和研究机构的高度关注，经过几十年的高速发展，其应用已使燃气发动涡轮机的使用温度大幅度提升，成为高性能航空发动机的关键技术之一。美国Connecticut大学的Jordan教授于2002年在《Science》上指出：热障涂层是最急需应用在航空发动机和工业涡轮机内高温部件的一种涂层。但他同时也指出：热障涂层是所有涂层系统中最复杂的一种结构，其失效问题是急需解决的关键问题。基于航天航空这一工作环境的特殊性，设计师们按照“尽量保证热障涂层在极高的安全系数下工作”的原则来设计，浪费了大量的人力和财力。尽管如此，热障涂层发生不可预知的涂层开裂、脱落仍然是航空发动机致命的威胁。因此，热障涂层领域著名科学家Hutchinson在第22届国际理论与应用力学大会(2008年8月在澳大利亚阿德莱德举行)的开幕式报告上再一次呼吁：失效问题仍是热障涂层急需解决的关键与挑战问题。

由于陶瓷层与基底材料在力学、物理性能上存在巨大的差异，加上复杂的结构、界面耦合机制以及界面氧化机制，热障涂层的失效行为非常复杂，我们很难将各种因素都全面考虑来建立一个目前大家都公认的理论模型来预测热障涂层的失效程度。如果能对其失效过程进行实时或原位的无损检测，即直接的“看”损伤在制备或服役过程中形成、演化的过程，则能为正确的理解其失效行为提供直接的依据和指导。Jordan和Hutchinson在他们的文章和报告中都指出：实时、原位、无损的测试方法将是热障涂层失效问题研究的可行方法和手段。对热障涂层的实时观测，工程界和学术界最想知道的是“热障涂层在什么时候，什么位置，发生了什么形式的失效”，但是上面提到的这些方法都还无法完整回答这一关键问题。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，也不管失效的形式多么复杂，在产生变形或失效时，必然伴随能量的变化也就是说会释放出应变能，从而产生应力波也就是声发射信号，而且，因为失效在材料中所处的位置、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。所以，我们利用声发射技术采集这些信号，从信号的分析方法入手，找出各种失效的信号特征，将有可能实现热障涂层失效过程的实时检测，为研究其失效行为提供有效途径。

作为一种动态测量技术，声发射只能回答出材料在什么时候发生了破坏，但无法回答声发射源是界面裂纹、涂层中的裂纹或其它的失效模式。对于回答“在什么位置、出现什么形式、什么程度的失效”这一关键问题的研究还处于探索阶段。由于界面裂纹会直接导致涂层的脱落，因而它引起热障涂层失效的程度比涂层中的裂纹严重得多。因此，不同失效模式的损伤对热障涂层服役寿命的影响是不同的。我们认为解决失效模式的识别问题是实现声发射实时检测的根本。在我们前期的发明专利“热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法”中，通过对热障涂层损伤声发射信号进行小波变换，提取小波能谱系数作为声发射信号的特征参数，识别出了热障涂层表面垂直裂纹、界面裂纹两种失效模式。但是，该方法需要对每一个损伤声发射信号进行小波变换、能谱系数计算，然后采用人工逐一识别的方法对损伤声发射信号进行模式识别。然而，在热障涂层某一载荷作用下的失效过程中，会释放出大量的声发射信号。因此，对单个信号的分析必耗费大量人力，且分析具有一定的滞后性。因此，在上一发明专利的基础上，我们进一步改进了声发射信号小波能谱特征参数的提取方法，采用小波包分析提高了模式识别频率空间的精度。更重要的是，发展了热障涂层声发射信号模式自动识别的BP网络算法，实现了热障涂层失效模式的智能识别，不仅为热障涂层失效过程的声发射实时检测提供了可信的方法，同时为热障涂层的寿命预测提供了直接的依据。

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模式自动识别的声发射信号分析方法。本发明可以实现热障涂层损伤的实时检测、并能实现热障涂层损伤模式的自动识别。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤:

1)通过声发射传感器采集热障涂层样品损伤声发射信号；