航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展是國防科技水平的重要體現(xiàn),熱障涂層由于隔熱性能佳,可以有效保護(hù)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片,減少其受熱氣流沖擊。熱障涂層在制備完成時內(nèi)部就包含一定的孔隙,這些孔隙結(jié)構(gòu)可以幫助其提高隔熱效率。然而,在服役過程中熱障涂層的孔隙會發(fā)生變化,尤其是火山灰高溫腐蝕會對孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。火山灰被吸入發(fā)動機(jī)后會變成熔融狀態(tài)滲透進(jìn)熱障涂層中,改變涂層孔隙結(jié)構(gòu),從而影響涂層的隔熱性能和力學(xué)性能等,分析火山灰腐蝕誘發(fā)的孔隙變化是分析熱障涂層剝落的重要途徑。X射線計算機(jī)斷層掃描(CT)是一種微觀結(jié)構(gòu)探索的方法,具有無損、三維、高分辨率等特點(diǎn),因此有望成為熱障涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析的有效手段。本課題基于CT表征方法,以大氣等離子噴涂熱障涂層為研究對象,運(yùn)用圖像形態(tài)學(xué)的處理方法,得到了熱障涂層孔隙的分布特點(diǎn),分析了火山灰腐蝕導(dǎo)致孔隙演化的規(guī)律,并結(jié)合幾種常用孔隙檢測手段對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。主要研究內(nèi)容有:(1)提出了一種圖像分割處理的方法。熱障涂層內(nèi)部孔隙繁多,體積小,且與樣品的界限不明顯,常用的單一閾值分割法不能完整地將孔隙從樣品中分割出來。經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn),頂帽法這種圖像形態(tài)學(xué)處理方法在可以很好地識別圖像的細(xì)節(jié)部分,能識別出熱障涂層中的絕大部分孔隙。對于部分未識別的則采用區(qū)域生長法補(bǔ)全,兩種方法結(jié)合能將孔隙從熱障涂層樣品中完整提取出來。通過這種方式對熱障涂層內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重構(gòu)。(2)研究了火山灰高溫腐蝕對熱障涂層內(nèi)部孔隙的尺寸、形狀、孔隙率演化規(guī)律的影響。在孔隙尺寸方面,火山灰在熔融滲透進(jìn)陶瓷層的過程中主要填充的是半徑在3μm以下的孔隙;在孔隙形狀方面,火山灰腐蝕會使孔隙形態(tài)由規(guī)則向不規(guī)則轉(zhuǎn)變,腐蝕溫度越高,孔隙越不規(guī)則,火山灰涂覆量對孔隙球形度造成的影響較小;在孔隙率方面,火山灰腐蝕樣品比原始涂層低,孔隙率隨著涂覆量增多而降低,隨著腐蝕溫度上升而降低。(3)結(jié)合壓汞法、SEM法、超聲掃描顯微鏡法三種檢測手段與CT法做對比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),壓汞法、SEM法的檢測數(shù)據(jù)與CT法基本一致。但是壓汞法只能得到累加的孔隙分布值,SEM法只能分析某個截面的孔隙分布信息,且兩種方法都對樣品造成不可逆的傷害。由于超聲波在進(jìn)入多孔熱障涂層樣品時散射嚴(yán)重,超聲波掃描顯微鏡還不能滿足檢測熱障涂層。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V263
【部分圖文】：

熱障涂層通常由兩個金屬層：基底（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、粘結(jié)層（Ｂｏｎｄ邋Ｃｏａｔ）和兩個非逡逑金屬層：頂部陶瓷層（Ｃｅｒａｍｉｃ邋Ｔｏｐ，簡稱ＴＣ）、氧化層（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ邋Ｇｒｏｗｎ邋Ｏｘｉｄｅ，逡逑簡稱ＴＧＯ）組成，其結(jié)構(gòu)如圖１．１所示。逡逑＂＾２邋基底邋粘結(jié)層邋陶瓷層邐￥冷卻氣膜．逡逑涂覆了熱障涂層贈Ａ邐ｉ？１００卩ｍｉ邋１００－４００以ｍ邋｜邋｜逡逑的潤輪葉片邋＾邋ｙ邋ｍｍ邋■邋ｍｍｉ逡逑，ａ邋ｍｍ－，逡逑ｔ逡逑、、、＇邋ｌ邋１００逡逑距離逡逑圖１．１熱障涂層系統(tǒng)構(gòu)成橫截面圖ｗ逡逑基底的作用主要是承受發(fā)動機(jī)工作時的機(jī)械載荷，常用的材料是鎳基或鈷基逡逑高溫合金。頂部陶瓷層的厚度約３００邋ｎｍ，主要用來限制外界熱源與基底的熱傳逡逑導(dǎo)，主要材料為氧化釔（Ｙ２0３）部分穩(wěn)定的氧化鋯（Ｚｒ0２），即ＹＳＺ，其中Ｙ２Ｏ３的逡逑質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為７％？８％。粘結(jié)層是一種厚度為１００？１５０的金屬結(jié)構(gòu)，通常逡逑選用的材料為ＭＣｒＡｌＹ合金（其中Ｍ為Ｎｉ、Ｃｏ或Ｎｉ－Ｃｏ合金）材料。粘結(jié)層可以逡逑提高金屬基底與頂部陶瓷層的結(jié)合性能，緩解兩層之間熱、力學(xué)參數(shù)如熱膨脹系逡逑數(shù)、熱應(yīng)力等的不匹配，還能提高涂層的抗氧化性能。在高溫服役過程中，粘結(jié)逡逑層中的Ａ１與來自外界的0２反應(yīng)

＿Ｌ邐［？｜逡逑圖１．２電子束物理氣相沉積手段原理示意圖逡逑電子束輔助物理氣相沉積（ＥＢ－ＰＶＤ）法的主要過程是：利用真空泵組將設(shè)備逡逑沉積室內(nèi)壓力抽至１0－３邋Ｐａ以下，達(dá)到沉積所需的高真空狀態(tài)。在電子槍燈絲兩逡逑端加以高電壓，從通電燈絲發(fā)射出的電子經(jīng)聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)磁場的作用后會形成逡逑可控電子，照射到塊狀靶材上。在電子束能量的加熱下靶材上表面形成溶池，靶逡逑材材料隨后汽化成為蒸汽狀態(tài)，汽化后的靶材材料以原子或分子的狀態(tài)在真空環(huán)逡逑境下向上沉積到被加熱的基底上。其制備原理如圖１．２所示。逡逑噴涂材料逡逑｜邐熱噴涂涂層邋ｆ媜逡逑理逡逑噴槍邐噴涂流邐￥逡逑氣體或其他工邐ｆ逡逑藝介質(zhì)邐＋逡逑邐？逡逑圖１．３等離子噴涂原理示意圖逡逑３逡逑

照射到塊狀靶材上。在電子束能量的加熱下靶材上表面形成溶池，靶逡逑材材料隨后汽化成為蒸汽狀態(tài)，汽化后的靶材材料以原子或分子的狀態(tài)在真空環(huán)逡逑境下向上沉積到被加熱的基底上。其制備原理如圖１．２所示。逡逑噴涂材料逡逑｜邐熱噴涂涂層邋ｆ媜逡逑理逡逑噴槍邐噴涂流邐￥逡逑氣體或其他工邐ｆ逡逑藝介質(zhì)邐＋逡逑邐？逡逑圖１．３等離子噴涂原理示意圖逡逑３逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2824480