CN113094888A - 一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法及装置，其中，预测方法包括：基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态。本发明能够有效地对热障涂层的寿命进行预测，并对损伤进行分析，为涂层材料的改进和设计提供准确依据。
Description
技术领域
本发明涉及高性能航空发动机技术领域，特别涉及一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法及装置。
背景技术
热障涂层是航空发动机、燃气轮机必不可少的热防护材料，但因涂层剥落瓶颈至今没有实现其在工作叶片上的安全应用。研制工作叶片热障涂层服役环境与高速旋转状态试验平台，并发展实时检测的疲劳损伤与寿命预测技术，是解决剥落失效的有效途径，也是这一研究领域的国际制高点与封锁点。
涂层剥落只是最终结果，在高温、冲蚀、CMAS腐蚀等服役环境作用下，热障涂层会发生界面氧化、烧结、相变、腐蚀、成分与微结构演变以及裂纹等多种失效形式。涂层与界面结构的演变、裂纹萌生与扩展、界面脱层的发生等关键损伤过程是理解破坏机制的关键，所以，现有技术很难准确对热障涂层的寿命进行准确预测。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种科准确预测热障涂层的寿命的高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法及装置。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法，包括：基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；其中，所述服役环境包括对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的剪切应力。本实施方式提供的一种涡轮叶片热障涂层高速旋转服役模拟过程中疲劳损伤与寿命预测方法，考虑不同失效形式对应失效结果的差异，建立基于界面应力-内部裂纹-表面应变的多重失效准则协同预测物理模型。能够有效地对热障涂层的寿命进行预测，并对损伤进行分析，为涂层材料的改进和设计提供准确依据。
可选地，涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法还包括：获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态。
可选地，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，包括：在所述热障涂层的外表面粘贴第一应变组件和热电偶以检测所述热障涂层的已知表面应变和服役温度，优选地，所述第一应变组件粘贴于所述热障涂层的形变最大处；检测所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射事件数；检测所述热障涂层的脱落面积的比例是否达到极限，若达到极限，则热障涂层的已知失效状态为已失效。
可选地，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，还包括：在试片上的外表面粘贴第一补偿应变组件，将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的温度场中，用于检测所述第一应变组件在服役温度中的应变；其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第一补偿应变组件和所述第一应变组件的型号相同。
可选地，涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法还包括：获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态。
可选地，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，包括：将第二应变组件粘贴于所述粘接层上后，再喷涂所述热障涂层，以检测所述已知界面应力。
可选地，所述第二应变组件包括第一应变片、第二应变片和第三应变片；所述第一应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第一方向的第一线应变；所述第二应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第二方向的第二线应变；所述第三应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第三方向的第三线应变。
可选地，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，还包括：在试片上的粘接层粘贴第二补偿应变组件，再喷涂所述热障涂层；将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的服役温度中，用于检测所述第二应变组件在环境温度中的应变；其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第二补偿应变组件和所述第二应变组件的型号相同；所述第二补偿应变组件包括：第一补偿片，用于检测所述第一应变片在第一方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第一应变片检测到的线应变结合，以得到所述第一线应变；第二补偿片，用于检测所述第二应变片在第二方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第二应变片检测到的线应变结合，以得到所述第二线应变；第三补偿片，用于检测所述第三应变片在第三方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第三应变片检测到的线应变结合，以得到所述第三线应变。
可选地，所述已知界面应力的大小为εmax＝1/2{(εx+εy)+[2(εx-εu)2+2(εu-εy)2]1/2}；所述已知界面应力的角度为tg2θ＝(2εu-εx-εy)/(εx-εy)；其中，εx为第一线应变，εy为第二线应变，εu为第三线应变；所述第一方向垂直于所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第二方向为所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向分别呈45°。
可选地，获取所述涡轮叶片的热障涂层在不同服役温度下的最大界面应力；若所述已知界面应力大于对应服役温度下的所述最大界面应力，则所述热障涂层的已知失效状态为已失效。
可选地，所述服役温度为恒温或变温；所述服役转速为恒定转速或变转速。
本发明的第二方面提供了一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测装置，包括：
模型建立模块：用于基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；其中，所述服役环境为对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；预测模块：用于基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的应力。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种涡轮叶片热障涂层高速旋转服役模拟过程中疲劳损伤与寿命预测方法，考虑不同失效形式对应失效结果的差异，建立基于界面应力-内部裂纹-表面应变的多重失效准则协同预测物理模型。能够有效地对热障涂层的寿命进行预测，并对损伤进行分析，为涂层材料的改进和设计提供准确依据。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法的流程图；
图2是本发明第一实施方式的第二应变组件粘贴于涡轮叶片热障涂层上的示意图；
图3是本发明第一实施方式的是等效离心力作用下的高温对粘拉伸试验示意图；
图4是表示最大界面应力与已知界面应力差值的曲线图；
图5是涡轮叶片热障涂层的表面疲劳应力波形与表面应变幅度的直方图；
图6是基于声发射事件数的损伤累计曲线图；
图7为完好状态的涡轮叶片热障涂层(a)和失效的涡轮叶片热障涂层(b)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
第一实施方式
图1是本发明第一实施方式的高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法的流程图。
参见图1，本实施方式提供了一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法，包括：基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；其中，所述服役环境包括对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的剪切应力。其中，热障涂层一般为陶瓷层，基底可为高温合金基底，优选为镍基合金基底。
在一可选实施例中，涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法还包括：获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态。具体来说，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，包括：在所述热障涂层的外表面粘贴第一应变组件和热电偶以检测所述热障涂层的已知表面应变和服役温度；检测所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射事件数；检测所述热障涂层的脱落面积的比例是否达到极限，若达到极限，则热障涂层的已知失效状态为已失效。优选地，所述第一应变组件粘贴于所述热障涂层的形变最大处，以更好的检测表面应力。
在一可选实施例中，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，还包括：在试片上的外表面粘贴第一补偿应变组件，将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的温度场中，用于检测所述第一应变组件在服役温度中的应变；其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第一补偿应变组件和所述第一应变组件的型号相同。
在一可选实施例中，高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法还包括：获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态。
在一可选实施例中，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，包括：将第二应变组件粘贴于所述粘接层上后，再喷涂所述热障涂层，以检测所述已知界面应力。其中，将第二应变组件预埋于热障涂层下方，与粘接层粘贴在非预埋区域的热障涂层表面粘贴第一应变组件和热电偶。
图2是本发明第一实施方式的第二应变组件粘贴于涡轮叶片热障涂层上的示意图。
参见图2，在一可选实施例中，所述第二应变组件包括第一应变片、第二应变片和第三应变片；所述第一应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第一方向的第一线应变；所述第二应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第二方向的第二线应变；所述第三应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第三方向的第三线应变。其中，第一应变片、第二应变片和第三应变片为超高温电阻应变片。可选地，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，还包括：在试片上的粘接层粘贴第二补偿应变组件，再喷涂所述热障涂层；将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的温度场中，用于检测所述第二应变组件在环境温度中的应变；其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第二补偿应变组件和所述第二应变组件的型号相同；所述第二补偿应变组件包括：第一补偿片，用于检测所述第一应变片在第一方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第一应变片检测到的线应变结合，以得到所述第一线应变；第二补偿片，用于检测所述第二应变片在第二方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第二应变片检测到的线应变结合，以得到所述第二线应变；第三补偿片，用于检测所述第三应变片在第三方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第三应变片检测到的线应变结合，以得到所述第三线应变。
在一可选实施例中，所述已知界面应力的大小为εmax＝1/2{(εx+εy)+[2(εx-εu)2+2(εu-εy)2]1/2}；所述已知界面应力的角度为tg2θ＝(2εu-εx-εy)/(εx-εy)；其中，εx为第一线应变，εy为第二线应变，εu为第三线应变；所述第一方向垂直于所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第二方向为所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向分别呈45°。
在一可选实施例中，考虑温度补偿的单轴的应力根据公式ε＝σ/E+α△T求得，其中E为热障涂层杨氏模量，应变片和对应补偿片的电阻温度系数为α，△T为从环境温度到服役温度的变化量，ε为应变仪测量出来的微应变。具体通过公式，由补偿片计算出应变片随温度的改变产生的应变，进而得到应变片的由界面应力带来的应变。
在一具体实施例中，首先制备出含有镍基合金基底、粘结层、陶瓷层的热障涂层体系涡轮叶片与试片若干；加工完镍基合金基底并喷涂粘结层后，将3个超高温电阻应变片(即第二应变组件)以45°直角应变花形式组合粘贴在粘结层上，随后进行陶瓷层喷涂；最后在陶瓷层表面的应力最大区域，继续粘贴第一应变组件与热电偶以备后续试验。本实施例所用第一应变组件为应变片，应变片为丝绕式超高温电阻应变片，因为此丝绕式的圆柱型光栅金属丝具有更好的粘合性能，应变片光栅厚度5-10μm，粘结层的成分为NiCrAlYP喷涂厚度为80um，热障涂层选择电子束物理气相沉积(EB-PVD)喷涂方式，喷涂厚度为100μm远小于应变片厚度，EB-PVD喷涂过程中基底加热温度为800摄氏度，远小于应变片最高工作温度1150℃。具体地，试片与涡轮叶片热障涂层的制备过程中所有工艺参数保持一致，试片上粘接的第一补偿组件和第二补偿组件的在试片上的位置，与第一应变组件和第二应变组件在涡轮叶片热障涂层上的位置是一样的。
其中，所有应变片粘贴前都需对粘结层和/或陶瓷层表面使用脱脂剂、清洁剂、中和剂等做表面清洁处理以充分保证应变计的粘贴牢固性，然后再进行高温陶瓷胶的预喷涂固化、应变片的粘贴固化、陶瓷胶覆盖性的最终喷涂固化等；预喷涂固化指对清洁过后的基底喷涂一层高温陶瓷胶并加热固化处理以利于充分粘贴，陶瓷胶覆盖性的最终喷涂固化指对粘在基底表面的应变片再次喷涂高温胶保证粘贴的牢固性。
每个应变片都有对应的补偿片，补偿片安装在试片上以进行温度补偿，应变片粘贴在旋转的热障涂层表面或者承受热、力载荷，补偿片放在燃烧室内粘贴在同材料、同工艺、同参数的热障涂层试片表面只承受热载荷；每个旋转的应变片信号线经导电滑环引出后都与自己的补偿片引线连接，组成半桥的测量电路后，接入电阻应变仪，通过应变花计算公式得出覆盖平面范围内粘结层界面的最大剪应力及其方向。原因是应变片受力或变温后，长度、横截面积都将发生改变，但是我们想检测应变，故采用故需采用粘贴补偿片的方式对电阻应变片进行温度补偿，去除温度或是温度变化的对应变的影响，使检测出来的数值只跟应变有关。具体的，要实现完全补偿，必须满足以下四个条件：1.应变片工作过程中，保证应变片与补偿片电阻相等，保证R1＝R2＝120Ω；2.应变片与补偿片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初始电阻值；3.粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同；4.应变片与补偿片处于同一温度场。
图3是本发明第一实施方式的是等效离心力作用下的高温对粘拉伸试验示意图。
参见图3，在一可选实施例中，获取所述涡轮叶片的热障涂层在不同服役温度下的最大界面应力；若所述已知界面应力大于对应服役温度下的所述最大界面应力，则所述热障涂层的已知失效状态为已失效。可选地，可通过高温拉伸机的对粘拉伸试验对试片施加等效离心力，施加等效离心力是为了模拟高温、高速旋转过程中涡轮叶片即热障涂层基底所处的应力场，以更为真实的模拟试车过程中热障涂层所处的温度场与应力场，进而真实反馈出不同服役温度下涂层的界面结合强度大小。具体来说，所述试片朝上平放于试验台，拉伸机施加对应保温温度下的横向载荷，直径φ30mm对粘拉头对试片匀速缓慢施加径向载荷直至拉伸失效；
具体的，结合服役温度0－1300℃，涡轮叶片转速n＝0-15000转/分，本实施案例下通过调节点燃的喷枪数量以及每把喷枪的燃油比使温度升高的同时转速同步提高，进而模拟发动机内部真实工况；涂层不同温度时涡轮叶片转速(离心力)等参数控制如下表1，工作叶片涡轮模型重心半径r＝200mm，涡轮叶片质量m＝20kg，经过公式F＝mv2/r计算可得到对应温度下基底承受离心力的模拟值，其中，v＝2πrn；
具体的，由于工作状态下热障涂层温度几乎不可能低于800℃，在本实施例中，800℃以下数据视为降温减速过程，此时降低空燃比、点燃的喷枪数量降为0-3把，在此状态下，多把超音速燃气喷枪依次熄火，配合实现降温减速过程；同理，800℃以上视为升温提速过程，此时提高空燃比、点燃的喷枪数量为4-6把，在15000转/分、1300℃极限状态下6把超燃喷枪同时点燃、空燃比调到最高。
表1不同温度保温时等效离心等试验参数配合情况
根据断裂时拉伸载荷F与拉头面积A，根据公式δ＝F/A计算得到不同试验温度下的最大界面应力δ，每组实验需多次测量取平均值减小误差，随后拟合服役温度-粘结强度函数曲线；
建立界面脱层模型Y(σ，τ)，其中σ为试车过程中基于应变花计算得到的粘接层与陶瓷层界面应力的实时检测数值，试车中服役温度通过热电偶实时反馈，依据上述试验前拟合的最大界面应力—服役温度函数曲线，相应温度的界面粘结强度值实时导入失效准则，进而实现涡轮叶片热障涂层试车过程的失效监测；
图4是表示最大界面应力与已知界面应力差值的曲线图。
参见图4，当σ/τ＞1时，即检测到的已知界面应力大于最大界面应力，涂层存在界面脱层风险，可判定涂层已达到疲劳上限，即将剥落失效；同时参照最大界面应力-已知界面应力曲线走势，预判与X轴相交的时间点，可对疲劳损伤达到上限的时间，即寿命进行预测；
具体的，为使试验物理模型清晰明了，建立如图4所示的最大界面应力与已知界面应力差值的曲线，X轴为试验时间，y轴为最大界面应力与已知界面应力，当曲线与轴相交，此时界面应力等于界面结合强度，热障涂层即将失效。若σ/τ＞1，判定达到疲劳上限，热障涂层即将失效。此外，根据Tresca屈服准则即最大剪应力屈服条件，当最大剪应力(本实施例中的已知界面应力)达到某个临界值时，即τmax＝τy材料将开始屈服，式中τy是材料的剪切屈服应力(本实施例中的最大界面应力)；故当热障涂层的已知界面应力与界面最大粘结强度相等时涂层将达到剥落临界态，此时热障涂层面临剥落失效风险。
图5是涡轮叶片热障涂层的表面疲劳应力波形与表面应变幅度的直方图。
参见图5，在一可选实施例中，本实施例基于雨流计数法统计得交变载荷下的热障涂层疲劳应力波形,建立横坐标为应力循环幅度,纵轴为出现频次的统计结果直方图，分析不同大小的应力循环的发生次数和概率，结合应力幅的大小和出现概率,得到对应的热障涂层各阶段平均应力幅对应的实际统计损伤度进而得到热障涂层结构的总损伤度；进一步，应力波形统计为基础得损伤度可作为估算热障涂层疲劳寿命的关键参数，但不同应力幅对应损伤度的大小往往随统计样本数量的增加而整体变化，本实施例中涂层表面应变损伤参量的统计以应力幅作为关键损伤参数，依据累计损伤理论实时统计应力幅的大小，进而实现对涂层结构总应变损伤度的有效统计。其中，应力循环幅度是检测到的应变波形，波形的幅值在0-110之间，我们对0-110之间的应变幅值进行统计，统计不同区间段的幅值出现的次数，即不同范围的应变出现的频次。
图6是基于声发射事件数的损伤累计曲线图。
参见图6，在一具体实施例中，对涡轮叶片热障涂层进行恒定转速旋转状态下升降温循环模拟的失效损伤参量测定试验，同时进行声发射裂纹件数、涂层表面应变损伤的实时检测与统计，当声发射检测到的内部裂纹损伤量与涂层表面由于热力载荷作用积攒的应变损伤度达到涂层损伤剥落阀值，判定为热障涂层有剥落风险；
具体的，经过动态装置的安装调试与实时检测线路布置，启动高速旋转模拟试验装置，控制多把燃气喷枪自动在轨道上滑动进出燃烧室以模拟剥落失效最易发生的发动机叶片升降温阶段；喷枪进入燃烧室过程为升温阶段，喷枪原理燃烧室过程为降温过程，设定升温5min、降温5min为一次循环，反复进行高速旋转热障涂层热循环的加速失效试验直至涂层剥落；
图7为完好状态的涡轮叶片热障涂层(a)和失效的涡轮叶片热障涂层(b)。
参照图7,具体的，通过涂层内部声发射裂纹、涂层表面动应变检测的实时检测，累计模拟过程中动态损伤参量，计算同一涡轮盘上多个叶片涂层剥落前的声发射裂纹与应变损伤参量的累计数量，认定失效条件为剥落面积大于涂层总面积的10％，参见图7(b)；分别计算剥落时以应变能形式释放的裂纹损伤声发射信号、涂层表面应变损伤信号的累计上限；
具体的，涂层表面应变损伤参量的统计，统计交变载荷作用下不同表面应力波形的应力幅，结合应力幅的大小和出现频率,求总和预估热障涂层结构的总损伤度,进而估算其寿命。具体参见图5。
具体的，基于声发射检测的涂层内部损伤参量统计，声发射检测的涂层内部损伤参量即为声发射事件数，为统计热障涂层试车过程中产生的表面裂纹、剪切型界面裂纹、张开型界面裂纹三种裂纹损伤数量，裂纹的产生为应变能释放的过程，对产生有效裂纹的声发射事件数进行统计，可对涂层的失效剥落进行预测，试验中声发射损伤统计，如图6.
具体的，试验中同级涡轮盘上工作叶片热障涂层数量为N，叶片标号i＝1,2,3,...,N，每个涡轮叶片热障涂层对应的声发射事件累计损伤数、表面应变损伤度累计分别为ki、hi，将ki、hi作为输入信号，建立含两个节点子信号的输入神经元，由0、1构成的组合输出向量[0 1]、[1 0]，分别表示热障涂层的安全状态和危险状态；
ki、hi作为实时累计的叶片损伤量呈不断提高趋势，叶片剥落后的一段时间内仍继续试验累计剥落失效后的损伤参量，将损伤向量[ki hi]按时间顺序不断实时导入神经网络并最终以7：3比例划分为训练样本与仿真样本，与损伤向量一一对应的状态向量[0 1]或[1 0]同时导入神经网络作为输出样本；对不同工作叶片重复上述操作积累训练样本，直到均方误差达到要求，训练好的神经网络即为疲劳损伤模型；
将损伤参数导入训练好的疲劳损伤模型，当仿真样本输出向量为[1 0]时，表示综合累计损伤大于涂层承受极限，此时涂层剥落面积大于总面积的10％可判定为热障涂层已经失效。
本实施例提供一种高速旋转涡轮叶片热障涂层高速旋转服役模拟过程中疲劳损伤与寿命预测方法，在确认并反复校准损伤监测物理模型、界面脱层监测物理模型参数后，对高速旋转涡轮叶片热障涂层进行温度、转速等热力化参量随机交变状态下的试车实验与寿命预测。
具体的，对热障涂层进行的基于界面应力-裂纹-表面应变的剥落失效预测，依据神经网络的疲劳损伤物理模型，对全场裂纹损伤和应变损伤度对热障涂层进行失效监控预测，依据界面脱层监控物理模型Y(σ，τ)，对温度、转速不规律变化下的界面应力与粘接强度对热障涂层进行界面脱层失效的监控预测；
具体地，最终进行的发动机涡轮叶片热障涂层试车工况为发动机叶片真实服役状态下起飞爬坡时升温加速、下降着陆时降温减速、以及稳态巡航等工作状态；温度变化过程通过氧气流量与煤油流量配合的空燃比、同时点燃的喷枪数量控制，转速变化过程通过变频电机输入参数控制，同时基于转速、温度的协调配合可同时模拟闪避导弹、急转弯等特殊状态下发动机紧急提速、温度骤变等过程。
在一可选实施例中，所述服役温度为恒温或变温；所述服役转速为恒定转速或变转速；
其中，若对热障涂层叶片进行恒定转速下的升降温进行寿命预测，使用疲劳损伤模型进行预测较为准确，也可与界面脱层模型配合使用，两个模型中预测寿命短的模型即为该热障涂层叶片的寿命；
若对热障涂层叶片进行变转速下的升降温进行寿命预测，使用界面脱层模型进行预测较为准确，也可与疲劳损伤模型配合使用，两个模型中预测寿命短的模型即为该热障涂层叶片的寿命；
若是更复杂的情况，可将界面脱层模型与疲劳损伤模型配合使用，两个模型中预测寿命短的模型即为该热障涂层叶片的寿命。
本发明的第二方面提供了一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测装置，包括：
模型建立模块：用于基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；其中，所述服役环境为对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；预测模块：用于基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的应力。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法，其特征在于，包括：
基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；
其中，所述服役环境包括对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；
基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；
其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的剪切应力。
2.根据权利要求1所述的寿命预测方法，其特征在于，还包括：
获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态。
3.根据权利要求2所述的寿命预测方法，其特征在于，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，包括：
在所述热障涂层的外表面粘贴第一应变组件和热电偶以检测所述热障涂层的已知表面应变和服役温度，优选地，所述第一应变组件粘贴于所述热障涂层的形变最大处；
检测所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射事件数；
检测所述热障涂层的脱落面积的比例是否达到极限，若达到极限，则热障涂层的已知失效状态为已失效。
4.根据权利要求3所述的寿命预测方法，其特征在于，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，还包括：
在试片上的外表面粘贴第一补偿应变组件，将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的温度场中，用于检测所述第一应变组件在服役温度中的应变；其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第一补偿应变组件和所述第一应变组件的型号相同。
5.根据权利要求1所述的寿命预测方法，其特征在于，还包括：
获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态。
6.根据权利要求5所述的寿命预测方法，其特征在于，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，包括：
将第二应变组件粘贴于所述粘接层上后，再喷涂所述热障涂层，以检测所述已知界面应力。
7.根据权利要求6所述的寿命预测方法，其特征在于，所述第二应变组件包括第一应变片、第二应变片和第三应变片；
所述第一应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第一方向的第一线应变；
所述第二应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第二方向的第二线应变；
所述第三应变片用于检测所述涡轮叶片热障涂层第三方向的第三线应变。
8.根据权利要求7所述的寿命预测方法，其特征在于，所述获取所述涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知界面应力以及热障涂层的已知失效状态，还包括：
在试片上的粘接层粘贴第二补偿应变组件，再喷涂所述热障涂层；
将所述试片设置于与所述涡轮叶片热障涂层的服役温度相同的温度场中，用于检测所述第二应变组件在环境温度中的应变；
其中，所述试片与所述涡轮叶片热障涂层的加工工艺相同；所述第二补偿应变组件和所述第二应变组件的型号相同；
所述第二补偿应变组件包括：
第一补偿片，用于检测所述第一应变片在第一方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第一应变片检测到的线应变结合，以得到所述第一线应变；
第二补偿片，用于检测所述第二应变片在第二方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第二应变片检测到的线应变结合，以得到所述第二线应变；
第三补偿片，用于检测所述第三应变片在第三方向上由服役温度引起的线应变，并与所述第三应变片检测到的线应变结合，以得到所述第三线应变。
9.根据权利要求7所述的寿命预测方法，其特征在于，所述已知界面应力的大小为εmax＝1/2{(εx+εy)+[2(εx-εu)2+2(εu-εy)2]1/2}；
所述已知界面应力的角度为tg2θ＝(2εu-εx-εy)/(εx-εy)；
其中，εx为第一线应变，εy为第二线应变，εu为第三线应变；
所述第一方向垂直于所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第二方向为所述涡轮叶片的热障涂层的长度方向，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向分别呈45°。
10.根据权利要求9任一项所述的寿命预测方法，其特征在于，获取所述涡轮叶片的热障涂层在不同服役温度下的最大界面应力；
若所述已知界面应力大于对应服役温度下的所述最大界面应力，则所述热障涂层的已知失效状态为已失效。
11.根据权利要求1-10任一项所述的寿命预测方法，其特征在于,
所述服役温度为恒温或变温；
所述服役转速为恒定转速或变转速。
12.一种高速旋转涡轮叶片热障涂层的寿命预测装置，其特征在于，包括：
模型建立模块：用于基于涡轮叶片热障涂层在服役环境中的已知声发射、已知表面应变以及热障涂层的已知失效状态，建立疲劳损伤模型；和/或，基于涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中的已知界面应力及热障涂层的已知失效状态，建立界面脱层模型；
其中，所述服役环境为对所述涡轮叶片热障涂层加载服役温度和服役转速之间耦合的环境；
预测模块：用于基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的声发射、表面应变和所述疲劳损伤模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态，和/或，基于所述涡轮叶片热障涂层在实际环境下的界面应力和所述界面脱层模型判断所述涡轮叶片热障涂层的失效状态；
其中，所述涡轮叶片热障涂层包括：基底、粘结层和热障涂层，所述热障涂层通过所述粘结层固定于所述基底上；所述界面应力为所述热障涂层和所述粘结层之间的应力。
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| X.QIAO ET AL: "Acoustic emission monitoring and failure behavior discrimination of 8YSZ thermal barrier coatings under Vickers indentation testing", 《SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY》 * |
| X.QIAO ET AL: "Acoustic emission monitoring and failure behavior discrimination of 8YSZ thermal barrier coatings under Vickers indentation testing", 《SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY》, 31 January 2019 (2019-01-31) * |
| 周益春 等: "热障涂层的破坏机理与寿命预测", 《固体力学学报》 * |
| 周益春 等: "热障涂层的破坏机理与寿命预测", 《固体力学学报》, vol. 31, no. 5, 31 October 2010 (2010-10-31) * |
| 李雪换 等: "基于声发射技术的热障涂层损伤行为", 《材料导报A：综述篇》 * |
| 李雪换 等: "基于声发射技术的热障涂层损伤行为", 《材料导报A：综述篇》, vol. 32, no. 10, 31 October 2018 (2018-10-31) * |
| 杨丽 等: "热障涂层失效的声发射实时表征技术研究进展", 《中国材料进展》 * |
| 杨丽 等: "热障涂层失效的声发射实时表征技术研究进展", 《中国材料进展》, vol. 39, no. 11, 30 November 2020 (2020-11-30), pages 3 - 6 * |
| 胡忠超 等: "热障涂层裂纹扩展的数值模拟研究进展", 《中国材料进展》, vol. 39, no. 10 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113704915A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-26 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种重型燃气轮机透平叶片热障涂层热疲劳寿命预测方法 |
| CN113704915B (zh) * | 2021-08-26 | 2023-09-19 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种重型燃气轮机透平叶片热障涂层热疲劳寿命预测方法 |
| CN114383860A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-04-22 | 江铃汽车股份有限公司 | 车用排气管焊缝双向疲劳验证方法、系统及电子设备 |
| CN114383860B (zh) * | 2021-12-02 | 2024-02-27 | 江铃汽车股份有限公司 | 车用排气管焊缝双向疲劳验证方法、系统及电子设备 |
| CN114547803A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-05-27 | 扬州中卓泵业有限公司 | 陶瓷泵涡轮寿命检测系统和方法 |
| CN117313461A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-29 | 西安电子科技大学 | 一种基于蒙特卡罗的高速旋转热障涂层可靠性评估方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113094888B (zh) | 2024-01-30 |
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