专利名称：热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法
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
称ψ(t)为一个小波基或母小波。将ψ(t)经伸缩和平移后，就可以得到一组小波基函数ψa，b(t) a，b∈R，a≠0(2) 将尺度因子a和平移因子b离散化为a＝2j，b＝k2j0k，j∈Z，则小波变换即为离散二进小波变换，小波函数是以1/2为中心的能量有限的一个振动方程，离散二进小波变换其重构信号可以表示成 这里cj，k为小波系数，ψj，k(t)是由小波函数ψ(t)扩展和平移的小波族。
假设小波族{ψj，k(t)，k∈Z}是在Wj空间的一组正交基。φ(t)是小波函数ψ(t)的尺度函数，而小波族{φj，k(t)，k∈Z}(φj，k(t)通过φ(t)的扩展和平移而获得)是Vj空间的一组正交基。根据尺度函数和小波函数，可以产生一个低通和高通滤波器，他们的作用方程h(k)、g(k)定义为 h(k)＝<ψj(t)，ψj-1，k(t)>， (4) g(k)＝<φj(t)，φj-1，k(t)>. (5) 空间Vj-1于是可以分解为一个子空间Vj以及一个高频信息空间Wj的和，Wj则是空间Vj和空间Vj-1的正交，而且有这样有 某一信号在Vj-1空间上的正交分量于是可以看成是Vj和Wj的和，这里Vj、Wj可以通过Vj-1与低通或高通滤波器的卷积而获得。于是，低频小波系数cj，k以及高频小波系数dj，k能用下式表示 h(m-2k)和g(m-2k)是通过在系数h(k)和g(k)分别插入j-1个0的重构方程。
定义Cjs(t)和Djs(t)分别为j尺度的低频和高频分解量。则它们可以表示为 这样，对于某个信号S(t)的J尺度小波分解可以表示成 定义EJCs(t)和DjDs(t)分别为任意时刻t，j尺度下低频和高频段的累积能量。即 j＝1，2，…J (13) 总能量可由下式获得 定义各小波尺度下信号的能量与总能量的比值为小波能谱系数，则有 (15) j＝1，2，…J 将rEJC和rEjD对小波分解尺度j作图，即可得到小波能谱系数分布图，图中小波能谱系数最大值所对应的小波尺度即为信号的特征尺度，相应的频段即为声发射信号的特征频段。
通过小波变换提取出信号在特征频段的信号分量后，本发明中对声发射信号进行相关性分析以得出信号到达各传感器之间的时差的原理和方法如下假设某一信号被两个传感器接收，采集得到的有限长的信号分量分别是x(n)和y(n)，则这两个信号的互相关系数ρxy定义为 上式表示了信号x(n)与y(n)的相似程度，当x(n)＝y(n)时，ρxy＝1，两信号完全相关；信号x(n)与y(n)完全无关时，ρxy＝0；当x(n)与y(n)有某种程度相似时，|ρxy|在0和1中间取值。
将先接收到信号的传感器所采集信号的前半部分定义为x(n)，另一传感器采集这一信号的前半部分定义为y(n)，求y(n)与x(n)的相关系数得到ρxy(0)，然后逐点平移y(n+m)(m＝1，2...)，用等同的长度与x(n)相关求出相关系数ρxy(m)，有 当ρxy(m)取最大值时，信号x(n)与y(n+m)极大相似，此时m与采样间隔的乘积即为声发射信号到达两传感器的时间差Δt。
本发明的技术效果在于1)本发明利用铂丝波导杆将热障涂层样品与声发射传感器连接，铂丝波导杆不仅能很好的传递声发射信号，保证声发射传感器处于额定温度之内，同时也能方便的跟随热障涂层移动，不增添噪声信号，波导杆的使用解决了热障涂层无法高温环境下进行声发射信号检测的技术难题。2)将检测的声发射信号进行小波变换，实现了热障涂层损伤的定性、定量与定位评价，为热障涂层失效机理、失效过程的诊断提供了丰富数据，同时也为热障涂层的寿命预测提供了直接的依据。本发明的检测方法和分析手段操作简单不仅可以在实验室中对热障涂层的失效过程进行无损评价，也可以无损评价热障涂层在实际的试车环境下的损伤演化过程。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实现热障涂层损伤及其失效过程声发射实时检测的结构图。
图2为本发明中热障涂层声发射信号小波变换的流程图。
图3为本发明中热障涂层某一损伤模式的声发射信号特征的流程图。
图4为本发明中热障涂层损伤模式识别以及损伤定量分析的流程图。
图5为本发明实现热障涂层损伤定位分析的流程图。
图6为本发明中热障涂层的声发射事件随着加载时间的分布图。
图7为本发明中基底样品的声发射事件随着加载时间的分布图。
图8为本发明中热障涂层拉伸失效过程中出现的三种典型小波特征能谱图(a)表面垂直裂纹 (b)界面裂纹，(c)基底变形。
图9为本发明中热障涂层拉伸各种失效形式随应力或时间的分布图。
图10拉伸失效过程中，热障涂层不同失效形式的声发射事件数与加载时间的关系。
图11表面垂直裂纹和界面裂纹声发射源的定位图。
图12热障涂层在热循环的冷却与加热阶段出现的声发射信号。
图13热循环时各种损伤模式在加热阶段的分布图。
图14热循环时各种损伤模式在冷却阶段的分布图。
具体实施例方式 参见图1，图中1为热障涂层样品，2为铂丝波导杆，3为声发射传感器，4为声发射仪，5为小波分析处理单元，6为损伤定性分析结果显示单元，7为声发射信号参数分析单元，8为损伤定量分析结果显示单元，9为互相关性分析和时差定位分析单元，10为损伤定位结果显示单元。
本发明包括以下步骤根据热障涂层样品1服役和实验的环境温度决定是否采用波导杆2；采用点焊和机械装置将波导杆与样品和声发射传感器3连接，如不需要使用波导杆，则直接将样品和声发射传感器通过超声耦合介质耦合，声发射传感器的数目则根据样品的形状、尺寸以及传统时差定位的要求来确定，如对线状一般采用直线定位方法，可以用2个传感器。板状一般采用平面定位法，可用三个或四个传感器；对热障涂层施加载荷，声发射传感器接收损伤发出的声发射信号；由声发射仪4对接收到的声发射信号进行采样、处理、显示和存储；利用小波分析技术5对采集到的声发射信号进行处理，求取小波能谱系数的分布图，确定该信号的损伤模式6；采用声发射信号的参数分析方法7，对每一种损伤所对应的声发射信号随施加载荷的变化规律进行统计，实现损伤的定量分析8；利用小波分析技术5提取信号在特征频段的信号分量，然后用相关性分析技术9求出不同传感器接收到这一信号分量的时间差，最后结合传统的定位方法实现损伤的定位分析10。
声发射信号小波变换的流程图如附图2所示。首先分析热障涂层声发射信号的特征，选取合适的小波函数；根据声发射信号采集时的参数特征，包括采样频率fs，采样长度N以及滤波器长度Lf，计算小波分解的最大尺度Jmax，计算公式为 然后对信号进行小波分解，得到信号在每一尺度下时域的重构信号和相应的频谱图；计算各尺度下信号的能量与总能量的比值，得出小波能谱系数分布图，完成声发射信号的小波分析。
在热障涂层体系中，最常见的损伤形式有基底塑性变形，陶瓷层中垂直于热障涂层体系中界面的裂纹以及陶瓷层与中间过渡层界面处并沿这一界面扩展的界面裂纹。要实现热障涂层损伤的定性分析，关键是识别出这三种损伤模式的声发射信号特征。不同损伤模式其声发射信号的频率特征以及信号在各频率段的能量分布是不同的，而且信号的频率特征以及能量分布情况几乎与损伤的大小、载荷大小无关。为此，可以分别进行单一损伤模式或是只有一种损伤模式的声发射信号特征未建立的声发射实验，得到大量损伤模式已知了的声发射信号，对这些信号进行分析并建立这一模式的声发射信号特征，其流程图如图3所示。
当热障涂层中各种损伤模式的声发射信号特征建立后，就可以很容易的完成一未知损伤模式声发射信号的识别，同时完成损伤的定量分析，其流程图如图4所示。对一记录有加载时间或加载应力信息的未知模式的声发射信号，通过小波分析得到小波能谱系数分布图，将之与已经确定损伤模式的特征能谱系数分布图相比较判断，如果与其中某一模式的能谱系数相似则该损伤模式的声发射信号计数器加1，若没有相似的则归为其他。以各种损伤的声发射信号计数器的统计数字为纵坐标，以信号对应的加载时间或应力为横坐标作图，得到损伤所产生的声发射信号随外加载荷的关系曲线，对这一曲线进行数值拟合，即可得到两者的经验公式，实现损伤的定量分析。对于属于其他损伤模式的声发射信号，还需要根据其数量的多少来判断是否有其它新的模式，此时可以借助频谱分析等分析方法。
图5是实现热障涂层损伤定位分析的流程图。对于一个声发射信号，首先将其进行小波分解，并提取出信号在特征频段也就是小波能谱系数最大值所对应的小波尺度的信号分量，也提取出其它传感器在相应频段的信号分量，利用相关性分析求解出不同传感器接收信号的时间差，再结合传统的时差定位方法对损伤源进行定位。如对于一一维尺寸的试样(即线状)，已知两传感器分别安放在试样的两端，即两传感器之间的距离为试样的长度L，当用上面的方法求出两传感器信号的时间差Δt后，则可以计算出声发射源(损伤源)距离先接收到信号的传感器的距离其中V为声波在材料中的传播速度，可以查表，也可以测量。
本发明的具体实施例1 热障涂层在常温下拉伸失效过程的声发射实时检测。等离喷涂热障涂层样品的基底材料为GH3030，中间过渡层材料为NiCr22Al7Y0.2(wt.％)，陶瓷层材料为ZrO2-8wt.％Y2O3，中间过渡层与陶瓷层的厚度均为大约200μm。实验用万能拉伸机对试样进行加载，同时将两声发射传感器安放在试样的两端，接收声发射信号，并由声发射仪采集，采样频率为1MHz，采样长度为1K，阈值设置36dB。实验分别对没有涂层的基底材料和热障涂层进行了拉伸和声发射检测。
拉伸破坏过程中，热障涂层以及基底样品的声发射事件随着加载时间的分布如图6、7所示，声发射事件分布曲线可以分为四个区域(I)在加载的初始阶段声发射事件较少，在这一阶段，基底处于弹性变形状态；(II)随着基底材料的屈服，声发射事件迅速的增加。在这一阶段，基底塑性变形和涂层中的裂纹共同存在，在这一阶段并没有看到陶瓷层的脱落；(III)声发射事件又明显的减少，在这一阶段结束的时刻，陶瓷层基本从基底脱落，因而声发射信号在(IV)阶段急剧的增加应该归因于热障涂层基底材料的断裂。基底在拉伸破坏的过程中，声发射信号在屈服前出现的很少，因而可以得知在第(I)阶段的声发射信号来源于涂层的裂纹生长或扩展。
首先对基底材料在拉伸时的声发射信号进行小波分解，并确定其小波能谱系数的特征，如图8a所示；然后对基底屈服前的大量声发射信号进行小波分析，确定表面垂直裂纹的小波能谱系数的特征，如图8b所示；再次从基底屈服后采集的声发射信号中，找出不同于前面两种损伤模式的大量声发射信号进行小波分解，确定界面裂纹的小波能谱系数特征，如图8c所示。
确定这三种损伤模式后，就可以对热障涂层试样在拉伸破坏过程中所采集到的声发射信号进行小波分析，得出各信号的小波能谱特征系数分布图，并与图8中的三种小波能谱特征系数分布图相比较，确定各信号的损伤模式。统计出每一种损伤产生的声发射信号的事件数，并以各种损伤的声发射信号事件数为纵坐标，以加载时间为横坐标做直方图9，确定出热障涂层在拉伸应力作用下经历了表面垂直裂纹、界面裂纹以及陶瓷层脱落的涂层失效过程，而且知道了表面垂直裂纹损伤、界面裂纹损伤的起止应力分别为57MPa和436MPa、363MPa和513MPa。以某一损伤的声发射信号事件数为纵坐标，以加载时间为横坐标作图得出该损伤随加载时间(与加载应力成正比)的演化规律，如图10，此情况下，表面垂直裂纹与界面裂纹均与加载时间呈幂函数关系，经验公式为N＝a(t-t0)x(a，x为拟合常数，t0与损伤形成的起始时间有关)。
用本发明的定位方法，对某一热障涂层样品在涂层为完全脱落前的每一种损伤的声发射信号进行分析得出，结果如图11所示。声发射信号的统计分布能够准确的给出热障涂层各种损伤的位置。图中纵坐标表示声发射信号出现的时间，横坐标表示损伤源距离左边传感器的位置。对表面垂直裂纹(图11a)，可以看到声发射信号沿纵向方向杂乱的分布，但是仔细分析，却可以明显的看出声发射信号分布的规律，最早出现的声发射信号发生在距离传感器约30～37mm以及距离探头约10.5mm的位置，随着时间的增大，这两个区域的声发射信号变得密集；当时间进一步增大时，在距离传感器约19～22mm以及56～60mm处的声发射信号变得密集；时间再增大时，声发射信号几乎遍及样品纵向方向的每一个位置，但是还能看到在某些地方密集，某些地方稀疏。这些结果与热障涂层表面形貌照片上10.5mm、21mm、34mm、36mm以及58mm处的可见表面垂直裂纹所在的位置一致，同时也看到细小的表面垂直裂纹几乎分布在样品的整个拉伸方向上。由于可见的涂层剥落很少，界面裂纹的数量也相对较少，对这些信号进行定位分析，结果如图11b所示。可以看到信号也随机的分布在样品的拉伸方向，但是在32～45mm处以及52～67mm处出现声发射信号的时间相对要早，信号的分布相对密集，与热障涂层形貌照片上可见剥落的位置相一致。
本发明的具体实施例2 热障涂层高温热疲劳失效的声发射实时检测。对热障涂层进行了高温热循环的声发射检测实验，热循环包括在800℃的高温炉中加热5分钟和在空气中自然冷却10分钟两个过程。实验中，用铂丝波导杆点焊热障涂层样品的基底表面，并通过机械装置和声波耦合介质与声发射传感器连接，实现热障涂层在整个热循环过程损伤的检测。
热障涂层在整个热疲劳的声发射检测结果发现，声发射信号既可以在冷却阶段出现也在加热阶段出现，如图12所示，这说明热障涂层在高温热循环时其损伤既能在冷却阶段形成，也可以在加热阶段形成，因而只检测热循环过程的冷却阶段对热障涂层损伤状态的预测是不准确的。
利用本发明提供的声发射信号分析方法对热循环失效的声发射信号进行小波分析，得出信号的小波特征能谱系数分布图，并与在实施例1中已经确定的三种模式的特征能谱系数分布图(图9)相比较，判断出信号的损伤模式。对加热与冷却阶段出现的声发射信号进行模式识别的结果如图13、14所示，可以看出热障涂层在加热过程中形成的损伤多为表面垂直裂纹，而冷却过程中形成的损伤多为界面裂纹。
权利要求
1、一种热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，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)将接收的声发射信号进行小波变换，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。
2、根据权利要求1所述的热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，所述步骤1)为在高温下对热障涂层施加载荷时，将铂丝波导杆的一端与热障涂层样品点焊连接，另一端通过机械装置以及超声耦合介质耦合与声发射传感器连接、耦合；常温下加载时，通过机械装置以及超声耦合介质直接将声发射传感器与样品连接、耦合。
3、根据权利要求1所述的热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，所述步骤3)中小波变换中用到的小波是指离散二进小波，其最大分解尺度Jmax根据声发射信号的采样频率fs，滤波器长度Lf以及采样长度N来确定，具体的计算公式可表示为
4、根据权利要求1所述的热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，所述步骤3)中小波特征能谱系数是信号在小波分解后各分量的能量与信号总能量的比值。
5、根据权利要求1所述的热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，所述步骤4)为根据步骤3)确定出每一种损伤的声发射信号，逐一统计并绘出各损伤所产生的声发射信号事件数随外加载荷变化的关系曲线，对曲线进行拟合得出两者之间的经验公式。
6、根据权利要求1所述的热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，所述在步骤5)的步骤为
5a)根据各传感器信号的小波能谱系数分布图，验证各个传感器接收到的信号为同一损伤源所发出的，且没有发生模式转变；
5b)找出小波能谱系数最大值的小波分解尺度，并提取出各传感器接收到该信号在这一尺度下的小波分量；
5c)查表或测量确定声波在样品中的传播速度；
5d)根据相关性分析，求解出各个传感器接收到由步骤5b所确定的小波分量的时间差；
5e)根据传统的时差定位方法，对声发射源即损伤源进行定位。
全文摘要
本发明公开了一种热障涂层损伤及其失效过程的声发射实时检测方法，包括以下步骤将热障涂层样品和声发射传感器连接、耦合；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；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，根据小波能谱系数分布图确定这一信号的损伤模式；根据每一种损伤模式的声发射信号事件数随施加载荷变化的关系曲线进行损伤的定量分析；提取出小波能谱系数最大值所在尺度下的信号分量，并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，用时差定位方法确定损伤源的位置。本发明可以简单、快速地对热障涂层材料的损伤进行实时检测，同时也有利于热障涂层寿命的准确预测。
文档编号G01N29/44GK101285796SQ200810031180
公开日2008年10月15日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者周益春, 丽 杨 申请人:湘潭大学