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論文推薦 | 大連理工大學林莉教授團隊：基于多彈性參數超聲反演熱障涂層孔隙形貌與宏觀彈性特性關系

2025-04-10 17:46:55 作者：中國表面工程來源：中國表面工程分享至：

基于多彈性參數超聲反演熱障涂層孔隙形貌與宏觀彈性特性關系

本文為大連理工大學林莉教授團隊撰寫發表在《中國表面工程》2025年第38卷第1期的研究論文，題為“基于多彈性參數超聲反演熱障涂層孔隙形貌與宏觀彈性特性關系”。

熱障涂層（TBCs）內部微觀結構對其宏觀彈性影響顯著，探究 TBCs 孔隙微觀結構特征與宏觀彈性之間的關系對于優化制備工藝參數及預測使役壽命至關重要。

針對現有基于橢圓近似研究 TBCs 孔隙率、尺寸、取向與涂層宏觀彈性關系，未考慮孔隙不規則形貌對宏觀彈性影響的問題，大連理工大學林莉教授團隊在《中國表面工程》2025年第38卷第1期發表研究論文《基于多彈性參數超聲反演熱障涂層孔隙形貌與宏觀彈性特性關系》，開展了基于水浸超聲背反射試驗，采用隨機孔隙模型（RVM）與隨機球孔模型（RSM）進行超聲有限元數值模擬，結合靈敏度分析方法定量反演 TBCs 的多個彈性常數，并分別與微觀力學理論計算以及試驗測量的彈性常數進行對比，揭示孔隙不規則形貌對宏觀彈性的影響規律。等離子體噴涂 Al₂O₃涂層彈性常數的超聲測量、數值模擬以及理論計算結果顯示：彈性常數具有明顯的彈性各向異性，數值模擬發現基于 RSM 模型測量的彈性常數值與理論值具有較好的一致性，相對偏差不超過 3.32%；基于 RVM 模型測量的彈性常數值與理論值的相對偏差高達 12.53%，孔隙不規則形貌對 TBCs 宏觀彈性具有不可忽略的影響，而且具有不規則形貌的 RVM 反演結果相較于 RSM 與試驗結果更相近，進一步說明孔隙不規則形貌會顯著影響涂層的彈性性能。研究結果為表征 TBCs 微觀結構的復雜形貌提供一定的支撐，對研究 TBCs 微觀結構與彈性性能關系并進一步優化制備工藝具有重要意義。

引用格式

馬志遠, 陽紀偉, 孫珞茗, 林莉. 基于多彈性參數超聲反演熱障涂層孔隙形貌與宏觀彈性特性關系[J]. 中國表面工程, 2025, 38(1): 118-126.

MA Zhiyuan, YANG Jiwei, SUN Luoming, LIN Li. Relationship Between the Pore Morphology and Macroscopic Elasticity of Thermal Barrier Coatings Inverted by Ultrasonic Echo Based on Multiple Elastic Parameters[J]. China Surface Engineering, 2025, 38(1): 118-126.

創新點

本文提出借助理論推導、數值模擬以及超聲試驗等手段，通過彈性常數反演與顯微結構分析，揭示 TBCs 內部孔隙不規則形貌對彈性性能的影響規律。首先，進行超聲試驗測量等離子體噴涂 Al₂O₃ 涂層的彈性常數，顯微觀測并統計Al₂O₃ 微觀孔隙結構特征參數；基于微觀結構統計特征，采用構建的隨機球孔模型（Random sphere model, RSM）與隨機孔隙模型（Random void model, RVM），建立 TBCs 仿真模型，進行有限元數值模擬分析不同孔隙形貌對多角度入射聲波聲速的影響規律；將 Christoffel 方程與靈敏度分析相結合，實現 TBCs 多個未知彈性常數的準確反演；試驗及兩類模型反演獲得的彈性常數與微觀力學理論計算的彈性常數對比，揭示孔隙不規則形貌對 TBCs 彈性常數的影響。

重要結論

發展出一種與 TBCs 真實微觀結構特征統計等效的隨機球孔模型，設計并建立了孔隙率 p 為 12.3%、平均寬高比 a 為 0.6、取向因子 λ 為 1.84 的 4 mm×0.3 mm TBCs 模型。

基于超聲試驗和模擬仿真，開展了水浸超聲背反射法檢測試驗，Christoffel 方程結合靈敏度分析方法可以實現 Al₂O₃ 等離子體噴涂 TBCs 的多個彈性常數的反演。對比超聲試驗、數值模擬反演得到的彈性常數與通過微觀力學理論計算的彈性常數顯示：彈性常數具有明顯的彈性各向異性，橢圓形孔隙涂層彈性常數測量值與理論計算值有較好的一致性，不規則孔隙涂層與超聲試驗的彈性常數測量值和理論計算值之間的相對偏差均較高。分析表明，除孔隙率、孔隙尺寸與孔隙取向外，孔隙形貌對 TBCs 的宏觀彈性也具有一定的影響，后續工作將嘗試對形貌進行定量描述，并研究孔隙形貌與宏觀彈性之間的定量關系。