利用声发射与数字图像相关技术对Zr6Ta2O17热障涂层中损伤模式的多尺度监测

《Ceramics International》：Multiscale monitoring of damage modes in Zr6Ta2O17 thermal barrier coatings by acoustic emission and digital image correlation

　　

刘青|胡晓鹏|罗申祥|邹宇|郭金伟|胡建峰|张帆|朱旺

中国湖南省湘潭市411105，湘潭大学材料科学与工程学院，教育部低维材料与应用技术重点实验室

摘要

本研究探讨了Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层在拉伸、三点弯曲以及氧化条件下的损伤演变过程。通过结合声发射和数字图像相关技术，实现对损伤发展的实时监测。研究发现了声发射信号特征与不同损伤模式之间的明显关联——噪声、基体变形、界面裂纹以及表面垂直裂纹，其对应的频率范围分别为5–55 kHz、90–135 kHz、160–240 kHz和260–340 kHz。这些分类在不同的加载和温度条件下依然保持一致。数字图像相关分析识别出了五个裂纹扩展阶段，与声发射事件的变化相吻合。此外，在高温氧化过程中还观察到了独特的高频声发射信号（400-480 kHz），通过微观结构分析发现这些信号与表面网络裂纹有关。本研究表明，声发射信号能够可靠地反映特定的损伤机制，为实时监测服役中的热障涂层提供了有效方法。

引言

先进的热障涂层技术是提升航空发动机性能的重要手段。目前最常用的8%氧化钇稳定氧化锆（8YSZ）热障涂层在1200°C以上会发生有害的t'相分解及相关的相变，从而导致涂层剥落，无法满足更高温度应用的需求[1]、[2]、[3]。近年来，人们开始研究新型热障涂层，如稀土氧化物掺杂[4]、[5]、钙钛矿型材料[6]以及A₂B₂O₇型氧化物[7]、[8]，以提高其耐温性和高温工作性能。然而，这类替代涂层往往存在断裂韧性低、热膨胀系数有限以及损伤容忍度不足等问题[7]、[9]、[10]。幸运的是，Zr₆Ta₂O₁₇材料具有较宽的合成工艺窗口[11]，从室温到2250℃都具有优异的相稳定性[12]，且在高温下不会与Al₂O₃或8YSZ发生反应[13]。此外，它还具有较低的热导率以及与之匹配的热膨胀系数[14]、[15]，同时还具备出色的机械性能[16]。该材料还表现出优异的高温性能，如耐腐蚀性、抗热震性和抗氧化性[17]、[18]、[19]。综合来看，这些优点使得Zr₆Ta₂O₁₇成为高性能热障涂层的理想候选材料。

热障涂层在服役过程中出现不可预测的剥落现象，通常是由于内部裂纹的产生和扩展所导致的[20]。了解材料失效机制并识别损伤模式对于确保热障涂层的可靠设计至关重要，这也促使人们大力开发非破坏性的实时监测技术[21]。常见的无损检测方法包括超声波检测、红外热成像、计算机断层扫描、数字图像相关技术、声发射检测等。不过，现有的每种检测方法都存在一定的局限性。超声波检测需要复杂的信号解读[22]；红外热成像则要求对温度进行精确控制[23]；而计算机断层扫描则受到样品尺寸、高昂成本以及分析时间较长的限制[24]。尽管数字图像相关技术可以实现位移和应变的非接触式实时测量[25]，但它本质上仅能检测表面情况。同样，虽然声发射技术对正在发生的损伤具有很高的灵敏度[26]，但其后续的处理和解读仍然面临很大挑战。基于此，将声发射技术和数字图像相关技术相结合，成为研究涂层失效机制的一种非常有效的方法[27]。这种集成方法能够精准地将由声发射检测到的损伤事件的时间和严重程度与数字图像相关技术捕捉到的全场表面应变变化联系起来，从而显著提高损伤源识别和失效模式分类的准确性[28]。此外，当将热障涂层视为涂层/基体系统时，可能会出现多种不同的失效模式，包括层间开裂、界面剥离以及基体变形[29]。不同材料中的不同裂纹类型会产生独特的声发射特征[30]、[31]、[32]，这为区分不同失效机制提供了依据。虽然以往关于热障涂层损伤监测的研究大多集中在8YSZ涂层上[33]、[34]，但针对新一代热障涂层材料的研究仍然相对匮乏，这既体现了该领域的不足，也意味着进一步发展的机遇。

本研究通过分析声发射参数以及数字图像相关技术所捕捉的应变变化，系统研究了Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层的裂纹类型和损伤模式。借助这两种互补的技术，可以实时监测该涂层在不同测试方法（拉伸、三点弯曲以及氧化）和不同温度条件下的损伤发展过程，旨在明确损伤模式，并实现与损伤相关的声发射信号的自动识别。

章节节选

Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层的制备

本研究选择镍基超合金（GH536）作为Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层的基体。根据不同的测试需求，采用了三种不同的基体几何形状：用于拉伸试验的I形试样、用于三点弯曲试验的长条试样，以及用于氧化试验的方形试样，如图1所示。图1(a)展示了I形试样的尺寸，其总长度为76毫米，宽度为30毫米。黄色区域为喷涂Zr₆Ta₂O₁₇涂层的区域，标距长度为23.7毫米。图1(b，

拉伸载荷作用下Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层的损伤模式识别

为了准确识别材料在不同测试条件下的失效模式和裂纹类型，首先通过校准实验建立了裂纹类型与声发射频率之间的对应关系[41]、[42]。首先，在25°C下使用图1所示的测试平台对纯基体进行拉伸试验，以表征与基体塑性变形相关的声发射信号。随后对声发射的特征参数进行聚类分析

结论

本文采用原子层沉积法制备了Zr₆Ta₂O₁₇热障涂层，并通过结合声发射和数字图像相关技术对其损伤模式的识别及演变过程进行了研究。通过整合这两种互补的方法，能够实时监测该涂层在各种温度下、不同测试条件（拉伸、三点弯曲以及氧化）下的损伤发展过程。主要结论如下：

• (1)
  通过运用k均值聚类算法，并结合声发射信号的峰值频率

CRediT作者贡献说明

胡建峰：验证、资源获取、数据整理。 郭金伟：可视化处理、资源获取、定量分析、数据整理。 朱旺：论文撰写与修改、项目监督、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、定量分析、概念构思。 张帆：验证、定量分析、数据整理。 罗申祥：可视化处理、验证、定量分析、数据整理。 胡晓鹏：论文初稿撰写、可视化处理、实验研究、定量分析，

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：12372102）。