论文推荐 | 大连理工大学林莉教授团队：基于多弹性参数超声反演热障涂层孔隙形貌与宏观弹性特性关系

2025-04-10 17:46:55 作者：中国表面工程来源：中国表面工程分享至：

基于多弹性参数超声反演热障涂层孔隙形貌与宏观弹性特性关系

本文为大连理工大学林莉教授团队撰写发表在《中国表面工程》2025年第38卷第1期的研究论文，题为“基于多弹性参数超声反演热障涂层孔隙形貌与宏观弹性特性关系”。

热障涂层（TBCs）内部微观结构对其宏观弹性影响显著，探究 TBCs 孔隙微观结构特征与宏观弹性之间的关系对于优化制备工艺参数及预测使役寿命至关重要。

针对现有基于椭圆近似研究 TBCs 孔隙率、尺寸、取向与涂层宏观弹性关系，未考虑孔隙不规则形貌对宏观弹性影响的问题，大连理工大学林莉教授团队在《中国表面工程》2025年第38卷第1期发表研究论文《基于多弹性参数超声反演热障涂层孔隙形貌与宏观弹性特性关系》，开展了基于水浸超声背反射试验，采用随机孔隙模型（RVM）与随机球孔模型（RSM）进行超声有限元数值模拟，结合灵敏度分析方法定量反演 TBCs 的多个弹性常数，并分别与微观力学理论计算以及试验测量的弹性常数进行对比，揭示孔隙不规则形貌对宏观弹性的影响规律。等离子体喷涂 Al₂O₃涂层弹性常数的超声测量、数值模拟以及理论计算结果显示：弹性常数具有明显的弹性各向异性，数值模拟发现基于 RSM 模型测量的弹性常数值与理论值具有较好的一致性，相对偏差不超过 3.32%；基于 RVM 模型测量的弹性常数值与理论值的相对偏差高达 12.53%，孔隙不规则形貌对 TBCs 宏观弹性具有不可忽略的影响，而且具有不规则形貌的 RVM 反演结果相较于 RSM 与试验结果更相近，进一步说明孔隙不规则形貌会显著影响涂层的弹性性能。研究结果为表征 TBCs 微观结构的复杂形貌提供一定的支撑，对研究 TBCs 微观结构与弹性性能关系并进一步优化制备工艺具有重要意义。

引用格式

马志远, 阳纪伟, 孙珞茗, 林莉. 基于多弹性参数超声反演热障涂层孔隙形貌与宏观弹性特性关系[J]. 中国表面工程, 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.

创新点

本文提出借助理论推导、数值模拟以及超声试验等手段，通过弹性常数反演与显微结构分析，揭示 TBCs 内部孔隙不规则形貌对弹性性能的影响规律。首先，进行超声试验测量等离子体喷涂 Al₂O₃ 涂层的弹性常数，显微观测并统计Al₂O₃ 微观孔隙结构特征参数；基于微观结构统计特征，采用构建的随机球孔模型（Random sphere model, RSM）与随机孔隙模型（Random void model, RVM），建立 TBCs 仿真模型，进行有限元数值模拟分析不同孔隙形貌对多角度入射声波声速的影响规律；将 Christoffel 方程与灵敏度分析相结合，实现 TBCs 多个未知弹性常数的准确反演；试验及两类模型反演获得的弹性常数与微观力学理论计算的弹性常数对比，揭示孔隙不规则形貌对 TBCs 弹性常数的影响。

重要结论

发展出一种与 TBCs 真实微观结构特征统计等效的随机球孔模型，设计并建立了孔隙率 p 为 12.3%、平均宽高比 a 为 0.6、取向因子 λ 为 1.84 的 4 mm×0.3 mm TBCs 模型。

基于超声试验和模拟仿真，开展了水浸超声背反射法检测试验，Christoffel 方程结合灵敏度分析方法可以实现 Al₂O₃ 等离子体喷涂 TBCs 的多个弹性常数的反演。对比超声试验、数值模拟反演得到的弹性常数与通过微观力学理论计算的弹性常数显示：弹性常数具有明显的弹性各向异性，椭圆形孔隙涂层弹性常数测量值与理论计算值有较好的一致性，不规则孔隙涂层与超声试验的弹性常数测量值和理论计算值之间的相对偏差均较高。分析表明，除孔隙率、孔隙尺寸与孔隙取向外，孔隙形貌对 TBCs 的宏观弹性也具有一定的影响，后续工作将尝试对形貌进行定量描述，并研究孔隙形貌与宏观弹性之间的定量关系。