一种热障涂层寿命测算方法及设备与流程

本发明属于热障涂层的检测技术领域，具体地涉及一种热障涂层寿命测算方法及设备。

背景技术：

工业燃气轮机的热端部件在服役环境中不仅承受着高温、高压的燃气，而且还承受着高热流输入、高温度梯度、应力梯度、离心力等作用。热障涂层(thermalbarriercoating，tbc)可以有效的延长热端部件的使用寿命。因此预测tbc的失效时间可以有效的实现对燃气轮机热端部件使用寿命的预测。

tbc体系常见构成为最外部的陶瓷层(tc)，粘结层(bc)，以及介于其间随时间生长的热生长氧化物层(thermallygrownoxide，tgo)，tbc涂层失效的主要原因是随着服役时间的延长，tgo层逐渐生长和增厚，并且在热循环中的内部应力作用下，在tgo和陶瓷层界面上不断出现微裂纹并扩展；当扩展裂纹尺寸达到临界尺寸时，涂层体系厚度方向的应力导致陶瓷层切断而在局部剥落，造成涂层的失效。因此对tgo层状态的评估将成为预测tbc使用寿命的一种有效手段。

公告号为cn102169531a的专利公开了一种热障涂层圆管的热疲劳寿命的预测方法，包括步骤一：建立热障涂层热疲劳寿命模型；步骤二：粘接层中铝元素浓度c、陶瓷层的机械应变范围δε的确定；步骤三：热疲劳寿命的预测；步骤四：对获得的热障涂层热疲劳寿命预测模型进行校核。该方法是基于模拟环境下材料性能测试的结果，无法实现算法的自我校准与自我修正。得到的结果不够准确。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明目的在于提供一种热障涂层寿命测算方法及设备，采用客户化的热障涂层的裂纹扩展失效的检测方法实现tbc涂层的使用寿命的初始计算；采用热障涂层无损检测设备测量服役部件的裂纹分布与tgo层关键参数，该测量数据可以用于校验与修正热障涂层寿命预测算法和cfd边界条件，提高了热障涂层的使用寿命预测的准确性，实现了在部件服役期间对热障涂层寿命的动态预测。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种热障涂层寿命测算方法，包括以下步骤：

s01：获取用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况；

s02：根据获取的用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况得到热障涂层的寿命预测模型；

s03：测量热障涂层的微观结构损伤因子；

s04：通过测量的热障涂层的微观结构损伤因子修正寿命预测模型的拟合系数，得到修正后的寿命预测模型，得到热障涂层寿命。

优选的技术方案中，所述步骤s02中的寿命预测模型包括基于材料维度下的tbc寿命预测模型和基于部件维度下的tbc寿命预测模型；所述基于材料维度下的tbc寿命预测模型a以热障涂层的材料属性m、热障涂层的载荷状况l和热障涂层服役时间t拟合得到的拟合函数，即a＝f(m,l,t)；所述基于部件维度下的tbc寿命预测模型采用统计分析的方法得到热障涂层的微观结构损伤因子的概率分布。

优选的技术方案中，通过热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况采用计算流体力学方法对部件整体进行计算处理，得到部件不同位置的外部载荷状况。

优选的技术方案中，所述热障涂层的微观结构损伤因子包括tgo层厚度h、tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r。

优选的技术方案中，所述步骤s04中通过测量的数据组，使用线性回归的方法，获取其方差最小时函数的拟合系数作为修正的拟合系数。

本发明还公开了一种热障涂层寿命测算设备，包括：

数据获取模块，获取用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况；

寿命预测模块，根据获取的用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况得到热障涂层的寿命预测模型；

无损检测模块，测量热障涂层的微观结构损伤因子；

寿命预测模型修正模块，通过测量的热障涂层的微观结构损伤因子修正寿命预测模型的拟合系数，得到修正后的寿命预测模型，得到热障涂层寿命。

优选的技术方案中，所述寿命预测模块中的寿命预测模型包括基于材料维度下的tbc寿命预测模型和基于部件维度下的tbc寿命预测模型；所述基于材料维度下的tbc寿命预测模型a以热障涂层的材料属性m、热障涂层的载荷状况l和热障涂层服役时间t拟合得到的拟合函数，即a＝f(m,l,t)；所述基于部件维度下的tbc寿命预测模型采用统计分析的方法得到热障涂层的微观结构损伤因子的概率分布。

优选的技术方案中，通过热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况采用计算流体力学方法对部件整体进行计算处理，得到部件不同位置的外部载荷状况。

优选的技术方案中，所述热障涂层的微观结构损伤因子包括tgo层厚度h、tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r。

优选的技术方案中，所述寿命预测模型修正模块通过测量的数据组，使用线性回归的方法，获取其方差最小时函数的拟合系数作为修正的拟合系数。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1、传统的热障涂层寿命预测方法与热障涂层损伤无损检测设备为两个独立的研究领域与模块，本方法将快速的热障涂层检测手段和精准的裂纹扩展计算，利用实测数据去进行校验与修正失效计算判断模型，为工业现场提供一种高效率、高精度的燃气轮机热端部件寿命预测方法，提高企业经济效益和生产效率。可以适用于工业应用。

2、以往的热障涂层寿命预测多数基于模拟环境下材料性能测试的结果，本发明以采用客户化的热障涂层的裂纹扩展失效的检测方法实现tbc涂层的使用寿命的初始计算；采用热障涂层无损检测设备测量服役部件的裂纹分布与tgo层关键参数，该测量数据可以用于校验与修正热障涂层寿命预测算法和cfd边界条件，实现该算法的自我校准与自我修正，大大降低工业流程中热障涂层寿命预测的时间和经济成本。同时提高了热障涂层的使用寿命预测的准确性，实现了在部件服役期间对热障涂层寿命的动态预测。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明热障涂层寿命测算设备的原理框图；

图2为本发明热障涂层寿命测算设备的处理示意图；

图3为tbc寿命修正逻辑图；

图4为透平叶片的温度分布示意图；

图5透平叶片的应力分布示意图；

图6为本发明热障涂层寿命测算方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

如图1所示，一种热障涂层寿命测算设备，包括：

数据获取模块，获取用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况；

寿命预测模块，根据获取的用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况得到热障涂层的寿命预测模型；

无损检测模块，测量热障涂层的微观结构损伤因子；

寿命预测模型修正模块，通过测量的热障涂层的微观结构损伤因子修正寿命预测模型的拟合系数，得到修正后的寿命预测模型，得到热障涂层寿命。

如图2所示，1为输入的历史使用数据，以及部件tbc的基本结构与成分组成；

2为输入的部件计划使用工况；

3为输入的客户所需求的可靠性标准；

1、2、3组成了预测tbc寿命的输入模块；

4为基于材料维度下的tbc涂层寿命预测模块；其逻辑如图3；

5为部件在某一使用工况下的外部载荷，根据1中的部件结构信息和2中输入的部件使用工况，采用计算流体力学(cfd)方法和结构有限元分析方法对部件整体进行前处理、计算、后处理，目的是得出部件不同位置的外部载荷(温度场、应力场分布)情况，用来反应部件的服役环境，如图4，5所示，分别表征了透平叶片的温度分布和应力分布(两个视图)；

6为基于部件维度下的tbc寿命预测的具体模型，对于一个部件的特定位置，使用4中的方法计算其tbc的寿命，而部件的寿命则是由所有特定位置寿命中最小值决定的；

1，2，3、4、5、6一起组成了客户化的涂层寿命预测模块；

7为无损检测模块，能够采集tbc涂层真实的几何损伤状态；

8为7在第n次停机检修测量采集的tgo层厚度hn、tgo/tc界面处裂纹cn、tgo/tc界面起伏比rn，这些数据不仅会被用于tbc涂层的损伤评估，也将用来修正计算模型；

9为tbc寿命预测结果输出端。

图3为材料水平上对tbc寿命持续精确预测的逻辑：

tbc的微观结构参数决定了其寿命，图3中a代表了tbc微观结构损伤因子，其中包括tgo层厚度h、tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r；

影响tbc微观结构损伤因子的条件主要有tbc的材料属性m、tbc的载荷状况l(包括机械载荷、热载荷)、tbc服役时间t，即：a＝f(m,l,t)。

某一tbc在指定的使用条件下，其m和l是确定的；

判断tbc失效与否可以通过判定a是否达到其失效临界值ar，因此令a＝ar，可求解出tbc的寿命t；

上述为涂层寿命预测的逻辑。

在部件服役t1时间后，tbc的微观结构因子a可以被直接测量出，使用数据组(t1,a1)，用函数回归的方式修正a＝f(m,l,t)的相关系数，得出a＝f1(m,l,t)，增强其准确度和拟合度。

继续令a＝ar，可求解出修正后tbc的寿命t；

因此每一次停机检修都可以使用实测数据对tbc寿命的计算方法进行修正，从而实现对tbc寿命的动态预测。

本发明设备的设计使用方法如下：

1输入客户使用历史数据，部件的计划使用环境与条件，以及客户所需求的可靠性标准，通过热障涂层的裂纹扩展失效模型完成对tbc涂层寿命的初始预测，并输出寿命预测报告，裂纹扩展失效模型可以为申请号为201911411832.1的公开的一种热障涂层的裂纹扩展失效的检测方法及系统中的裂纹扩展失效模型，当然也可以为其他裂纹扩展失效模型。

该过程的特征在于不同于以往着重于材料性能普遍性预测的软件，该方法完全针对于工业流程的需求，根据客户输入的真实使用环境以及可靠性控制标准输出相应的预测寿命报告。此外输入、计算、输出模块高度集成于客户化的gui界面；

2使用tbc涂层无损检测设备定期对服役部件的tgo层厚度h、tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r进行测量，结果不仅用于部件tbc损伤情况的表征，还用于tbc寿命预测模型校验与修正，该方法的特征不仅在于可以采集真实的涂层信息去评估部件的使用状况，而且还可以使用此数据去修正计算模块中潜在的偏差，不断提高计算模块的精度；

3使用校准修正过后的寿命预测模块对tbc的使用寿命进行重新计算输出。该过程的特征在于，tbc的寿命计算模型随着tgo微观结构的每一次获取，都会实现一次精确化，因此能够动态的对tbc涂层的寿命进行预测，即在每次停工检修过程中完成tbc数据采集后，都能给出对于tbc寿命更精准的预测，同时，当部件服役条件改变时，该方法依然能够预测tbc涂层的使用寿命。

如图6所示，具体的热障涂层寿命测算方法，包括以下步骤：

s01：获取用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况；

s02：根据获取的用户历史使用数据，热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况得到热障涂层的寿命预测模型；

s03：测量热障涂层的微观结构损伤因子；

s04：通过测量的热障涂层的微观结构损伤因子修正寿命预测模型的拟合系数，得到修正后的寿命预测模型，得到热障涂层寿命。

一较佳的实施例中，步骤s02中的寿命预测模型包括基于材料维度下的tbc寿命预测模型和基于部件维度下的tbc寿命预测模型；所述基于材料维度下的tbc寿命预测模型a以热障涂层的材料属性m、热障涂层的载荷状况l和热障涂层服役时间t拟合得到的拟合函数，即a＝f(m,l,t)；所述基于部件维度下的tbc寿命预测模型采用统计分析的方法得到热障涂层的微观结构损伤因子的概率分布。

一较佳的实施例中，通过热障涂层的部件结构信息，及部件的计划使用工况采用计算流体力学方法对部件整体进行计算处理，得到部件不同位置的外部载荷状况。

一较佳的实施例中，热障涂层的微观结构损伤因子包括tgo层厚度h、tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r。

一较佳的实施例中，步骤s04中通过测量的数据组，使用线性回归的方法，获取其方差最小时函数的拟合系数作为修正的拟合系数。

以涡轮燃气轮机热端叶片为例，具体阐述该技术方案的实现流程。

输入数据，输入数据包括三种类型，其一为客户历史使用数据，包括之前的服役叶片tbc涂层信息，服役环境信息，以及使用寿命信息等。这些信息将作为客户化计算平台的数据库，为此计算平台提供数据支撑，修正相应的计算模型；其二为被预测tbc涂层的原始性质和结构信息以及服役环境信息，这些信息为计算tbc涂层寿命的主数据；其三为客户可靠性控制标准，这部分为客户对计算结果精确度和置信区间的要求。

输入的tbc基本材料属性与结构特征，能够建立起tbc寿命与对应外部载荷之间的模型关系，而结合输入的叶片几何构型数据，与使用工况，通过cfd方法，计算出部件每一处的外部载荷状况，从而实现对部件任意tbc位置寿命的计算，使用统计与可靠性原则，实现了对部件tbc寿命的预测，并输出寿命预测报告；

h、r、c为在热障涂层寿命计算过程中得到的tbc损伤的标志性指标，当燃气轮机叶片进行定期检修与维护时，对其进行快速全景式精确检测，能够通过测量获取与计算得出的h、r、c相对应的数据hn、rn、cn；

对于tbc涂层寿命的预测是一种计算型预测，而通过测量获取的数据，能对这种计算预测进行有效的校验与修正。在一定工况下，tbc涂层寿命可以根据h、r、c进行计算，现以tgo层厚度h为例，说明其具体算法逻辑，对于在给定工况下一种热涂层，其tgo厚度的增长速率为m、l的函数，则有tgo厚度h表达为：

h＝∫f(m,l)dt(1)

其中：m是材料性能参数，l是外部载荷条件，t是服役时间。

因此，使用实际测量的数据h1，h2…hn修正，可以包括以下步骤：

1.验证式(1)中计算的tgo厚度是否符合实际测量；

2.根据测量输入的数据组(t,h)，使用线性回归的方法，获取其方差最小时函数的系数，修正tgo厚度计算模型(1)式为：

h＝∫fn(m,l)dt(2)

3.而对于工件整体的热障涂层，在某一给定工况下服役一定时间后，实际上其tgo层厚度概率分布符合：

值得注意的是，式(3)表示的是在特定服役环境下tgo层厚度的分布。均值μ在这里与(2)中的h计算方法一致。在某一时刻，部件的tgo层厚度为μ的概率最大，而μ的准确性则由初始算法的准确性来决定。部件不同位置载荷和服役条件差异越大，方差σ所控制的h离散程度越大。

因此，通过判断t时刻tgo层最大概率厚度μ与临界tgo厚度hr的关系，工业中通常使用3σ准则，即当：

μ+3σ≥hr

认为部件整体失效。

根据t时刻h的实际测量结果式(3)也可进行相应的修正，即：

对于部件水平的tbc寿命，h达到失效临界值hr的概率是判断tbc寿命的重要判据，因此，式(1)和式(3)的不断精确，分别从材料损伤角度和部件tbc损伤分布角度实现了tbc寿命预测的精确化。

并且，测量结果修正后的分布情况可以反过来修正cfd的边界条件，例如测量结果的离散程度远大于计算结果的离散程度，那么说明cfd计算时所使用的边界条件过小，应该放大。

因此，在相应部件的第1、2、…n次停工检修的过程中，就可以实现对tgo层厚度计算模型和分布模型的第1、2、…n次修正。同样作为微观结构因子的tgo/tc界面处裂纹c、tgo/tc界面起伏比r的同样可以拟合成如式(1)和式(3)的形式，因此按照上述对tgo厚度h的处理方法来计算c和r，从而实现对tbc寿命的持续精准预测；

最后，根据工程使用中的部件实际结构和具体工况，将上述过程予以应用，计算部件整体的tbc涂层寿命。

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。