摘要
航空发动机是飞机的“心脏”，是体现国家核心竞争力的重要标志。为提升发动机推重比，涡轮前进口温度已远高于镍基合金叶片熔点。一代材料，一代装置，热障涂层作为航空发动机热端部件必不可少的防护材料，其顶层陶瓷层厚度是决定隔热性能的关键。采用大气等离子喷涂工艺制备出陶瓷层为波浪形堆叠结构，导致其厚度不均匀，喷涂过薄隔热性能差，过厚则会引起界面处应力增加。因此，陶瓷层准确测厚关乎热障涂层质量控制与评价。近年来，具有非接触、非电离且分辨率高等优点的太赫兹(Terahertz,THz)波已成为热障涂层厚度测量关键技术之一。然而，陶瓷层微观结构不均匀，导致折射率随空间位置变化，加之厚度薄引起THz信号混叠，是当前测厚精度不足的关键因素。为此，本文围绕理论建模、信号解混叠、反射峰定位、测厚方法以及结果评价等方面开展研究，形成了热障涂层THz准确测厚理论、方法和专用软件。研究工作主要包括： 1.针对现有解析模型难以准确描述THz波与热障涂层相互作用机理的问题，提出考虑热障涂层材料特性THz信号高精度解析模型。首先，建立二阶Debye模型探究因陶瓷层微观结构不均匀引起THz波的色散机制，模拟反射峰展宽现象。其次，探索THz系统不同提离对信号影响，创新构造了相位移因子，模拟首峰位置与幅值变化。然后，基于Kirchhoff理论研究了陶瓷层粗糙度引起的散射现象，并将上述理论与现有透射/反射理论相结合，形成了高精度解析模型。最后，实验与仿真结果表明，所构建模型具有较高精度，相比于现有模型，前三反射峰的峰值最大相对误差由7.67%下降至0.52%，峰值时间误差由0.1ps下降至0ps。 2.针对法布里-帕罗效应引起THz信号混叠的问题，提出自适应小波基用于分离反射峰。首先，基于所建立解析模型生成THz信号，以相关系数评价反射峰和小波基的相似性，筛选出高斯小波基用于分离混叠反射峰。然后，构建了新型萤火虫算法求解最佳阶次、平移以及尺度因子，获取更精确小波参数组合，形成随反射峰形状变化的自适应小波基。最后，实验与仿真结果表明，所构建方法具有较好解混叠性能，相比于频域反卷积法，首峰最大脉宽由3.6ps下降至2.6ps，最大飞行时间误差由0.3ps下降至0ps，信噪比由22.8dB提升至34.2dB。 3.针对现有反射峰定位需要人工干预的问题，构建了长短期记忆网络(LongShort-TermMemory,LSTM)反射峰自动定位框架。首先，基于解析模型生成了仿真训练集，利用自适应小波基处理实验信号获取测试集。其次，构建了LSTM网络反射峰自动定位框架，依据训练误差确定修正区间，提出结果自修正策略。然后，搜寻局部极值点获取峰谷信息，进而提取完整反射峰，并基于Fukuchi方法计算折射率。最后，实验与仿真结果表明，所构建方法能准确自动定位反射峰，预测结果与人工选峰法一致，前三反射峰定位误差为0ps。 4.针对Fukuchi测厚方法受反射峰展宽效应影响难以准确测量陶瓷层厚度的问题，基于模型驱动方法建立了前两峰值与厚度间数学映射，避免使用展宽反射峰。首先，探究了THz波与热障涂层间作用机理，发现了前两峰为测厚新特征，两峰时间差为飞行时间，其频域携带折射率信息。据此基于解析模型生成仿真信号，并利用LSTM定位前两峰作为训练集。然后，提出了双路残差网络处理时域与频域数据获取飞行时间与折射率，对两流进行物理连接求解厚度，分析了测厚误差数学分布，基于2sigma准则判定异常值，提升测厚精度。最后，实验与仿真结果表明，所构建方法具有较高测厚精度，相比于Fukuchi方法，最大测厚相对误差由11.01%下降至2.94%，测厚误差大于3%个数由29个下降至0个。 5.针对模型驱动测厚方法受仿真信号与实验信号间差异影响导致检测精度不佳的问题，提出了仿真为主与实验辅助混合数据集，并引入THz物理机理构建了可解释测厚网络，获取高精度测量结果。首先，探索THz波在热障涂层内传播机理，分别设计了减法层获取了飞行时间，傅里叶变化层提取陶瓷层折射率，并依据测厚公式构建了除法层对两者进行连接，形成了深度可解释网络框架。然后，考虑到仿真与实验信号间不平衡关系，构建了数模联动损失函数，使算法聚焦于减少实验样本测厚误差。最后，实验与仿真结果表明，所构建方法测厚精度较高且结果一致性较好，相比于模型驱动方法，相对误差大于1%测厚结果由116个下降至29个。 6.针对现有测厚结果评价方法需要借助破坏性检测结果的问题，提出了物理约束迁移学习测厚结果自评价方法。首先，基于第六章深度学习框架分别测量厚度、折射率等参数作为解析模型输入，获取了仿真信号并与原始信号相减生成残差信号。然后，研究了残差信号与测厚误差间的数学映射，但考虑到实验残差与仿真残差存在差异，提出了物理约束层，主动放大吻合较好前两峰残差，减小源域与目标域间不一致性，提升了迁移学习网络对实际测厚结果评价精度。最后，实验与仿真结果表明，所构建方法对测厚结果评价精度为96%，特别对相对误差大于2%异常值能够完全精确辨识，为后续测厚方法性能提升奠定基础。 7.设计了热障涂层THz测厚软件框架，采用C#为编程语言，集成了解混叠、反射峰自动定位、厚度测量、测厚结果自评价等功能，并开展了性能测试，结果表明，所构建软件能够满足实际检测需求。 通过上述研究有望形成微观不均匀热障涂层THz厚度检测理论、方法以及专用软件，用于提升THz系统检测精度，实现厚度准确测量，对评估叶片涂层制造质量具有重要理论意义和工程应用价值。
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