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Temperature Monitoring of Through-Thickness Temperature Gradients in Thermal Barrier Coatings Using Ultrasonic Guided Waves

热障涂层 超声波传感器 材料科学 固体力学 复合材料 热的 声学 光学 涂层 气象学 物理
作者
Lawrence Yule,Nicholas R. Harris,Martyn Hill,Bahareh Zaghari
出处
期刊:Journal of Nondestructive Evaluation [Springer Science+Business Media]
卷期号:43 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1007/s10921-023-01038-5
摘要

Abstract Ultrasonic guided waves offer a promising method of monitoring the online temperature of plate-like structures in extreme environments, such as aero-engine nozzle guide vanes (NGVs), and can provide the resolution, response rate, and robust operation that is required in aerospace. Previous investigations have shown the potential of such a system but the effect of the complex physical environment on wave propagation is yet to be considered. This article uses a numerical approach to investigate how thermal barrier coatings (TBCs) applied to the surface of many components designed for extreme thermal conditions will affect ultrasonic guided wave propagation, and how a system can be employed to monitor through-thickness temperature changes. The top coat/bond coat boundary in NGVs has been shown to be a temperature critical point that is difficult to monitor with traditional temperature sensors, which highlights the potential of ultrasonic guided waves. Differences in application method and layer thickness are considered, and analysis of through-thickness displacement profiles and dispersion curves are used to predict signal response and determine the most suitable mode of operation. Heat transfer simulations (COMSOL) have been used to predict temperature gradients within a TBC, and dispersion curves have been produced from the temperature dependant material properties. Time dependant simulations of wave propagation are in good agreement with dispersion curve predictions of wave velocity for the two lowest order modes in three thicknesses of TBC top coat (100, 250, and 500 $$\upmu \hbox {m}$$ μ m ). When wave velocity measurements from the simulations are compared to dispersion curves generated at isotropic temperatures, the corresponding temperature represents the average temperature of a gradient system well. Such a measurement system could, in principle, be used in conjunction with surface temperature measurement systems to monitor through-thickness temperature changes.

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