پایش پیوسته¬ سلامت ساختاری قطعات مکانیکی ثابت و متحرّک به روش امپدانس الکترومکانیکی با استفاده از پوشش¬دهی فیلم¬ ضخیم ترانسدیوسر پیزوالکتریک

STUDENT

DEGREE

YEAR

Continuous structural health monitoring of stationary and moving structures has been considered based on electromechanical impedance/admittance (EMI/EMA) spectrum of piezoelectric thick films as wafer active transducers. This method is an effective approach to predict the probable damages, improve safety, reduce maintenance costs and estimate the lifetime of industrial parts in a variety of sensitive structures. Thin and thick piezoelectric films of a) lead zirconate-titanate (PbZr 0.52 Ti 0.48 O 3 - PZT) with morphotropic phase boundary (MPB) and perovskite structure, b) bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 -BiT), c) PZT-PZT composite, and d) PZT-BiT composite, were deposited on flat and curved surface of silica (SiO 2 ), silicon wafer (Si) and platinum (Pt) substrates with different thicknesses and properties using photochemical metal-organic deposition and hybrid sol-gel techniques. Thereby, a desirable crack-free coating was obtained with minimal agglomeration, porosity, residual stress and maximum achievable piezoelectric constants. In this study, thick piezoelectric films was also deposited on the convex surfaces of nickel-based super alloy blades Ruston-TA 1750 (IN738) and Pratt Whitney JT8D (IN718) for structural health monitoring considering negligible disturbance in dynamic behaviour of rotary blades. The impact of damage formation and temperature increase were detected on the impedance peak amplitudes and the corresponding resonance/anti-resonance frequencies of the pristine and damaged structures. The results showed that damage formation and propagation shifts the frequency of E/M impedance peaks toward lower frequencies, increases the peak amplitudes and causes the appearance of new peaks. Temperature has the same influence on impedance response only in terms of decreased peak frequencies and emersion of new peaks; but the impedance peak amplitudes are dropped down as the temperature increases which is in agreement with recent studies. To perform a moving state SHM, a turbomachine prototype was designed and manufactured combined of a DC electromotor, rotational shaft, cooling circuit, aluminum disk, digital tachometer, paraboloid composite nacelle and piezoelectric-coated super alloy blades IN718, used for diagnosis and damage detection of six rotating blades at speeds and temperatures up to 2000 rpm and 100°C, respectively. Since, application of conventional impedance analyzers is not reasonable in moving state, design and manufacturing of a novel frequency swept signal transceiver with maximum frequency of 2 MHz (to/from piezoelectric transducers) is one of the main procedures of present study as the heart of a portable impedance analyzer evaluated for both stationary and moving states. The received signal shows sensible changes in E/M impedance spectrum of damaged blades compared to pristine ones. Therefore, it is possible to detect the formation ofinitial damages prior to any catastrophic failure in stationary and moving states using statistical analysis of E/M impedance spectrum. Keywords : Piezoelectric Thin/Thick Film, PZT, BiT, Characterization, Structural Health Monitoring.

پایش پیوسته ی سلامت ساختاری [1] مبتنی بر امپدانس/ادمیتانس الکترومکانیکی [2] به روش پوشش دهی فیلم ضخیم فعّال پیزوالکتریک به منظور تشخیص پیدایش آسیب در ساختارهای فلزی، غیرفلزی و سوپرآلیاژ در شرایط ساکن و متحرّک مورد بررسی قرار گرفته است. این روش یکی از مؤثرترین راهکارهای پیش بینی آسیب ، ارتقای سطح ایمنی، کاهش هزینه ها و بررسی طول عمر قطعات صنعتی در سازه های مختلف از جمله توربوفن ها، کمپرسورها، رآکتورها، توربین های نیروگاهی، شاتل های فضایی، بدنه ی هواپیما و به خصوص پره های تیتانیوم یا سوپرآلیاژ در صنایع هوایی است. فیلم های نازک و ضخیم پیزوالکتریک از جنس الف) زیرکونات - تیتانات سرب (PZT) با ساختار پرواسکایت و شبکه ی مورفوتروپیک Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 ، ب) تیتانات بیسموت (-BiT Bi 4 Ti 3 O 12 )، ج) کامپوزیتZT-PZT و د) کامپوزیت PZT-BiT با ضخامت ها و ویژگی های مختلف بر روی زیرلایه های تخت و یا دارای انحنا از جنس شیشه ی کوارتز، سیلیکون و پلاتین به دو روش سل- ژل شامل متال اورگانیک فتوشیمیایی و سل- ژل هیبریدی تحت شرایط مختلف عملیات حرارتی پوشش دهی شد تا در نهایت پوشش مطلوب و بدون ترک با حداقل انباشتگی موضعی، تخلخل، تنش پسماند و بیشترین ضرایب دی الکتریک، قطبیت پسماند فروالکتریک و ثوابت پیزوالکتریک حاصل شود. استفاده از پیش مواد جدید و سازگار با محیط زیست و عدم استفاده از مواد افزودنی در تولید فیلم های ضخیم تا 100 میکرون بر سطوح غیرتخت از دستاوردهای مهم این پژوهش است. در این پژوهش همچنین پوشش فیلم ضخیم پیزوالکتریک بر سطح محدّب پره های سوپرآلیاژ پایه نیکل IN738 و IN718 نیز به منظور اجرای فرآیند پایش با کمترین اختلال در رفتار دینامیکی پره های متحرّک اعمال گردیده است. مقدار اهمی قلّه های امپدانس/ادمیتانس به علت کاهش میرایی سیستم افزایش محسوسی دارد و نقاط اوج بیشتری در نمودار مشاهده می گردد که حاکی از رزونانس ها و آنتی رزونانس های موضعی جدید است. افزایش دما از نظر کاهش فرکانس و پیدایش نقاط اوج جدید نتایج مشابهی در بر دارد؛ اما باعث کاهش مقدار اهمی قلّه های امپدانس می گردد که با نتایج پژوهش های قبلی همخوانی دارد. برای اجرای پایش در حالت پویا یک نمونه ی آزمایشگاهی توربوماشین متشکل از الکتروموتور DC، محور دوران، سیستم خنک کننده، دیسک آلومینیومی، سرعت سنج دیجیتال، بدنه ی کامپوزیتی پارابولا و پره های سوپرآلیاژ IN718 مجهز به پوشش فیلم ضخیم ترانسدیوسر پیزوسرامیک طراحی و ساخته شد و جهت شناسایی پیدایش آسیب در پره های متحرّک (حالت پویا) تا سرعت rpm 2000 و دمای C°100 مورد استفاده قرارگرفت. از آنجا که استفاده از آنالیزورهای امپدانس متداول در حالت پویا مقدور نیست، طراحی و ساخت یک مدار آنالیزور امپدانس نوین و قابل حمل با فرکانس متغیّر ارسال/ دریافت سیگنال به/ از حسگر پیزوالکتریک با امکان جاروی فرکانس تاMHz 2 از مراحل اصلی تحقیق بوده است که هم در حالت ایستا و هم پویا آزمایش شد. این سیستم از یک سو نقش ارسال سیگنال تحریک به ترانسدیوسرهای فعّال بر سطح نمونه های سالم و آسیب دیده و از سوی دیگر دریافت و ذخیره ی اطلاعات ناشی از تغییر طیف امپدانس الکترومکانیکی پره های آسیب دیده را در مقایسه با پره های سالم بر عهده دارد که بر اساس نتایج آنالیزور امپدانس مرجع IVIUM کالیبره و تنظیم شده است. نتایج نشان داد افزایش سرعت دورانی مانع کاهش فرکانس نظیر رزونانس/آنتی رزونانس الکترومکانیکی ترانسدیوسر به علت افزایش سختی دینامیکی شعاعی قطعه می گردد؛ مقدار اهمی قلّه های امپدانس/ادمیتانس با افزایش سرعت تغییر محسوسی نداشت و نقاط اوج بیشتری ناشی از رزونانس ها و آنتی رزونانس های موضعی جدید بر روی نمودار مشاهده گردید. بدین ترتیب با تحلیل اطلاعات به دست آمده از فرکانس و مقدار اهمی نقاط اوج طیف امپدانس/ادمیتانس الکترومکانیکی، پیدایش عیوب ناشی از خستگی و خوردگی قبل از وقوع سوانح خطرناک مورد ارزیابی و تشخیص قرار می گیرد. کلمات کلیدی: پایش سلامت ساختاری، ترانسدیوسر پیزوالکتریک، امپدانس الکترومکانیکی، پوشش فیلم ضخیم