專利名稱：一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于高溫部件檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及的是一種用于模擬和實(shí)時測試 高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置，特別涉及的是一種用于模擬航空發(fā)動機(jī)高溫合金和帶熱 障涂層高溫部件的熱疲勞工作環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)多個熱疲勞失效參數(shù)實(shí)時測試的試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著航空發(fā)動機(jī)向高涵道比、高推重比、高渦輪進(jìn)口溫度方向發(fā)展，發(fā)動 機(jī)高溫部件的工作溫度越來越高，特別是燃燒室中的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣撸缛?氣壓力與第一代機(jī)器相比已提高3倍，燃?xì)鉁囟纫殉^1650°C，這使得高溫部件的強(qiáng)度、可 靠性和隔熱問題就顯得尤為突出。為了保證發(fā)動機(jī)高溫金屬部件的性能，盡可能延長發(fā)動 機(jī)的壽命，研發(fā)人員不斷提出新的解決方法一方面，改進(jìn)高溫合金的制備工藝，提高其熔 點(diǎn)和高溫強(qiáng)度等指標(biāo)；另一方面，利用非金屬高熔點(diǎn)高強(qiáng)度的特點(diǎn)，使用單體結(jié)構(gòu)陶瓷氮化 硅、碳化硅和氧化鋯以及陶瓷基復(fù)合材料代替部分高溫合金，或者涂覆在高溫合金表面以 起到隔熱降溫保護(hù)作用；其次是設(shè)計先進(jìn)的復(fù)合冷卻方式，降低高溫部件的表面及內(nèi)部溫 度，延長了高溫部件的使用壽命。然而，在實(shí)際服役中，由于高溫氧化、材料參數(shù)不匹配、高 溫材料變形、熱應(yīng)力等因素影響，這些高溫部件(如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、葉槽、轉(zhuǎn)子等)長 期處于高溫、高燃?xì)鉀_蝕、高次熱疲勞的惡劣服役環(huán)境，通常出現(xiàn)開裂、脫落、界面分離等熱 疲勞失效和斷裂，降低了高溫部件的使用壽命和可靠性。熱疲勞是由于溫度變化引起的材料自由膨脹或收縮受到約束。其結(jié)果是在材料內(nèi) 部因變形受限制而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)溫度反復(fù)變化時，這種熱應(yīng)力也反復(fù)變化，致使材料受到 損傷。航空發(fā)動機(jī)內(nèi)很多高溫部件(如火箭筒、氣缸、發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣管道、鍛模等)經(jīng)常 承受熱應(yīng)力反復(fù)加載作用而出現(xiàn)熱疲勞裂紋。而熱疲勞裂紋一般沿表面熱應(yīng)變最大的區(qū)域 形成的，也常從應(yīng)力集中處萌生。那么對于實(shí)際工作環(huán)境，我們?nèi)绾伪O(jiān)測這些具有復(fù)雜幾何 形狀高溫部件材料的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力？如何監(jiān)測判斷高溫部件疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展的時 刻和具體位置？如何判定這些高溫部件的疲勞失效時間和使用壽命？面對這些棘手的高 溫測試難題，目前國內(nèi)外航天工作者主要通過地面模擬服役環(huán)境的地面試驗(yàn)，如熱沖擊試 驗(yàn)、高溫風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、發(fā)動機(jī)試車臺整機(jī)實(shí)驗(yàn)、單管燃燒器等。盡管這些方法能夠模擬航空發(fā) 動機(jī)內(nèi)的某些工作環(huán)境，但是人力、物力耗費(fèi)很大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，而且缺乏或無法實(shí)時 獲得試樣的關(guān)鍵信息，因此很難一種用于航空發(fā)動機(jī)的前期產(chǎn)品研發(fā)和中試試驗(yàn)。因此通 過設(shè)計相關(guān)試驗(yàn)裝置和模擬試驗(yàn)，如何經(jīng)濟(jì)有效地對高溫部件熱疲勞斷裂失效行為進(jìn)行表 征，將是航天工作者必須直接面對的現(xiàn)實(shí)工程問題。目前涉及到模擬和測試航空發(fā)動機(jī)內(nèi)高溫部件熱疲勞性能方面的試驗(yàn)裝置有宮 聲凱等人為改善現(xiàn)有環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M裝置中只能模擬單一環(huán)境狀況的缺陷，設(shè)計和研制了一 類熱障涂層服役環(huán)境模擬裝置(專利公開號CN1699994)，對空心圓柱形熱障涂層試樣能 夠?qū)崿F(xiàn)溫度和機(jī)械載荷同步上升、保持和下降，能夠?qū)崟r測試溫度分布、界面裂紋擴(kuò)展情 況。雖然該裝置能模擬航空發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境，主要側(cè)重于在加載和加溫條件下，測試普通涂層試樣的界面氧化、裂紋擴(kuò)展情況，但是還不具備實(shí)時測試高溫部件的表面形貌、整體 變形情況和應(yīng)力分布的功能。成來飛等人公開了一種航空發(fā)動機(jī)材料熱端環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M 方法與裝置(專利公開號CN1546974A)，其裝置是將常壓亞音速風(fēng)洞和材料性能試驗(yàn)機(jī)相 結(jié)合，采用氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷作為燃燒室內(nèi)襯來提高燃燒室的耐高溫水平，其試件架+ 轉(zhuǎn)動鉸鏈+轉(zhuǎn)動手柄的結(jié)構(gòu)可進(jìn)行熱震模擬。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有實(shí)時檢測高溫部件熱疲勞失效中存在的棘手難題， 提供一種用于模擬與實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置，并在試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)對多 個熱疲勞參數(shù)進(jìn)行原位測試，為高溫部件的熱疲勞性能以及可靠性評估提供有效的解決辦 法。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為所述試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)測試臺，以及分別 與該試驗(yàn)測試臺連接的高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)、溫度測試采集系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、非接觸式三 維變形測試系統(tǒng)、聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)、交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)、試驗(yàn)控制平臺。試驗(yàn)測試臺結(jié)構(gòu)為在試驗(yàn)測試平臺上中間位置安裝有1個用于夾持試樣的夾具 及夾具固定裝置，夾具上下位置可調(diào)；在夾具的兩側(cè)分別設(shè)置由內(nèi)定位板和外定位板支撐 的移動導(dǎo)軌，在移動導(dǎo)軌上設(shè)置噴槍固定裝置，在夾具的一側(cè)、靠近夾具的位置設(shè)置一個或 多個熱電偶固定裝置，在其中一個外定位板的外側(cè)設(shè)置2個CCD攝像機(jī)。所述高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)包括2個加熱噴槍，加熱范圍為20°C 3000°C，用噴 槍固定裝置固定，由伺服電機(jī)控制噴槍移動；所述噴槍固定裝置內(nèi)通有冷卻循環(huán)水。所述試驗(yàn)控制平臺控制試驗(yàn)測試平臺上的所有機(jī)械傳動以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集； 試驗(yàn)控制平臺上包括溫度顯示儀、計算機(jī)顯示器、行程控制開關(guān)、電源指示燈、急停開關(guān)、工 作狀態(tài)顯示燈、冷卻系統(tǒng)控制開關(guān)、冷卻系統(tǒng)工作指示燈、計算機(jī)。所述溫度測試采集系統(tǒng)包括熱電偶、溫度顯示儀、溫度采集軟件，所述熱電偶與試 驗(yàn)控制平臺上的溫度顯示儀連接。所述熱電偶采用B型1600°C的鉬銠熱電偶，測定試樣的表面、內(nèi)通道、冷卻氣體出 口六點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)隔熱效果及指定位置的溫度測試。所述冷卻系統(tǒng)包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、冷卻水箱、流量閥、冷卻通道入口 ；冷 卻氣體經(jīng)冷卻通道入口及冷卻水箱，由試樣內(nèi)部冷卻通道的底部入口進(jìn)入，經(jīng)試樣內(nèi)通道， 由頂部的冷卻氣體出口排出。所述非接觸式三維變形測試系統(tǒng)為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)，完 成在高溫環(huán)境下對試樣的應(yīng)變場分布、應(yīng)力場分布和位移場分布情況進(jìn)行實(shí)時測試和分 析。所述聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)為靈敏度在IO-8Cm量級的PCI-2型聲發(fā)射無損檢測系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在高溫?zé)嵫h(huán)條件下，對試樣內(nèi)部動態(tài)原位檢測裂紋的萌生、擴(kuò)展以及裂紋定位。所述交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)為1260+1296型材料電性能交流阻抗頻譜監(jiān)測系 統(tǒng)，對帶熱障涂層的試樣進(jìn)行熱障涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂紋萌生以及界面氧化的實(shí)時測試。本實(shí)用新型的有益效果為(1)本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置的高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)以高速氧乙炔火焰作加熱源，升溫和降溫速率快，可達(dá)到航空發(fā)動機(jī)內(nèi)高溫材料的工作溫度。該加熱系統(tǒng)是采用對 稱結(jié)構(gòu)的雙向環(huán)繞加熱方式，使試樣表面受熱較均勻，再通過機(jī)械傳動裝置控制加熱火焰 槍到試樣表面的距離，可以方便地調(diào)節(jié)加熱區(qū)域和加熱溫度，模擬高溫?zé)崞诜郗h(huán)境。加 熱系統(tǒng)的特點(diǎn)是加熱的溫度范圍寬，可實(shí)現(xiàn)從20°C 3000°C范圍的加熱；操作簡單，試驗(yàn) 設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)成本低，并且便于實(shí)現(xiàn)與其它測試儀器一起協(xié)調(diào)測試。(2)本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置有2種不同類型的冷卻裝置，一種是對高溫夾具的 冷卻系統(tǒng)，通以冷卻水的方式進(jìn)行冷卻；另一種是對帶冷卻通道的試樣進(jìn)行冷卻，通以冷卻 空氣的方式進(jìn)行冷卻。例如以帶熱障涂層的空心渦輪葉片試樣為例，對渦輪葉片底端做加 工處理，設(shè)置內(nèi)螺紋，接冷卻通道，通冷卻空氣對渦輪葉片進(jìn)行內(nèi)流冷卻，保證葉片內(nèi)表面 溫度保持在設(shè)定的溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從陶瓷表面至葉片內(nèi)表面形成一個溫度梯度。冷卻氣流 量由流量閥控制和測量。通過外接熱電偶，可以測量記錄試樣表面、試樣內(nèi)部、冷卻氣流等 6點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，有效評價涂層的隔熱效果。(3)本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置采用德國GOM公司生產(chǎn)的ARAMIS非接觸式三維變 形在線測量系統(tǒng)作為高溫環(huán)境下試樣三維變形測試裝置。其測試原理是采用數(shù)字圖像相 關(guān)方法(DIC法)，即對待測物體拍攝變形前后兩幅散斑場，系統(tǒng)軟件將散斑場轉(zhuǎn)成數(shù)字散 斑場進(jìn)行運(yùn)算，可以量測真實(shí)物體的面內(nèi)移動、實(shí)現(xiàn)非接觸、全場性、現(xiàn)地使用、及便于自動 化。該儀器的主要技術(shù)參數(shù)有被測量試樣表面溫度可高達(dá)1500°C ；C⑶攝像機(jī)分辨率是 2448X2050像素；實(shí)時數(shù)據(jù)處理，其采樣頻率是15_29Hz ；應(yīng)變測量范圍0. 01% 500% ； 離面應(yīng)變的測量最大值是140mm。(4)本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射動 態(tài)原位檢測及信號采集處理系統(tǒng)，動態(tài)實(shí)時監(jiān)測在熱疲勞模擬試驗(yàn)過程中帶隔熱涂層的高 溫部件試樣內(nèi)部或表面裂紋的萌生與擴(kuò)展過程。其測試原理是當(dāng)涂層內(nèi)部及表面產(chǎn)生裂 紋時，將發(fā)射出聲波。采用雙通道的探測器，該系統(tǒng)能夠?qū)β暡ǖ臋z測來判斷裂紋的位置、 類型。該儀器的主要技術(shù)參數(shù)是內(nèi)置的18位A/D轉(zhuǎn)換器和處理器更適一種用于低振幅、低 門檻值(17dB)的設(shè)置、最大信號幅度100dB、動態(tài)范圍> 85dB、4個高通和6個低通；PCI-2 上裝有聲發(fā)射數(shù)據(jù)流量器，可將聲發(fā)射波形不斷的轉(zhuǎn)向硬盤，速度可達(dá)IOM個/秒；PCI-2 板上裝有2個可選參數(shù)通道，該通道有16位的A/D轉(zhuǎn)換器，速度為10000個/秒，并行多個 FPGA處理器和ASIC IC芯片。(5)本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置選用英國Solartron公司的1260+1296型材料電性 能交流阻抗譜測試系統(tǒng)。該裝置具有對帶涂層高溫部件的物理性能、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、 缺陷等非常敏感的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在高溫材料的服役過程中對上述的變化進(jìn)行原位評估與 監(jiān)測。該儀器的主要技術(shù)參數(shù)是電流范圍是200nA 2A ；電流分辨率是IpA ；電壓范圍是 士 14. 5V ；電壓分辨率是1μ V ；頻率范圍是10 μ IM Hz。綜上所述，本實(shí)用新型的試驗(yàn)裝置具有以下突出的特點(diǎn)a.能模擬航空發(fā)動機(jī)內(nèi) 溫度交變循環(huán)的熱疲勞工作環(huán)境，獲得有針對性的試驗(yàn)結(jié)果，為預(yù)測高溫部件的服役壽命 提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。b.能夠?qū)崟r測試復(fù)雜幾何形狀試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像 演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展情況、冷 卻氣流量。其中本裝置一個最突出的功能是在高溫環(huán)境下能實(shí)時獲得高溫部件的整體變 形分布情況，這將對有效預(yù)測高溫材料的破壞情況和可靠性提供非常重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前尚未見具有這方面功能的試驗(yàn)裝置的專利報道。c.該裝置的工作溫度范圍寬(最高能 達(dá)到3000°C )，能完成模擬不同領(lǐng)域內(nèi)高溫部件材料熱疲勞失效的測試，應(yīng)用性強(qiáng)。

圖1是所述試驗(yàn)裝置的整體示意圖；圖2是所述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)測試臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是所述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)控制平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是被測高溫試樣與測試裝置連接關(guān)系圖。圖中標(biāo)號101-試驗(yàn)測試平臺；2-試驗(yàn)控制平臺；11-聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)；12-溫度測試 采集系統(tǒng)；13-交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)；14-冷卻系統(tǒng)；16-非接觸式三維變形測試系統(tǒng)； 102-滑動輪；103-冷卻水箱；104-溫度計；105-冷卻通道入口 ；106-流量閥；107-夾具固 定裝置；108-CXD攝像機(jī)固定裝置；109-CXD攝像機(jī)；110-燃?xì)饪刂崎_關(guān)固定基座；111-夾 具；112-噴槍固定裝置；113-內(nèi)定位板；114-外定位板；115-熱電偶固定裝置；116-移 動導(dǎo)軌；201-電源開關(guān)；202-行程控制開關(guān)；203-工作狀態(tài)顯示燈；204-電源指示燈； 205-溫度顯示儀；206-計算機(jī)顯示器；207-冷卻系統(tǒng)控制開關(guān)；208-冷卻系統(tǒng)工作指示 燈；209-急停開關(guān)；5-試樣；501-波導(dǎo)管；502-電極；503-熱電偶；504-冷卻頂部出口 ； 505-冷卻底部入口。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置，下 面通過附圖說明和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)測試臺，分別與該試驗(yàn)測試臺連接的 高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)、溫度測試采集系統(tǒng)12、冷卻系統(tǒng)14、非接觸式三維變形測試系統(tǒng) 16、聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)11、交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)13、試驗(yàn)控制平臺2。如圖2所示，試驗(yàn)測試臺結(jié)構(gòu)為在試驗(yàn)測試平臺101上中間位置安裝有1個用于 夾持試樣5的夾具111及夾具固定裝置107，夾具111上下位置可調(diào)；在夾具111的兩側(cè)分 別設(shè)置由內(nèi)定位板113和外定位板114支撐的移動導(dǎo)軌116，在移動導(dǎo)軌116上設(shè)置噴槍固 定裝置112，在夾具111的一側(cè)、靠近夾具111的位置設(shè)置6個熱電偶固定裝置115，在其中 一個外定位板114的外側(cè)設(shè)置CXD攝像機(jī)109。高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)包括2個加熱噴槍，加熱范圍為20°C 3000°C，用噴槍固 定裝置112固定，由伺服電機(jī)控制噴槍移動；所述噴槍固定裝置112內(nèi)通有冷卻循環(huán)水。如圖3所示，試驗(yàn)控制平臺2控制試驗(yàn)測試平臺101上的所有機(jī)械傳動以及實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)控制平臺2上設(shè)有溫度顯示儀205、計算機(jī)顯示器206、行程控制開關(guān)202、 電源指示燈204、急停開關(guān)209、工作狀態(tài)顯示燈203、冷卻系統(tǒng)控制開關(guān)207、冷卻系統(tǒng)工作 指示燈208、計算機(jī)。如圖4所示，溫度測試采集系統(tǒng)12包括熱電偶503、溫度顯示儀205、溫度采集軟 件，所述熱電偶503與試驗(yàn)控制平臺2上的溫度顯示儀205連接。所述熱電偶503采用B 型1600°C的鉬銠熱電偶，測定試樣5的表面、內(nèi)通道、冷卻氣體出口六點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)隔熱效果及指定位置的溫度測試。6只熱電偶503分別通過6個自由移動的熱電偶固定裝置115 擺放于試驗(yàn)測試平臺101上，熱電偶503與試驗(yàn)控制平臺2上的溫度顯示儀205及計算機(jī) 相連接；冷卻空氣通過冷卻通道入口 105，經(jīng)冷卻水箱103，由試樣冷卻底部入口 505進(jìn)入， 經(jīng)試樣冷卻頂部出口 504排出，系統(tǒng)通過流量閥106控制冷卻空氣流量及測試流量；CCD 攝像機(jī)109與應(yīng)變在線測試臺4連接；試樣5表面安裝有兩個電極502，分別與交流復(fù)阻抗 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)13連接；試樣5兩端焊接兩個波導(dǎo)管501，波導(dǎo)管與聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)11 連接。冷卻系統(tǒng)14包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、冷卻水箱103、流量閥106、冷卻通道入 口 105 ；冷卻氣體經(jīng)冷卻通道入口 105及冷卻水箱103，由試樣5內(nèi)部冷卻通道的冷卻底部 入口進(jìn)入，經(jīng)試樣內(nèi)通道，由頂部的冷卻氣體出口排出。非接觸式三維變形測試系統(tǒng)16為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)，完成 在高溫環(huán)境下對試樣5的應(yīng)變場分布、應(yīng)力場分布和位移場分布情況進(jìn)行實(shí)時測試和分 析。聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)11為靈敏度在IO-8Cm量級的PCI-2型聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)在高溫?zé)嵫h(huán)條件下，對試樣內(nèi)部動態(tài)原位檢測裂紋的萌生、擴(kuò)展以及裂紋定位。交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)13為1260+1296型材料電性能交流阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)， 對帶熱障涂層的試樣5進(jìn)行熱障涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂紋萌生以及界面氧化的實(shí)時測試。使用所述試驗(yàn)裝置對帶熱障涂層的渦輪葉片進(jìn)行熱疲勞模擬試驗(yàn)及實(shí)時測試的 步驟為第一步，制備試樣采用等離子噴涂工藝，在某型號空心渦輪葉片表面噴涂熱障涂 層隔熱材料。其系統(tǒng)組成是過渡層材料為MCrAIY合金，其厚度約為IOOym;陶瓷粉末材 料為含8% Y2O3的二氧化鋯，陶瓷層厚度約為300 μ m。最后在試樣表面噴灑一層黑色耐超 高溫漆，使試樣表面形成有較高反光性能的散斑場，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在 線測量系統(tǒng)的特征散斑場。第二步，用電焊設(shè)備把測試用的電極502、波導(dǎo)管501分別焊在第一步所完成的帶 熱障涂層的渦輪葉片試樣表面和兩端金屬基底上，把電極502和波導(dǎo)管501另一端連接到 聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)11和交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)13，然后把帶熱障涂層的渦輪葉片試 樣5固定夾具115上。然后將4支熱電偶503固定在渦輪葉片陶瓷涂層表面、1支熱電偶 固定在渦輪葉片冷卻通道的冷卻底部入口 505處、1支熱電偶固定在葉片冷卻通道的冷卻 頂部出口 504處。每支熱電偶分別連接到溫度測試采集系統(tǒng)12，并判斷各儀器是否正常工 作。第三步，啟動ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)。調(diào)節(jié)好CXD攝像頭109，確定所 關(guān)注待測試樣的區(qū)域，并做好前期標(biāo)定工作。運(yùn)行應(yīng)變測試軟件，設(shè)定ARAMIS測試軟件拍 攝頻率為1張/5秒，在線測試自動保存數(shù)據(jù)模式。第四步，打開試樣夾具111和噴槍固定裝置112的冷卻水開關(guān)。打開渦輪葉片內(nèi) 部通道的冷卻氣體控制開關(guān)，使冷卻氣體從渦輪葉片底部冷卻通道進(jìn)入葉片內(nèi)，由頂部通 孔排出，使陶瓷涂層表面至金屬基底內(nèi)表面形成高溫度梯度。第五步，啟動氧乙炔快速雙向加熱裝置，調(diào)節(jié)燃?xì)鈿饬髁?，點(diǎn)火8 10秒后燃?xì)鉁?度穩(wěn)定。通過控制機(jī)械傳動開關(guān)，對渦輪葉片表面進(jìn)行雙面快速加熱，升溫速率約100°C /s，使表面溫度穩(wěn)定在1150(TC左右，并保持5分鐘。在該具體實(shí)施例中，每一個熱循環(huán)方式 是加熱時間10s，保溫時間為300s，冷卻時間200s。設(shè)定熱循環(huán)次數(shù)是500次。第六步，在熱疲勞模擬實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時測試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣 的溫度場變化、三維變形場變化、三維位移場變化、陶瓷涂層表面形貌的演變、聲發(fā)射監(jiān)測 的事件數(shù)量、界面氧化層的生長演變規(guī)律和涂層脫落情況等。第七步，待模擬實(shí)驗(yàn)完成后，分析和整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷帶熱障涂層的渦輪葉片中 涂層的失效機(jī)理和危險區(qū)域。
權(quán)利要求一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置包括試驗(yàn)測試臺，以及分別與該試驗(yàn)測試臺連接的高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)、溫度測試采集系統(tǒng)(12)、冷卻系統(tǒng)(14)、非接觸式三維變形測試系統(tǒng)(16)、聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)(11)、交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)(13)、試驗(yàn)控制平臺(2)；試驗(yàn)測試臺結(jié)構(gòu)為在試驗(yàn)測試平臺(101)上中間位置安裝有1個用于夾持試樣(5)的夾具(111)及夾具固定裝置(107)，夾具(111)上下位置可調(diào)；在夾具(111)的兩側(cè)分別設(shè)置由內(nèi)定位板(113)和外定位板(114)支撐的移動導(dǎo)軌(116)，在移動導(dǎo)軌(116)上設(shè)置噴槍固定裝置(112)，在夾具(111)的一側(cè)、靠近夾具(111)的位置設(shè)置一個或多個熱電偶固定裝置(115)，在其中一個外定位板(114)的外側(cè)設(shè)置2個CCD攝像機(jī)(109)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)包括2個加熱噴槍，加熱范圍為20°C 3000°C，用 噴槍固定裝置(112)固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝 置，其特征在于，所述溫度測試采集系統(tǒng)(12)包括由熱電偶固定裝置(115)固定的熱電偶 (503)、試驗(yàn)控制平臺⑵上的溫度顯示儀(205)、溫度采集軟件，所述熱電偶(503)與溫度 顯示儀(205)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述熱電偶(503)采用B型1600°C的鉬銠熱電偶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝 置，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)(14)包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、冷卻水箱(103)、流量閥 (106)、冷卻通道入口 (105)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述非接觸式三維變形測試系統(tǒng)(16)為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量 系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)(11)為靈敏度在IO-8Cm量級的PCI-2型聲發(fā)射無損 檢測系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測系統(tǒng)(13)為1260+1296型材料電性能交流阻抗頻譜 監(jiān)測系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型屬手高溫部件檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及的是一種用手模擬和實(shí)時測試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置。裝置主要包括高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)、實(shí)時溫度測試采集系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)、PCI-2聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)、1260+1296型材料電性能交流阻抗譜測試系統(tǒng)、試驗(yàn)控制平臺等。該裝置能夠模擬高性能航空發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度交變循環(huán)的熱疲勞工作環(huán)境，并同步實(shí)現(xiàn)對試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展、冷卻氣流量等數(shù)據(jù)實(shí)時測試和分析?？蔀橛行гu估高溫部件在高溫?zé)嵫h(huán)環(huán)境下的疲勞失效過程及失效機(jī)理提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺。
文檔編號G01N3/04GK201681029SQ201020000159
公開日2010年12月22日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者吳多錦, 周益春, 楊麗, 毛衛(wèi)國 申請人:湘潭大學(xué)