專(zhuān)利名稱(chēng)：一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，特別涉及的是一種模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層渦輪葉片高溫、腐蝕、沖蝕以及動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)或靜止的服役環(huán)境，并對(duì)這一服役環(huán)境下熱障涂層的失效參數(shù)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)檢測(cè)的試驗(yàn)裝置，屬于特殊服役環(huán)境的模擬裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”，對(duì)航空航天工業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)是其推重比，以第一代戰(zhàn)斗機(jī)F86和第四代戰(zhàn)機(jī)F22為例，其發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已從小于2發(fā)展到大于10，顯然，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和效率的必然措施和必然趨勢(shì)。隨著推重比的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度不斷提高，到第四代戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了 1700 ° C左右。燃?xì)膺M(jìn)口溫度的大幅提升無(wú)疑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件即渦輪葉片材料提出了更高的要求。為了滿(mǎn)足渦輪葉片的使用要求，各國(guó)先后研制出一系列用于渦輪葉片的超級(jí)高溫合金材料，目前先進(jìn)鎳基高溫單晶的使用極限溫度為1150 ° C，顯然單獨(dú)使用高溫金屬合金材料技術(shù)已不能滿(mǎn)足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展的迫切要求。早在1953年美國(guó)的NASA中心提出了熱障涂層的概念，即將耐高溫、高隔熱的陶瓷材料涂覆在基體合金表面，以降低合金表面工作溫度從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。這一概念提出以后，立即引起了世界各國(guó)國(guó)防部門(mén)、高校和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，在美國(guó)、歐洲以及我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)計(jì)劃中，均把熱障涂層技術(shù)列為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且認(rèn)為，采用熱障涂層技術(shù)是目前大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度最切實(shí)可行的方法。熱障涂層一般由隔熱防護(hù)的陶瓷層，承受機(jī)械載荷的基底層、增強(qiáng)陶瓷與基底粘結(jié)力的中間過(guò)渡層以及在制備和服役過(guò)程中形成的氧化層組成。應(yīng)用熱障涂層的渦輪葉片通常是殼體，殼體里面用冷卻劑冷卻，葉片外表面熱障涂層的溫度可達(dá)到1100 0C 1700°C，而基底合金材料內(nèi)表面的溫度也可以達(dá)到700 °C或者更高。在實(shí)際服役過(guò)程中，熱障涂層通常出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落、界面分離等失效和斷裂。影響熱障涂層失效與斷裂的因素很多，除了自身復(fù)雜的幾何形狀、微觀結(jié)構(gòu)及各層之間的性能差異等自身原因外，最關(guān)鍵的是熱障涂層服役在極其惡劣而又復(fù)雜的熱、力、化學(xué)耦合的環(huán)境。這些復(fù)雜的服役環(huán)境包括:(I)長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境。在長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境下，熱障涂層會(huì)發(fā)生界面氧化、蠕變、熱疲勞和相變；(2)高溫化學(xué)腐蝕。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料中含Na，S，P，V等雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，以Na2SO4形式沉積在高溫部件上，因此熱障涂層的應(yīng)用經(jīng)常遇到各類(lèi)硫酸鹽的腐蝕問(wèn)題；(3)硬質(zhì)顆粒的沖蝕。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中，將不可避免的遇到夾雜硬質(zhì)顆粒的撞擊，形成沖蝕。形成沖蝕的粒子一般在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生，或者由于在燃燒過(guò)程中形成的碳顆粒，或者是由于發(fā)動(dòng)機(jī)磨損形成的粒子。要綜合考慮熱障涂層復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的熱、力、化學(xué)等多種載荷的耦合作用，依靠常規(guī)的如拉伸、彎曲、熱力疲勞、熱沖擊等力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究其失效行為是不現(xiàn)實(shí)的。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)的NASA中心就將熱障涂層在相當(dāng)高熱流密度的J-75渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試車(chē)，驗(yàn)證了熱障涂層的隔熱效果，并以此為依據(jù)調(diào)整了陶瓷層各成分的配方。但是，在實(shí)際的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上試車(chē)需耗費(fèi)巨大的人力和物力。因此，如果我們能發(fā)展熱障涂層服役環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，對(duì)其復(fù)雜的服役環(huán)境進(jìn)行模擬，對(duì)其失效過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、變形、表面形貌、裂紋的萌生與擴(kuò)展、界面形貌的演變等損傷參量進(jìn)行實(shí)時(shí)或原位的無(wú)損檢測(cè)，即直接的“看”損傷在制備或服役過(guò)程中形成、演化的過(guò)程，則能為正確的理解其失效行為、預(yù)測(cè)其服役壽命、指導(dǎo)其優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全應(yīng)用提供直接的依據(jù)和指導(dǎo)。目前涉及到模擬和測(cè)試熱障涂層服役環(huán)境模擬與失效檢測(cè)方面的試驗(yàn)裝置有:成來(lái)飛等人公開(kāi)了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料熱端環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法與裝置(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào):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(lái)提高燃燒室的耐高溫水平，其試件架+轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈+轉(zhuǎn)動(dòng)手柄的結(jié)構(gòu)可進(jìn)行熱震模擬。周洪等人研制了一種熱障涂層抗熱震性能測(cè)試裝置(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào):CN1818612)，加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程分別在試樣的涂層面和金屬基體表面進(jìn)行，能較真實(shí)的模擬覆蓋熱障涂層工件的工作情況。宮聲凱等人公開(kāi)了一種熱障涂層服役環(huán)境模擬裝置及模擬環(huán)境控制方法(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào):CN1699994)，對(duì)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(shí)測(cè)試溫度分布、界面裂紋擴(kuò)展情況。在我們前期的工作中，研制了一種用于模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào):201010000151)，能夠模擬高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)靜態(tài)高溫部件溫度交變循環(huán)的熱疲勞工作環(huán)境，并能利用非接觸式應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)、交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其損傷參量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。但這些裝置在服役環(huán)境的模擬方面，大多只能模擬熱障涂層的熱疲勞、熱震等單一載荷或是熱、力簡(jiǎn)單耦合的服役環(huán)境，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)熱障涂層高溫腐蝕尤其是沖蝕環(huán)境的模擬，更沒(méi)有實(shí)現(xiàn)熱障涂層渦輪工作葉片高速旋轉(zhuǎn)服役環(huán)境的模擬。在失效過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)方面，只有宮聲凱和我們前期設(shè)計(jì)的裝置中涉及裂紋形成時(shí)的聲發(fā)射檢測(cè)、界面氧化的復(fù)阻抗譜檢測(cè)等相關(guān)工作，但這些無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)有與裝置形成一個(gè)完整的整體，也沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的操作軟件對(duì)各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步的控制，更沒(méi)有將各種無(wú)損檢測(cè)的數(shù)據(jù)整體的顯示、記錄與分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)熱障涂層渦輪葉片高溫、沖蝕、腐蝕以及工作葉片動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)或?qū)蛉~片靜止的實(shí)際服役環(huán)境，裝置集成了多種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)熱障涂層在各種服役環(huán)境下實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、表面形貌、損傷演化、界面形貌等多個(gè)損傷參量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為熱障涂層破壞機(jī)制的理解、可靠性評(píng)估以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的解決辦法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:—種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，該裝置主要由5部分組成:(I)試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，包括模擬熱障涂層渦輪葉片中工作葉片的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模塊和模擬熱障涂層渦輪葉片導(dǎo)向葉片靜止靜態(tài)服役模塊的試樣夾持裝置、實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)、樣品室；(2)服役環(huán)境模塊，能模擬熱障涂層渦輪葉片高溫?zé)崞?、溫度梯度、沖蝕、腐蝕的高溫燃?xì)鈬姌?、沖蝕或/和腐蝕顆粒加料系統(tǒng)、腐蝕氣體輸入通道；(3)無(wú)損檢測(cè)模塊，包括溫度測(cè)試采集系統(tǒng)、非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)、聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)、復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)、高速CCD攝像系統(tǒng)；(4)冷卻系統(tǒng)，包括熱障涂層樣品的冷卻與裝置的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；(5)實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的控制與顯示模塊。裝置的主體結(jié)構(gòu)分為實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜與控制顯示柜兩大塊，試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)、服役環(huán)境模塊、無(wú)損檢測(cè)模塊和冷卻系統(tǒng)部分構(gòu)成實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜，實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的控制與顯示模塊構(gòu)成控制顯示柜。裝置的功能結(jié)構(gòu)為:在裝置試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)的中間位置安裝有能高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)試樣夾持裝置或是靜止的靜態(tài)試樣夾持裝置，動(dòng)態(tài)試樣夾持裝置由高速旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸(軸的一端與電動(dòng)機(jī)固定)、試樣夾具(安裝在軸的另一端)及固定裝置組成；靜態(tài)試樣夾持裝置由帶有角度盤(pán)的安裝軸和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試樣夾具及固定裝置組成，將軸、試樣、試樣夾具及固定裝置由石英玻璃封閉，形成密封的樣品室。樣品室的兩側(cè)安裝有內(nèi)定位板和外定位板支撐的移動(dòng)導(dǎo)軌，在移動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)置模擬熱障涂層服役環(huán)境的噴槍的固定裝置。在樣品室內(nèi)夾具的一側(cè)，設(shè)置多個(gè)熱電偶固定裝置。在樣品室的一側(cè)室壁上，開(kāi)有小孔安裝無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的電極、波導(dǎo)桿。在樣品室的外側(cè)，設(shè)置多個(gè)CCD攝像機(jī)。樣品室的上方，接除塵除濕系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上設(shè)置有顆?；厥障到y(tǒng)。在試驗(yàn)操作平臺(tái)的下方設(shè)置各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的放置位置。所述試樣夾持裝置包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，動(dòng)態(tài)時(shí)，試樣通過(guò)固定裝置直接固定在旋轉(zhuǎn)軸上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸以及夾持在軸的試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速范圍為0-12000 r/min ;靜態(tài)試樣夾持裝置包括一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)及將其固定在旋轉(zhuǎn)軸上的固定裝置，試樣沿著旋轉(zhuǎn)盤(pán)的半徑方向固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)盤(pán)及旋轉(zhuǎn)軸上分別刻有角刻度，能實(shí)現(xiàn)試樣與豎直軸呈現(xiàn)0-360°的夾角。圓盤(pán)上加工有平板狀、圓柱狀、渦輪葉片狀熱障涂層試樣的夾具，能完成各種形狀熱障涂層試樣的試驗(yàn)；所述服役環(huán)境模擬模塊的高溫環(huán)境模塊包括2個(gè)特制的加熱噴槍?zhuān)ㄟ^(guò)固定裝置固定在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上，由伺服電機(jī)通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)軌控制噴槍的移動(dòng)，且噴槍內(nèi)設(shè)置有冷卻通道，由冷卻水循環(huán)冷卻。噴槍噴射火焰的溫度可達(dá)3000 ° C，通過(guò)調(diào)節(jié)噴槍與試樣的距離樣品的加熱范圍為20 -1700 ° C;所述服役環(huán)境模塊的沖蝕顆粒加料系統(tǒng)由分別鑲嵌在2個(gè)加熱噴槍內(nèi)的顆粒管道，通過(guò)壓縮空氣將沖蝕顆?？焖?zèng)_擊至噴槍口，在高溫燃?xì)獾目焖偌訜嵯聦⒅睆綖?0-500 μ m的沖蝕顆粒以0-250 m/s的速度、20-1700° C的溫度、任意角度沖蝕在試樣的表面。所述服役環(huán)境模塊的腐蝕服役環(huán)境模塊的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是利用沖蝕顆粒通道傳輸腐蝕顆粒至噴槍出口處與高溫燃?xì)饣蚩諝獍l(fā)生反應(yīng)生成帶沖蝕效應(yīng)的高溫腐蝕；二是通過(guò)內(nèi)置在噴槍內(nèi)的腐蝕氣體管道將腐蝕氣體輸送至樣品室。樣品室的腐蝕氣壓為1-6atm。所述無(wú)損檢測(cè)模塊中的溫度采集系統(tǒng)根據(jù)試樣的動(dòng)、靜服役狀態(tài)，分為紅外測(cè)溫儀和熱電偶兩種。包括熱電偶、紅外測(cè)溫儀傳感器、溫度顯示儀、溫度采集軟件，所述熱電偶、傳感器分別與試驗(yàn)控制平臺(tái)上的溫度顯示儀連接。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述熱電偶采用B型1600 ° C的鉬銠熱電偶，測(cè)定試樣的表面、內(nèi)通道、冷卻氣體出口六點(diǎn)溫度；所述紅外測(cè)溫儀為B型1600 ° C的鉬銠熱電偶，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)定期測(cè)定試樣表面、內(nèi)通道、冷卻氣體出口的溫度，實(shí)現(xiàn)隔熱效果及指定位置的溫度測(cè)試。所述無(wú)損檢測(cè)模塊中的非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)為ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜內(nèi)，其CCD攝像頭放置在樣品室的外側(cè)，裝置控制系統(tǒng)直接調(diào)用和驅(qū)動(dòng)ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件，用以對(duì)試樣的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和分析。所述無(wú)損檢測(cè)模塊中的聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)為靈敏度在IO-8Cm量級(jí)的PC1-2型聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜內(nèi)，其傳感器、波導(dǎo)桿裝置通過(guò)樣品室的小孔與試樣相連，裝置控制系統(tǒng)直接調(diào)用和驅(qū)動(dòng)PC1-2型聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)部裂紋的萌生、擴(kuò)展的實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析。所述無(wú)損檢測(cè)模塊中的交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜內(nèi)，其測(cè)量電極通過(guò)樣品室的小孔與試樣相連，裝置控制系統(tǒng)直接調(diào)用和驅(qū)動(dòng)1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件，對(duì)熱障涂層試樣
(6)進(jìn)行界面氧化、損傷演化與腐蝕失效的實(shí)時(shí)測(cè)試。所述高速CXD攝像系統(tǒng)為AVT Manta G-504型高速攝像系統(tǒng)，500萬(wàn)像素，最大拍攝速率為9 fps/s。整個(gè)系統(tǒng)集成在整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試柜內(nèi)，其C⑶攝像頭放置在樣品室的外側(cè)，裝置的軟件系統(tǒng)直接調(diào)用和驅(qū)動(dòng)AVT Manta G-504高速攝像系統(tǒng)的測(cè)量軟件，用以對(duì)試樣(6)的表面形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。所述冷卻系統(tǒng)有兩種冷卻方式:一是對(duì)試樣的氣冷,空氣壓縮機(jī)中的冷卻氣體經(jīng)冷卻通道入口由試樣內(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；二是對(duì)氣體噴槍的水冷，冷卻水箱中水流通過(guò)流量閥的控制經(jīng)冷卻通道入口在兩個(gè)噴槍與冷卻水箱間循環(huán)流動(dòng)。所述試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)控制試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上的所有機(jī)械傳動(dòng)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)采集與調(diào)節(jié)以及無(wú)損檢測(cè)模塊(3)所有測(cè)量軟件的控制與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄與顯示；主要包括溫度顯示、聲發(fā)射信號(hào)顯示、ARAMIS非接觸式三維變形測(cè)量結(jié)果顯示、復(fù)阻抗譜測(cè)量結(jié)果顯示、高速攝像顯示、實(shí)驗(yàn)參數(shù)顯示等，行程控制開(kāi)關(guān)、電源指示燈、急停開(kāi)關(guān)、工作狀態(tài)顯示燈、冷卻系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)、冷卻系統(tǒng)工作指示燈。本發(fā)明的有益效果為:(I)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置的高溫、腐蝕與沖蝕一體化的高溫燃?xì)鈬姌尲虞d系統(tǒng)以丙烷火焰作熱源，升溫和降溫速率快，可達(dá)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫材料的工作溫度。采用空氣壓縮機(jī)將鋁、硫、磷等雜質(zhì)與腐蝕顆粒通過(guò)沖蝕顆加料系統(tǒng)快速的擠壓至噴槍端口處，被高溫燃?xì)饧訜?、反?yīng)，生成帶硬質(zhì)顆粒的強(qiáng)腐蝕氣流，或是再與腐蝕管道的腐蝕氣體交匯，模擬熱障涂層渦輪葉片高溫、腐蝕與沖蝕的服役環(huán)境。而且采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的雙向環(huán)繞加載方式，使試樣表面受載較均勻，再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置控制噴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，加載系統(tǒng)的特點(diǎn)是:加熱的溫度范圍寬，可實(shí)現(xiàn)從20-1700 ° C范圍的加熱；顆粒沖蝕的速度范圍寬，可實(shí)現(xiàn)0-250 m/s范圍的沖蝕；腐蝕環(huán)境的壓力范圍寬，可實(shí)現(xiàn)1-6 atm的腐蝕。更重要的是，加載系統(tǒng)中沖蝕、高溫與腐蝕模塊可以同時(shí)加載，模擬熱障涂層復(fù)雜的熱、力、化學(xué)耦合環(huán)境；三個(gè)模塊也可以獨(dú)立工作或兩兩組合工作，分別模擬熱障涂層單一的沖蝕、熱疲勞或熱沖擊或高溫氧化、腐蝕；又或是高溫沖蝕、高溫腐蝕、沖蝕腐蝕的服役環(huán)境。功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)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(cè)試儀器一起協(xié)調(diào)測(cè)試。(2)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置的試樣夾持裝置包括:高速電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、固定在旋轉(zhuǎn)軸上渦輪葉片夾具以及固定裝置，構(gòu)成即動(dòng)態(tài)試樣夾持裝置部分；標(biāo)有刻度的安裝軸、標(biāo)有刻度的加工有平板狀、柱狀、渦輪葉片狀?yuàn)A具的旋轉(zhuǎn)盤(pán)以及固定裝置，構(gòu)成靜態(tài)試樣夾持裝置部分。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣直接通過(guò)夾具槽固定在旋轉(zhuǎn)軸上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸及試樣高速旋轉(zhuǎn)，角速度最高可以達(dá)到12000 r/min，接近實(shí)際熱障涂層渦輪葉片的工作轉(zhuǎn)速；靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)盤(pán)的圓周平面上刻有平板狀、圓柱狀、實(shí)際渦輪葉片底座形狀的試樣槽，可以裝載各種不同形狀、大小的熱障涂層試樣或葉片。通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)盤(pán)刻度與旋轉(zhuǎn)軸上指示刻度的夾角，可實(shí)現(xiàn)熱障涂層試樣與豎直軸之間的夾角，角度范圍0-360°可調(diào)。不僅可以實(shí)現(xiàn)工作葉片和導(dǎo)向葉片旋轉(zhuǎn)與靜止的服役狀態(tài)，而且可以完成各種簡(jiǎn)單形狀熱障涂層試樣、各種不同測(cè)試條件如沖蝕角度的實(shí)驗(yàn)，分析溫度、粒子角度、速度、幾何形狀等各種因素對(duì)熱障涂層破壞機(jī)理的影響。(3)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置中集成的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)包括德國(guó)GOM公司生產(chǎn)的ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PC1-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，英國(guó)Solartron公司生產(chǎn)的1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)，德國(guó)AVT公司生產(chǎn)的AVT MantaG-504型高速攝像系統(tǒng)，分別用來(lái)測(cè)量熱障涂層試樣的三維變形，裂紋的萌生與擴(kuò)展，界面形貌演化、微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分變化，表面形貌攝像。其中三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)有:被測(cè)量試樣表面溫度可高達(dá)2000 ° C ;(XD攝像機(jī)分辨率是2448X2050像素；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，其采樣頻率是15-29 Hz;應(yīng)變測(cè)量范圍:0.01 % 500 % ;離面位移的測(cè)量最大值是140 _。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)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(mén)檻值(17 dB)的設(shè)置、最大信號(hào)幅度100 dB、動(dòng)態(tài)范圍> 85 dB、4個(gè)高通和6個(gè)低通；PC1-2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(pán)，速度可達(dá)IOM /秒；PC1-2板上裝有2個(gè)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(gè)/秒，并行多個(gè)FPGA處理器和ASIC IC芯片。復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)是:電流范圍是200 nA 2 A ;電流分辨率是I pA ;電壓范圍是±14.5 V ;電壓分辨率是I μ V;頻率范圍是10 μ IM Hz。高速攝像系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)是:最大拍攝速率為9fps/s，分辨率是2452X2054像素。(4)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置有2種不同類(lèi)型的冷卻裝置，一種是對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)溫度梯度。冷卻氣流量由流量閥控制和測(cè)量。通過(guò)外接熱電偶，可以測(cè)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(píng)價(jià)涂層的隔熱效果。(5)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置將各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)集成在裝置的試驗(yàn)測(cè)試柜內(nèi)，與環(huán)境服役模塊、試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)以及冷卻系統(tǒng)在硬件上構(gòu)成一個(gè)整體。各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，由系統(tǒng)自身的測(cè)試軟件來(lái)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但各個(gè)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)硬件與軟件的開(kāi)啟與執(zhí)行狀態(tài)由裝置的控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)服役模擬試驗(yàn)與失效實(shí)時(shí)檢測(cè)的同步運(yùn)行。裝置的實(shí)驗(yàn)控制按鈕、參數(shù)顯示、溫度顯示以及各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖形均由裝置的顯示系統(tǒng)來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一體化顯示。綜上所述，本發(fā)明具有以下突出的特點(diǎn):a.能模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層渦輪葉片高溫，沖蝕，腐蝕的服役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了熱疲勞、高溫腐蝕、高溫沖蝕等多種破壞過(guò)程的一體化模擬。目前尚未有專(zhuān)利報(bào)道這一一體化功能的試驗(yàn)裝置。b.裝置既能模擬熱障涂層工作葉片高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)服役環(huán)境，也能模擬導(dǎo)向葉片靜止的靜態(tài)服役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)熱障涂層渦輪葉片動(dòng)、靜態(tài)服役環(huán)境的一體化模擬。目前尚未有專(zhuān)利報(bào)道熱障涂層動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置，更沒(méi)有動(dòng)、靜態(tài)服役環(huán)境一體化的試驗(yàn)裝置。c.裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試熱障涂層溫度場(chǎng)、表面形貌圖像演變、三維變形場(chǎng)、三維位移場(chǎng)、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，實(shí)現(xiàn)服役環(huán)境模擬與失效過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化。因此，本裝置最大的特色是:實(shí)現(xiàn)了熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的一體化，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)服役環(huán)境的一體化，服役環(huán)境模擬與實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化，為正確理解熱障涂層渦輪葉片的破壞機(jī)理、優(yōu)化其設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和參考依據(jù)。d.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(cè)試，應(yīng)用性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明整體邏輯結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明試驗(yàn)測(cè)試柜結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明試驗(yàn)控制柜結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是被測(cè)高溫試樣與本發(fā)明連接關(guān)系圖。圖中標(biāo)號(hào):101—高速旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；102—旋轉(zhuǎn)軸；103—?jiǎng)討B(tài)旋轉(zhuǎn)試樣夾具；104—靜態(tài)試樣夾具；105—固定裝置；106—安裝軸；107—除塵系統(tǒng)；108—實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)；109—樣品室；110—內(nèi)定位板；111 一外定位板；112—移動(dòng)導(dǎo)軌；113—高溫火焰噴槍的安裝裝置；114一熱電偶；115—熱電偶固定裝置；116—紅外測(cè)溫儀；117 —CCD攝像機(jī)；118—顆粒回收通道；201—高溫火焰噴槍?zhuān)?02—沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)；203—腐蝕氣體輸入系統(tǒng)；204—燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)；205—氧氣輸入系統(tǒng)；6—樣品；3—無(wú)損檢測(cè)裝置放置區(qū)；310—非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)；320—聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)；330—復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)；401—空氣壓縮機(jī)；402—冷卻水箱；403—流量閥；404—冷卻通道入口 ；405—空心旋轉(zhuǎn)軸冷卻通道入口 ；501—顯示器放置區(qū)；502—電源指示燈；503—工作狀態(tài)指示燈；504—冷卻系統(tǒng)指示燈；505—數(shù)據(jù)采集指示燈；506—?jiǎng)討B(tài)裝置控制開(kāi)關(guān)；507—噴漆移動(dòng)控制開(kāi)關(guān)；508—數(shù)據(jù)同步米集開(kāi)關(guān)；509—冷卻系統(tǒng)開(kāi)；510—急停開(kāi)關(guān)；511—電源開(kāi)關(guān)；512—溫度顯不儀；513—聲發(fā)射信號(hào)顯示器；514—復(fù)阻抗譜測(cè)量數(shù)據(jù)顯示器；515—非接觸式三維變形測(cè)量結(jié)果顯示器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，下面通過(guò)

和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明。如圖1所示，本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)包括:試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，服役環(huán)境模塊、無(wú)損檢測(cè)模塊、冷卻系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)控制平臺(tái)。如圖2所示，圖2是本發(fā)明試驗(yàn)測(cè)試柜結(jié)構(gòu)示意圖。試驗(yàn)測(cè)試柜的結(jié)構(gòu)為:在裝置試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)的中間位置安裝有試樣加持裝置(1)，包括固定裝置(105)，高速旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)
(101)，旋轉(zhuǎn)軸(102)，動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)試樣夾具(103);靜態(tài)試樣夾具(104)，安裝軸(106)和靜態(tài)試樣夾具(104)上制作有角刻度，夾具能?chē)@軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；整個(gè)試樣加持裝置的上下位置可調(diào)；除了高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)外，試樣加持裝置裝有石英玻璃，形成密封的樣品室(109)，樣品室上方接除塵系統(tǒng)(107)，下方接實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108);樣品室(109)的兩側(cè)分別設(shè)置由內(nèi)定位板(110)和外定位板(111)支撐的移動(dòng)導(dǎo)軌(112)，在移動(dòng)導(dǎo)軌(112)上設(shè)置服役環(huán)境模塊(2)的安裝位置和固定裝置(113)，在夾具(104)的一側(cè)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)熱電偶固定裝置(115);在樣品室(109)的一側(cè)開(kāi)有無(wú)損檢測(cè)電極、波導(dǎo)桿的槽；在樣品室(109)的外側(cè)設(shè)置多個(gè)C⑶攝像機(jī)(117);設(shè)置有紅外測(cè)溫?cái)z像頭(116)。在試驗(yàn)操作平臺(tái)(108)的下方設(shè)置各種無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，包括溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)、非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)、聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)、復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)(330)、高速CCD攝像系統(tǒng)(350)。模擬熱障涂層渦輪葉片動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模塊由電動(dòng)機(jī)(101)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸(102)高速選裝，旋轉(zhuǎn)軸的一端通過(guò)動(dòng)態(tài)試樣夾持裝置(103)將試樣(6)固定在旋轉(zhuǎn)軸上井隨旋轉(zhuǎn)之，轉(zhuǎn)速范圍為0-12000 r/min ;靜態(tài)試樣夾持裝置包括一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)(104),試樣沿著旋轉(zhuǎn)盤(pán)的半徑方向固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，能實(shí)現(xiàn)試樣與豎直軸呈現(xiàn)0-360°的夾角；高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)包括2個(gè)特制的加熱噴槍?zhuān)訜岱秶鸀?0 -1700 ° C，用噴槍固定裝置(113)固定，由伺服電機(jī)控制噴槍移動(dòng)；所述噴槍內(nèi)通有冷卻循環(huán)水；模擬熱障涂層渦輪葉片所述沖蝕顆粒加料系統(tǒng)由分包鑲嵌在2個(gè)加熱噴槍內(nèi)的顆粒管道，沖蝕顆粒的速度為0-250 m/s，沖蝕顆粒的直徑10-500 u m ；模擬熱障涂層渦輪葉片所述腐蝕服役環(huán)境模塊的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是將腐蝕顆粒加在沖蝕顆粒中在加熱噴槍的出口處與高溫燃?xì)饣蚩諝獍l(fā)生反應(yīng)生成帶沖蝕顆粒的高溫腐蝕氣流。一是通過(guò)安置在噴槍下方的獨(dú)立腐蝕氣流管道將腐蝕氣體輸送至樣品室。樣品室的腐蝕氣壓為1-6 atm。如圖3所示，圖3是本發(fā)明試驗(yàn)控制柜結(jié)構(gòu)示意圖，試驗(yàn)控制平臺(tái)(5)控制試驗(yàn)測(cè)試柜中(108)上的所有機(jī)械傳動(dòng)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集的顯示。試驗(yàn)控制平臺(tái)
(5)上設(shè)有溫度顯示儀(512)、聲發(fā)射信號(hào)顯示器(513)、復(fù)阻抗譜測(cè)量數(shù)據(jù)顯示器(514)、ARAMIS非接觸式三維變形測(cè)量結(jié)果顯示器(515)、行程控制開(kāi)關(guān)(506、507)、電源指示燈(502)、急停開(kāi)關(guān)(510)、工作狀態(tài)顯示燈(503)、冷卻系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)(509)、冷卻系統(tǒng)工作指示燈(504)。如圖4所示，圖4是被測(cè)高溫試樣與本發(fā)明連接關(guān)系圖。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)包括熱電偶(114)、溫度顯示儀(512)、溫度采集軟件，所述熱電偶(114)與試驗(yàn)控制平臺(tái)(5)上的溫度顯示儀(512)連接。所述熱電偶(114)采用B型1600 ° C的鉬銠熱電偶，測(cè)定試樣(6)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(cè)試。6只熱電偶(114)分別通過(guò)6個(gè)自由移動(dòng)的熱電偶固定裝置(115)擺放于實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)上，熱電偶(114)與試驗(yàn)控制平臺(tái)(5)上的溫度顯示儀(512)及計(jì)算機(jī)相連接；冷卻空氣通過(guò)冷卻通道入口(405)，經(jīng)冷卻水箱(402)，由試樣冷卻底部入口(603)進(jìn)入，經(jīng)試樣冷卻頂部出口(604)排出，系統(tǒng)通過(guò)流量閥(403)控制冷卻空氣流量及測(cè)試流量；CXD攝像頭(117)與非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)、AVT Manta G-504型高速攝像系統(tǒng)(350)連接；試樣(6)表面安裝有兩個(gè)電極(602)，分別與交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(330)連接；試樣(6)兩端焊接兩個(gè)波導(dǎo)桿￠01)，波導(dǎo)桿與聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)連接。熱障涂層渦輪葉片或試樣動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)包括熱電偶(114)、紅外測(cè)溫儀(116)、溫度顯示儀(512)、溫度采集軟件，所述熱電偶(114)以及紅外測(cè)溫儀(116)與實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)(5)上的溫度顯示儀(512)連接。所述熱電偶(114)的類(lèi)型與靜態(tài)試驗(yàn)相同，此時(shí)只測(cè)量空心旋轉(zhuǎn)軸與試樣連接端ロ處的軸心位置的溫度，實(shí)現(xiàn)冷卻氣體溫度的測(cè)量。溫度顯示儀(512)放置在樣品室外，通過(guò)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)試樣(6)的表面、內(nèi)通道等溫度的定期測(cè)量。冷卻空氣通過(guò)冷卻通道入口(405)，經(jīng)冷卻水箱(402)，經(jīng)過(guò)空心旋轉(zhuǎn)軸(102)，由試樣冷卻底部入口(603)進(jìn)入，經(jīng)試樣冷卻頂部出ロ(604)排出，系統(tǒng)通過(guò)流量閥(403)控制冷卻空氣流量及測(cè)試流量；C⑶攝像機(jī)(117)與AVT Manta G-504型高速攝像系統(tǒng)(350)連接。所述冷卻系統(tǒng)(4)包括空氣壓縮機(jī)(401)、冷卻水箱(402)、流量閥(403)、冷卻通道入口(404)、空心旋轉(zhuǎn)軸冷卻通道入口(405);冷卻氣體經(jīng)冷卻通道入口(405)和冷卻水箱(402)進(jìn)入試樣￠)內(nèi)部冷卻通道的底部￠03)，經(jīng)試樣內(nèi)通道，由頂部的冷卻氣體出口(604)排出。非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)為ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，完成在高溫環(huán)境下對(duì)試樣(6)的應(yīng)變場(chǎng)分布、應(yīng)カ場(chǎng)分布和位移場(chǎng)分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和分析。 聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)為靈敏度在10_8cm量級(jí)的PC1-2型聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在熱障涂層試樣各種服役條件下，對(duì)試樣內(nèi)部動(dòng)態(tài)原位檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)(330)為1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)帶熱障涂層的試樣(6)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(shí)測(cè)試。C⑶攝像系統(tǒng)(350)為AVT Manta G-504高速攝像系統(tǒng)，對(duì)熱障涂層表面形貌的演變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。使用所述試驗(yàn)裝置對(duì)帶熱障涂層渦輪葉片進(jìn)行靜態(tài)模擬試驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)試的步驟為:第一歩，制備試樣:采用等離子噴涂エ藝，在某型號(hào)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(guò)渡層材料為NiCrAIY合金，其厚度約為IOOym;陶瓷粉末材料為含8 (wt.) % Y2O3的ニ氧化鋯，陶瓷層厚度約為300 u m。最后在試樣表面噴灑ー層黑色耐超高溫漆，使試樣表面形成有較高反光性能的散斑場(chǎng)，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的特征散斑場(chǎng)。第二步，用電焊設(shè)備把測(cè)試用的電極(602)、波導(dǎo)桿￠01)分別焊在第一歩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(602)和波導(dǎo)桿(601)另ー端連接到復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)(330)和聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)，然后把帶熱障涂層的渦輪葉片試樣出)固定夾具(104)上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，固定試樣與豎直軸之間的夾角。然后將4支熱電偶(114)固定在渦輪葉片陶瓷涂層表面、I支熱電偶固定在渦輪葉片冷卻通道的冷卻底部入口(603)處、I支熱電偶固定在葉片冷卻通道的冷卻頂部出口(604)處。每支熱電偶分別連接到溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(34)，并判斷各儀器是否正常工作。第三步，啟動(dòng)ARAMIS非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)。調(diào)節(jié)好CXD攝像頭(117)，確定所關(guān)注待測(cè)試樣的區(qū)域，并做好前期標(biāo)定工作。打開(kāi)應(yīng)變測(cè)試軟件，設(shè)定ARAMIS測(cè)試軟件拍攝頻率為I張/5秒，在線(xiàn)測(cè)試自動(dòng)保存數(shù)據(jù)模式；啟動(dòng)AVT Manta G-504高速攝像系統(tǒng)。調(diào)節(jié)好CCD攝像頭(117)，確定所關(guān)注待測(cè)試樣的區(qū)域。打開(kāi)測(cè)試軟件，設(shè)定AVT MantaG-504測(cè)試軟件拍攝頻率為I張/5秒，在線(xiàn)測(cè)試自動(dòng)保存數(shù)據(jù)模式。第四步，啟動(dòng)聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。打開(kāi)測(cè)試軟件，設(shè)置好閾值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)；啟動(dòng)交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打開(kāi)測(cè)試軟件，設(shè)置好頻率范圍、電壓幅值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。第五步，打開(kāi)試樣夾具(104)和噴槍固定裝置(113)的冷卻水開(kāi)關(guān)。打開(kāi)渦輪葉片內(nèi)部通道的冷卻氣體控制開(kāi)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。第六步，啟動(dòng)丙烷快速雙向加熱裝置、啟動(dòng)顆粒加料系統(tǒng)、啟動(dòng)腐蝕氣體加載裝置(視實(shí)驗(yàn)要求可選1-3種服役環(huán)境)，調(diào)節(jié)燃?xì)鈿饬髁浚詣?dòng)點(diǎn)火8 10秒后燃?xì)鉁囟确€(wěn)定在1000 ° C。通過(guò)控制機(jī)械傳動(dòng)開(kāi)關(guān)，對(duì)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1000 ° C左右，并保持10分鐘。在該具體實(shí)施例中，每ー個(gè)熱循環(huán)方式是加熱時(shí)間10 S，保溫時(shí)間為300 S，冷卻時(shí)間200 S。設(shè)定熱循環(huán)次數(shù)是500次。第七步，同時(shí)開(kāi)啟模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣的溫度場(chǎng)變化、三維變形場(chǎng)變化、三維位移場(chǎng)變化、陶瓷涂層表面形貌的演變、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的事件數(shù)量、界面氧化層的生長(zhǎng)演變規(guī)律和涂層脫落情況等。第八步，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(xiǎn)區(qū)域。使用所述試驗(yàn)裝置對(duì)帶熱障涂層渦輪葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)試的步驟為:第一歩，制備試樣:采用等離子噴涂エ藝，在某型號(hào)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(guò)渡層材料為NiCrAIY合金，其厚度約為IOOym;陶瓷粉末材料為含8 (wt.) % Y2O3的ニ氧化鋯，陶瓷層厚度約為300 u m。最后在試樣表面噴灑ー層黑色耐超高溫漆，使試樣表面形成有較高反光性能的散斑場(chǎng)，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的特征散斑場(chǎng)。第二步，將帶熱障涂層的渦輪葉片試樣(6)固定夾具(103)上。將I支熱電偶
(114)固定在空心旋轉(zhuǎn)軸冷卻通道入口(405)處，將紅外測(cè)溫儀(116)固定在樣品室(109)的外側(cè)，將熱電偶與紅外熱像儀分別連接到溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)，并判斷各儀器是否正
常工作。第三步，啟動(dòng)ARAMIS非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)。調(diào)節(jié)好CXD攝像頭(117)，確定所關(guān)注待測(cè)試樣的區(qū)域，并做好前期標(biāo)定工作。運(yùn)行應(yīng)變測(cè)試軟件，設(shè)定ARAMIS測(cè)試軟件拍攝頻率為I張/5秒，在線(xiàn)測(cè)試自動(dòng)保存數(shù)據(jù)模式。第四步，啟動(dòng)AVT Manta G-504高速攝像系統(tǒng)。調(diào)節(jié)好CXD攝像頭(117)，確定所關(guān)注待測(cè)試樣的區(qū)域。打開(kāi)測(cè)試軟件，設(shè)定AVT Manta G-504測(cè)試軟件拍攝頻率為I張/5秒，在線(xiàn)測(cè)試自動(dòng)保存數(shù)據(jù)模式。第五步，打開(kāi)試樣夾具(103)和噴槍固定裝置(113)的冷卻水開(kāi)關(guān)。打開(kāi)渦輪葉片內(nèi)部通道的冷卻氣體控制開(kāi)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。第六步，啟動(dòng)丙烷快速雙向加熱裝置、啟動(dòng)顆粒加料系統(tǒng)、啟動(dòng)腐蝕氣體加載裝置(視實(shí)驗(yàn)要求可選1-3種服役環(huán)境)，調(diào)節(jié)燃?xì)鈿饬髁?，點(diǎn)火8 10秒后燃?xì)鉁囟确€(wěn)定在1000° C。通過(guò)控制機(jī)械傳動(dòng)開(kāi)關(guān)，對(duì)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1000 ° C右，并保持5分鐘。第七步，啟動(dòng)高速電機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10000 r/min,設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為5分鐘。第八步，同時(shí)開(kāi)啟模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣的溫度場(chǎng)變化、三維變形場(chǎng)變化、三維位移場(chǎng)變化、陶瓷涂層表面形貌的演變等。第九步，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(xiǎn)區(qū)域。本發(fā)明能模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層渦輪葉片高溫，沖蝕，腐蝕的服役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了熱疲勞、高溫腐蝕、高溫沖蝕等多種破壞過(guò)程的一體化模擬；既能模擬熱障涂層工作葉片高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)服役環(huán)境，也能模擬導(dǎo)向葉片靜止的靜態(tài)服役環(huán)境，實(shí)現(xiàn)熱障涂層渦輪葉片動(dòng)、靜態(tài)服役環(huán)境的一體化模擬；能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試熱障涂層溫度場(chǎng)、表面形貌圖像演變、三維變形場(chǎng)、三維位移場(chǎng)、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，實(shí)現(xiàn)服役環(huán)境模擬與失效過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的一體化，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)服役環(huán)境的一體化，服役環(huán)境模擬與實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化，應(yīng)用性強(qiáng)，為正確理解熱障涂層渦輪葉片的破壞機(jī)理、優(yōu)化其設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和參考依。
權(quán)利要求
1.一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，該試驗(yàn)裝置包括: 1)試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)(I):包括模擬熱障涂層渦輪葉片中工作葉片的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)模塊和模擬熱障涂層渦輪葉片導(dǎo)向葉片靜止靜態(tài)服役模塊的試樣夾持裝置(101-105)、實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)、樣品室(109)； 2)服役環(huán)境模塊(2):能模擬熱障涂層渦輪葉片高溫?zé)崞凇囟忍荻?、沖蝕、腐蝕的高溫燃?xì)鈬姌?201)、沖蝕顆粒加料系統(tǒng)(202)、腐蝕服役環(huán)境模塊(203)、燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)(204,205)； 3)無(wú)損檢測(cè)模塊(3)，包括非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)、聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)、復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)(330)、溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)、高速CCD攝像系統(tǒng)(350)； 4)冷卻系統(tǒng)(4)，包括熱障涂層樣品的冷卻與裝置的冷卻循環(huán)系統(tǒng)； 5)實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的控制與顯示模塊(5)； 在裝置試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上安裝有靜態(tài)或是動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的試樣加持裝置，靜止時(shí)安裝有試樣(6)的靜態(tài)試樣夾具(104)通過(guò)安裝軸(106)和固定裝置(105)固定在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)上，此時(shí)安裝軸(106)和靜態(tài)試樣夾具(104)上制作有角刻度，夾具(104)能?chē)@軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；試樣動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的試樣夾持裝置包括試樣高速旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)(101),旋轉(zhuǎn)軸(102),動(dòng)態(tài)試樣夾具(103);動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試樣加持裝置的上下位置可調(diào)；除了高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)外，試樣加持裝置的各個(gè)面上裝有石英玻璃，形成可開(kāi)關(guān)的密封樣品室(109)，樣品室上方接除塵系統(tǒng)(107)，下方通過(guò)顆粒回收管道(118)實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)相接；樣品室(109)的兩側(cè)分別設(shè)置由內(nèi)定位板(110)和外定位板(111)支撐的移動(dòng)導(dǎo)軌(112)，在移動(dòng)導(dǎo)軌(112)上設(shè)置服役環(huán)境模塊(2)的 安裝裝置(113)，在靜態(tài)試樣夾具(104)的一側(cè)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)熱電偶固定裝置(115);在樣品室(109)的一側(cè)開(kāi)有無(wú)損檢測(cè)電極、波導(dǎo)桿的槽；在樣品室(109)的外側(cè)設(shè)置多個(gè)CXD攝像機(jī)(117);設(shè)置有紅外測(cè)溫?cái)z像頭(116);在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)的下方安放有無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，包括非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)、聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)(320)、復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)(330)、溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(34)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)測(cè)試臺(tái): Ia) I吳擬熱障涂層潤(rùn)輪葉片動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的I吳塊中，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸以及夾持在軸的試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速范圍為0-12000 r/min ； lb)靜態(tài)試樣夾具是一個(gè)標(biāo)有刻度角的可繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)上加工有平板狀、圓柱狀、實(shí)際渦輪葉片試件的夾具，旋轉(zhuǎn)盤(pán)可繞刻有角度的安裝軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)試樣0-360°的沖蝕； Ic)試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上有封閉的樣品室，防止沖蝕、腐蝕顆粒的濺射、腐蝕氣流的外漏； Id)試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)的下方有無(wú)損檢測(cè)裝置的放置區(qū)，并在樣品室內(nèi)開(kāi)有小孔連接無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試電極、波導(dǎo)桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述服役環(huán)境模擬模塊: 2a)模擬熱障涂層渦輪葉片所述高溫燃?xì)怆p向加熱系統(tǒng)包括2個(gè)特制的加熱噴槍(201)，通過(guò)固定裝置(113)固定在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)上，由伺服電機(jī)通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)軌(112)控制噴槍的移動(dòng)，且噴槍內(nèi)設(shè)置有冷卻通道，噴槍噴射火焰的溫度可達(dá)3000 ° C，通過(guò)調(diào)節(jié)噴槍與試樣的距離樣品的加熱范圍為20 -1700 ° C; 2b)模擬熱障涂層渦輪葉片所述沖蝕顆粒加料系統(tǒng)由分包鑲嵌在2個(gè)加熱噴槍內(nèi)的顆粒管道，沖蝕顆粒的速度為0-250 m/s，沖蝕顆粒的直徑10-500 μ m ； 2c)模擬熱障涂層渦輪葉片所述腐蝕服役環(huán)境模塊的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是利用沖蝕顆粒通道傳輸腐蝕顆粒至噴槍出口處與高溫燃?xì)饣蚩諝獍l(fā)生反應(yīng)生成帶沖蝕效應(yīng)的高溫腐蝕；二是通過(guò)內(nèi)置在噴槍內(nèi)的腐蝕氣體管道將腐蝕氣體輸送至樣品室；所述樣品室的腐蝕氣壓為1_6 atm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述無(wú)損檢測(cè)模塊: 3a)所述溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(340)有兩種測(cè)溫方式:一是用熱電偶(114)采集；二是紅外測(cè)溫儀(116);熱電偶與紅外測(cè)溫儀均與試驗(yàn)控制平臺(tái)(5)上的溫度顯示儀(512)連接; 3b)所述熱電偶(114)采用B型1600 ° C的鉬銠熱電偶，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定試樣(6)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(cè)試；動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用紅外測(cè)溫儀對(duì)試樣￠)的表面、內(nèi)通道、冷卻氣體出口的溫度進(jìn)行依次測(cè)量； 3c)所述非接觸式三維變形測(cè)試系統(tǒng)(310)為ARAMIS非接觸式三維變形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)下方的無(wú)損檢測(cè)裝置放置區(qū)(3)，其CCD攝像頭(117)放置在樣品室(109)的外側(cè)。
3d)所述聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè) 系統(tǒng)(320)為靈敏度在10_8cm量級(jí)的PC1-2型聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)下方的無(wú)損檢測(cè)裝置放置區(qū)(3)，其傳感器、波導(dǎo)桿裝置(601)通過(guò)樣品室的小孔與試樣(6)相連； 3e)所述交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(330)為1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)下方的無(wú)損檢測(cè)裝置放置區(qū)(3)，其測(cè)量電極(602)通過(guò)樣品室的小孔與試樣(6)相連； 3f)所述高速C⑶攝像系統(tǒng)(350)為AVT Manta G-504高速攝像系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成在裝置實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)(108)下方的無(wú)損檢測(cè)裝置放置區(qū)(3)，其CCD攝像頭(117)放置在樣品室(109)的外側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng): 4a)所述冷卻系統(tǒng)包括對(duì)試樣￠)的氣冷以及裝置高溫部件如氣體噴槍的水冷兩部分； 4b)所述冷卻系統(tǒng)(4)包括空氣壓縮機(jī)(401)、冷卻水箱(402)、流量閥(403)、噴槍冷卻通道入口(404)和試樣安裝空心軸冷卻通道入口(405);冷卻氣體經(jīng)冷卻通道入口(405)和冷卻水箱(402)進(jìn)入試樣￠)內(nèi)部冷卻通道的底部，流經(jīng)試樣內(nèi)通道由頂部的冷卻氣體出口排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的控制與顯示模塊: 5a)所述控制模塊控制試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)(I)上所有的機(jī)械傳動(dòng)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)采集與調(diào)節(jié)以及無(wú)損檢測(cè)模塊(3)所有測(cè)量軟件的控制與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)控制與無(wú)損檢測(cè)裝置的同步運(yùn)行；5b)所述顯示模塊同步顯示試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)(I)上所有的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及無(wú)損檢測(cè)模塊(3)上所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖 形，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與無(wú)損檢測(cè)裝置的同步顯示。
全文摘要
一種模擬熱障涂層服役環(huán)境并實(shí)時(shí)檢測(cè)其失效的試驗(yàn)裝置，屬于特殊服役環(huán)境模擬裝置領(lǐng)域。試驗(yàn)裝置包括安裝有靜態(tài)或是動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)試樣加持裝置的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)、服役環(huán)境模擬模塊、實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、控制平臺(tái)等。本發(fā)明能模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層渦輪葉片高溫，沖蝕，腐蝕服役環(huán)境；能模擬熱障涂層工作葉片高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)服役環(huán)境，能模擬導(dǎo)向葉片靜止靜態(tài)服役環(huán)境；能實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層溫度場(chǎng)、三維位移場(chǎng)、裂紋萌生與擴(kuò)展、界面氧化等。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的一體化，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)服役環(huán)境的一體化，服役環(huán)境模擬與實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化，為正確理解熱障涂層渦輪葉片的破壞機(jī)理、優(yōu)化其設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和參考依據(jù)；應(yīng)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01B11/16GK103091189SQ20131000929
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者周益春, 楊麗, 鐘志春, 蔡燦英 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)