一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，属于特殊服役环境模拟装置领域。试验装置包括安装有静态或是动态旋转试样加持装置的试验测试平台、服役环境模拟模块、实时检测模块、控制平台等。本发明专利技术能模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温，冲蚀，腐蚀服役环境；能模拟热障涂层工作叶片高速旋转动态服役环境，能模拟导向叶片静止静态服役环境；能实时测试热障涂层温度场、三维位移场、裂纹萌生与扩展、界面氧化等。本发明专利技术实现了热障涂层高温、冲蚀、腐蚀服役环境的一体化，静态、动态服役环境的一体化，服役环境模拟与实时检测的一体化，为正确理解热障涂层涡轮叶片的破坏机理、优化其设计提供了重要的实验平台和参考依据；应用性强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，特别涉及的是一种模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温、腐蚀、冲蚀以及动态旋转或静止的服役环境，并对这一服役环境下热障涂层的失效参数进行同步实时检测的试验装置，属于特殊服役环境的模拟装置领域。
技术介绍
航空发动机被誉为飞机的“心脏”，对航空航天工业的发展起着决定性的作用。发动机的关键参数是其推重比，以第一代战斗机F86和第四代战机F22为例，其发动机的推重比已从小于2发展到大于10，显然，提高航空发动机的推重比是提高发动机性能和效率的必然措施和必然趋势。随着推重比的提高，发动机的燃气进口温度不断提高，到第四代战斗机时，航空发动机的燃气进口温度已经达到了 1700 ° C左右。燃气进口温度的大幅提升无疑对发动机热端部件即涡轮叶片材料提出了更高的要求。为了满足涡轮叶片的使用要求，各国先后研制出一系列用于涡轮叶片的超级高温合金材料，目前先进镍基高温单晶的使用极限温度为1150 ° C，显然单独使用高温金属合金材料技术已不能满足先进航空发动机迅速发展的迫切要求。早在1953年美国的NASA中心提出了热障涂层的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。这一概念提出以后，立即引起了世界各国国防部门、高校和研究机构的高度关注，在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中，均把热障涂层技术列为高性能航空发动机的关键技术之一。而且认为，采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度最切实可行的方法。热障涂层一般由隔热防护的陶瓷层，承受机械载荷的基底层、增强陶瓷与基底粘结力的中间过渡层以及在制备和服役过程中形成的氧化层组成。应用热障涂层的涡轮叶片通常是壳体，壳体里面用冷却剂冷却，叶片外表面热障涂层的温度可达到1100 0C 1700°C，而基底合金材料内表面的温度也可以达到700 °C或者更高。在实际服役过程中，热障涂层通常出现开裂、脱落、界面分离等失效和断裂。影响热障涂层失效与断裂的因素很多，除了自身复杂的几何形状、微观结构及各层之间的性能差异等自身原因外，最关键的是热障涂层服役在极其恶劣而又复杂的热、力、化学耦合的环境。这些复杂的服役环境包括:(I)长时间的高温环境。在长时间的高温环境下，热障涂层会发生界面氧化、蠕变、热疲劳和相变；(2)高温化学腐蚀。航空燃气涡轮发动机使用的燃料中含Na，S，P，V等杂质元素，这些杂质元素会引起化学反应，以Na2SO4形式沉积在高温部件上，因此热障涂层的应用经常遇到各类硫酸盐的腐蚀问题；(3)硬质颗粒的冲蚀。在航空发动机在服役过程中，将不可避免的遇到夹杂硬质颗粒的撞击，形成冲蚀。形成冲蚀的粒子一般在发动机内产生，或者由于在燃烧过程中形成的碳颗粒，或者是由于发动机磨损形成的粒子。要综合考虑热障涂层复杂的几何结构，复杂的热、力、化学等多种载荷的耦合作用，依靠常规的如拉伸、弯曲、热力疲劳、热冲击等力学实验方法来研究其失效行为是不现实的。早在20世纪70年代，美国的NASA中心就将热障涂层在相当高热流密度的J-75涡轮发动机上进行了试车，验证了热障涂层的隔热效果，并以此为依据调整了陶瓷层各成分的配方。但是，在实际的航空发动机上试车需耗费巨大的人力和物力。因此，如果我们能发展热障涂层服役环境的试验模拟技术，对其复杂的服役环境进行模拟，对其失效过程中的温度场、应变场、变形、表面形貌、裂纹的萌生与扩展、界面形貌的演变等损伤参量进行实时或原位的无损检测，即直接的“看”损伤在制备或服役过程中形成、演化的过程，则能为正确的理解其失效行为、预测其服役寿命、指导其优化设计与安全应用提供直接的依据和指导。目前涉及到模拟和测试热障涂层服役环境模拟与失效检测方面的试验装置有:成来飞等人公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置(专利公开号:CN1546974A)，其装置是将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合，采用氮化硅结合碳化硅陶瓷作为燃烧室内衬来提高燃烧室的耐高温水平，其试件架+转动铰链+转动手柄的结构可进行热震模拟。周洪等人研制了一种热障涂层抗热震性能测试装置(专利公开号:CN1818612)，加热过程和冷却过程分别在试样的涂层面和金属基体表面进行，能较真实的模拟覆盖热障涂层工件的工作情况。宫声凯等人公开了一种热障涂层服役环境模拟装置及模拟环境控制方法(专利公开号:CN1699994)，对空心圆柱形热障涂层试样能够实现温度和机械载荷同步上升、保持和下降，能够实时测试温度分布、界面裂纹扩展情况。在我们前期的工作中，研制了一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置(专利公开号:201010000151)，能够模拟高性能航空发动机内静态高温部件温度交变循环的热疲劳工作环境，并能利用非接触式应变测试系统、声发射无损检测系统、交流复阻抗频谱监测系统等无损检测系统对其损伤参量进行实时检测。但这些装置在服役环境的模拟方面，大多只能模拟热障涂层的热疲劳、热震等单一载荷或是热、力简单耦合的服役环境，没有实现热障涂层高温腐蚀尤其是冲蚀环境的模拟，更没有实现热障涂层涡轮工作叶片高速旋转服役环境的模拟。在失效过程的实时检测方面，只有宫声凯和我们前期设计的装置中涉及裂纹形成时的声发射检测、界面氧化的复阻抗谱检测等相关工作，但这些无损检测系统并没有与装置形成一个完整的整体，也没有一个系统的操作软件对各种无损检测系统进行同步的控制，更没有将各种无损检测的数据整体的显示、记录与分析。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置。该试验装置可以实现热障涂层涡轮叶片高温、冲蚀、腐蚀以及工作叶片动态旋转或导向叶片静止的实际服役环境，装置集成了多种无损检测系统，能对热障涂层在各种服役环境下实验时的温度场、应变场、表面形貌、损伤演化、界面形貌等多个损伤参量进行实时检测，为热障涂层破坏机制的理解、可靠性评估以及优化设计提供有效的解决办法。本专利技术采用的技术方案为:—种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，该装置主要由5部分组成:(I)试验测试台，包括模拟热障涂层涡轮叶片中工作叶片的动态旋转模块和模拟热障涂层涡轮叶片导向叶片静止静态服役模块的试样夹持装置、实验操作平台、样品室；(2)服役环境模块，能模拟热障涂层涡轮叶片高温热疲劳、温度梯度、冲蚀、腐蚀的高温燃气喷枪、冲蚀或/和腐蚀颗粒加料系统、腐蚀气体输入通道；(3)无损检测模块，包括温度测试采集系统、非接触式三维变形测试系统、声发射无损检测系统、复阻抗谱测试系统、高速CCD摄像系统；(4)冷却系统，包括热障涂层样品的冷却与装置的冷却循环系统；(5)实验与无损检测系统的控制与显示模块。装置的主体结构分为实验测试柜与控制显示柜两大块，试验测试台、服役环境模块、无损检测模块和冷却系统部分构成实验测试柜，实验与无损检测系统的控制与显示模块构成控制显示柜。装置的功能结构为:在装置试验测试台的中间位置安装有能高速旋转的动态试样夹持装置或是静止的静态试样夹持装置，动态试样夹持装置由高速旋转电动机、旋转轴(轴的一端与电动机固定)、试样夹具(安装在轴的另一端)及固定装置组成；静态试样夹持装置由带有角度盘的安装轴和旋转本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，其特征在于，该试验装置包括：1)试验测试台(1)：包括模拟热障涂层涡轮叶片中工作叶片的动态旋转模块和模拟热障涂层涡轮叶片导向叶片静止静态服役模块的试样夹持装置(101?105)、实验操作平台(108)、样品室(109)；2)服役环境模块(2)：能模拟热障涂层涡轮叶片高温热疲劳、温度梯度、冲蚀、腐蚀的高温燃气喷枪(201)、冲蚀颗粒加料系统(202)、腐蚀服役环境模块(203)、燃气输送系统(204，205)；3)无损检测模块(3)，包括非接触式三维变形测试系统(310)、声发射无损检测系统(320)、复阻抗谱测试系统(330)、温度测试采集系统(340)、高速CCD摄像系统(350)；4)冷却系统(4)，包括热障涂层样品的冷却与装置的冷却循环系统；5)实验与无损检测系统的控制与显示模块(5)；在装置试验测试台上安装有静态或是动态旋转的试样加持装置，静止时安装有试样(6)的静态试样夹具(104)通过安装轴(106)和固定装置(105)固定在实验操作平台(108)上，此时安装轴(106)和静态试样夹具(104)上制作有角刻度，夹具(104)能围绕轴心转动；试样动态旋转的试样夹持装置包括试样高速旋转电动机(101)，旋转轴(102)，动态试样夹具(103)；动态和静态试样加持装置的上下位置可调；除了高速旋转的电动机外，试样加持装置的各个面上装有石英玻璃，形成可开关的密封样品室(109)，样品室上方接除尘系统(107)，下方通过颗粒回收管道(118)实验操作平台(108)相接；样品室(109)的两侧分别设置由内定位板(110)和外定位板(111)支撑的移动导轨(112)，在移动导轨(112)上设置服役环境模块(2)的安装装置(113)，在静态试样夹具(104)的一侧设置一个或多个热电偶固定装置(115)；在样品室(109)的一侧开有无损检测电极、波导杆的槽；在样品室(109)的外侧设置多个CCD摄像机(117)；设置有红外测温摄像头(116)；在实验操作平台(108)的下方安放有无损检测系统，包括非接触式三维变形测试系统(310)、声发射无损检测系统(320)、复阻抗谱测试系统(330)、温度测试采集系统(34)。...
【技术特征摘要】
1.一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，其特征在于，该试验装置包括: 1)试验测试台(I):包括模拟热障涂层涡轮叶片中工作叶片的动态旋转模块和模拟热障涂层涡轮叶片导向叶片静止静态服役模块的试样夹持装置(101-105)、实验操作平台(108)、样品室(109)； 2)服役环境模块(2):能模拟热障涂层涡轮叶片高温热疲劳、温度梯度、冲蚀、腐蚀的高温燃气喷枪(201)、冲蚀颗粒加料系统(202)、腐蚀服役环境模块(203)、燃气输送系统(204,205)； 3)无损检测模块(3)，包括非接触式三维变形测试系统(310)、声发射无损检测系统(320)、复阻抗谱测试系统(330)、温度测试采集系统(340)、高速CCD摄像系统(350)； 4)冷却系统(4)，包括热障涂层样品的冷却与装置的冷却循环系统； 5)实验与无损检测系统的控制与显示模块(5)； 在装置试验测试台上安装有静态或是动态旋转的试样加持装置，静止时安装有试样(6)的静态试样夹具(104)通过安装轴(106)和固定装置(105)固定在实验操作平台(108)上，此时安装轴(106)和静态试样夹具(104)上制作有角刻度，夹具(104)能围绕轴心转动；试样动态旋转的试样夹持装置包括试样高速旋转电动机(101),旋转轴(102),动态试样夹具(103);动态和静态试样加持装置的上下位置可调；除了高速旋转的电动机外，试样加持装置的各个面上装有石英玻璃，形成可开关的密封样品室(109)，样品室上方接除尘系统(107)，下方通过颗粒回收管道(118)实验操作平台(108)相接；样品室(109)的两侧分别设置由内定位板(110)和外定位板(111)支撑的移动导轨(112)，在移动导轨(112)上设置服役环境模块(2)的 安装装置(113)，在静态试样夹具(104)的一侧设置一个或多个热电偶固定装置(115);在样品室(109)的一侧开有无损检测电极、波导杆的槽；在样品室(109)的外侧设置多个CXD摄像机(117);设置有红外测温摄像头(116);在实验操作平台(108)的下方安放有无损检测系统，包括非接触式三维变形测试系统(310)、声发射无损检测系统(320)、复阻抗谱测试系统(330)、温度测试采集系统(34)。2.根据权利要求1所述的一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，其特征在于，所述试验测试台: Ia) I吴拟热障涂层润轮叶片动态旋转的I吴块中，由电动机带动旋转轴以及夹持在轴的试样旋转，转速范围为0-12000 r/min ； lb)静态试样夹具是一个标有刻度角的可绕安装轴转动的旋转盘，旋转盘上加工有平板状、圆柱状、实际涡轮叶片试件的夹具，旋转盘可绕刻有角度的安装轴旋转，实现试样0-360°的冲蚀； Ic)试验测试台上有封闭的样品室，防止冲蚀、腐蚀颗粒的溅射、腐蚀气流的外漏； Id)试验测试台的下方有无损检测装置的放置区，并在样品室内开有小孔连接无损检测系统的测试电极、波导杆。3.根据权利要求1所述的一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，其特征在于，所述服役环境模拟模块: 2a)模拟热障涂层涡轮叶片所述高温燃气双向加热系统包括2个特制的加热喷枪(201)，通过固定装置(113)固定在实验操作平台(108)上，由伺服电机通过移动导轨(112)控制喷枪的移动，且喷枪内设置有冷却通道，喷枪喷...
【专利技术属性】
技术研发人员：周益春，杨丽，钟志春，蔡灿英，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
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