CN100456014C - 热障涂层抗热震性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种测试技术领域的热障涂层抗热震性能测试装置，包括：旋转圆形平台，试样托架，工作台，热源安装装置，冷却介质输入口，定位装置，测温装置。旋转圆形平台开设定位孔和排水槽，能快速定位和方便冷却液排出；绕工作台作圆周运动，可实现多试样的抗热震性能试验，提高试验效率。试样托架安装在旋转圆形平台上，上部开有流通孔，以利于冷却介质流动。热源安装系统可安装不同热源，并通过可调节热源与试样之间的距离，产生不同加热温度范围。冷却介质输入口固定在支架下部，可外接不同冷却介质。抗热震性能试验过程中，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。

Description

热障涂层抗热震性能测试装置
技术领域
本发明涉及的是一种测试技术领域的装置，特别是一种热障涂层抗热震性能测试装置。
背景技术
热障涂层(TBCs)一般是由热导率较低的陶瓷表面涂层和金属中间粘结层组成的涂层系统。采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积等技术在航空发动机等热端部件制备热障涂层，把受热部件与高温燃气隔离开来，不仅可以达到提高发动机抗高温腐蚀能力，进一步提高工作温度的目的，而且可以减少燃油消耗，减少冷却气体，提高热效率，延长热端部件的使用寿命。热障涂层技术在航空航天、燃气发电、化工、冶金、舰船、汽车制造等领域有着广泛的应用。由于金属基体、中间粘结层、表面陶瓷层之间存在热膨胀系数不匹配的问题，加上热循环过程中因温度梯度引起的热应力，以及金属粘结层热生长氧化物引起的热生长应力、相变应力等，容易导致热障涂层在长期使用过程中发生失效。热障涂层失效的主要方式是涂层剥落或龟裂，从而失去隔热和抗氧化效果。热障涂层的抗热震性能试验是检验涂层失效与预测寿命的一个重要手段。热障涂层的抗热震性能试验原理是从热弹性理论出发，以涂层中的热应力和材料固有强度之间的平衡条件作为涂层热震断裂依据，以抵抗热应力而不破坏的热循环次数作为判定条件。通过热障涂层的抗热震性能试验，对了解热障涂层的失效特点和全面、系统掌握热障涂层的失效机理以及进行热障涂层的强度分析、寿命预测提供了前提条件。
经对现有技术的文献检索发现，杨晓光等在“热障涂层氧化和热疲劳寿命试验研究”[杨晓光，耿瑞，周燕佩.《航空动力学报》，2003，V18(2)：195-200]文中为模拟涡轮叶片工作情况，采用外壁加热、管内冷却方式进行热障涂层的热震性能试验。试样在进行抗热震性能试验时，感应线圈加热套管把热量传递到试样的外表面；加热结束后，圆管内部通高压冷却气流进行冷却。热震试验的加热过程和冷却过程发生在试样的不同表面，接近热障涂层实际工况。但试验要求试样加工成管状，所以无论采用等离子喷涂还是电子束物理气相沉积工艺来制备热障涂层，都存在工艺上的复杂性，并且每次只能进行单个试样测试，效率不高。检索中还发现，陈和兴等在“等离子喷涂热障涂层失效机理的研究”[陈和兴，周克崧，金展鹏.《广东有色金属学报》，2002，V12(2)：116-119]文中进行的热震性能试验安排在电阻炉中加热平面试样，保温10分钟，然后水冷。由于试样整体进行加热，涂层与基体之间没有形成温度梯度，与热障涂层实际应用工况存在明显差异。若金属基体外表面整体包覆热障涂层，则试样制备增加了工艺和成本，并且无法进行快速冷却。
发明内容
本发明的目的在于克服以上技术中的不足，提供一种能多个体、高效率完成简单试样抗热震性能试验的热障涂层抗热震性能测试装置。本发明对热障涂层进行抗热震性能试验时，通过调节热源与试样之间的距离，可改变试样的加热温度范围。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。既可在不同时间内进行试样的加热和冷却过程，也可以两者同时进行，能较真实的模拟覆盖热障涂层工件的工作情况。冷却介质可为冷却液体或高压冷却气流。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：旋转圆形平台、试样托架、工作台、热源安装装置、冷却介质输入口、定位装置、测温装置。
工作台上设有平面轴承，旋转圆形平台通过平面轴承绕工作台作圆周运动，以实现1～8个试样的抗热震性能试验。旋转圆形平台上开设定位孔和排水槽、试样托架固定孔，可快速定位和方便冷却液排出。试样托架安装在旋转圆形平台上，其上部开有流通孔，以利于冷却介质的流动。试样托架的数目可根据实际需要安排1～8个，试样通过螺纹或销钉固定在试样托架上端。工作台起支撑整个系统作用，并固定在地面上。热源安装装置包括高度可调节的支架和热源夹持部分。高度可调节的支架通过螺纹与工作台连接，热源夹持部分套装在高度可调节的支架上端，并采用螺钉顶住固定。可根据具体需求安装相应热源，并通过螺纹连接调节热源与试样之间的距离，从而产生不同加热温度范围。冷却介质输入口固定在工作台下部，与要求冷却位置正对，可外接不同冷却介质。定位装置和工作台上配合，可使试样快速找位固定，保证试验过程中加热温度不随位置不同而变化，并提高试验效率。测温装置通过外接热电偶插入试样基体内部，可在与之连接的温度显示仪得到温度。试样要求侧面开Φ5×10mm孔，以方便热电偶插入。
表面涂层抗热震性能试验过程中，首先将试样安装在试样托架上，然后启动热源，通过热源安装装置支架部分与工作台的螺纹连接调整并固定热源与试样之间的垂直高度从而获得所需温度范围；然后转动旋转圆形平台，通过定位装置将试样快速移动到热源下方对有涂层表面进行快速加热；利用外接热电偶测定金属基体内部的温度。保温指定的时间后，使旋转圆形平台移动到下一位置处，并打开冷却系统，从下方对试样的金属基体部分进行快速冷却；同时下一个试样已经旋转定位到同一加热位置，并在相同加热环境下加热、保温。重复循环，直到完成试验过程。
本发明具有实质特点和显著进步，能够多个体、高效率完成简单试样的抗热震性能试验。表面涂层抗热震性能试验时，可调节试样的加热温度。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。冷却介质可为冷却液体或高压冷却气流。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明旋转圆形平台结构示意图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：旋转圆形平台1、试样托架2、工作台3、热源安装装置4、冷却介质输入口5、定位装置6、测温装置7。
工作台3上设有平面轴承11。旋转圆形平台1上开有8个沿圆周均匀分布的圆形下沉式排水槽8，以方便在采用液态冷却介质进行冷却时的液体排出；8个沿圆周均匀分布，并与排水槽8保持同心的试样托架固定孔9，用来安装试样托架2；4个沿圆周均匀分布定位孔10，用来安装定位装置6；通过平面轴承11绕工作台3作圆周运动，以实现多个试样的抗热震性能试验。
试样托架2通过螺纹连接安装在旋转圆形平台1上，其上部开有流通孔12。试样托架2的数目可根据实际需要安排1～8个，试样13通过螺纹或销钉固定在试样托架2上端。试样13侧面开Φ5×10mm孔，以方便热电偶18插入。
工作台3起支撑整个装置作用，并固定在地面上。
热源安装装置4包括高度可调节的支架14和热源夹持部分15，高度可调节的支架14通过螺纹与工作台3连接，热源夹持部分15套装在高度可调节的支架14上端，并采用螺钉顶住固定位置。可根据具体需求安装相应热源，并通过螺纹连接调节热源与试样13之间的垂直距离，从而产生不同的加热温度范围。
冷却介质输入口5在工作台3下部，与要求冷却位置正对。
定位装置6包括螺钉16、弹簧17、滚动钢珠18。通过固定螺钉16压缩弹簧17，挤压滚动钢珠18到工作台3上的球面坑中，可使试样快速找位固定。
测温装置7通过外接热电偶20测定金属基体内部的温度，并在温度显示仪19上显示。

Claims (8)

1、一种热障涂层抗热震性能测试装置，包括：旋转圆形平台(1)、试样托架(2)、工作台(3)、热源安装装置(4)、冷却介质输入口(5)、定位装置(6)、测温装置(7)，其特征在于：旋转圆形平台(1)上开有排水槽(8)、试样托架固定孔(9)、定位孔(10)，试样托架(2)通过试样托架固定孔(9)设在旋转圆形平台(1)上，热源安装装置(4)与工作台(3)连接，冷却介质输入口(5)设置在工作台(3)下部，定位装置(6)通过定位孔(10)与工作台(3)连接，测温装置(7)通过外接热电偶(20)插入试样(13)基体内部；工作台(3)上设有平面轴承(11)，旋转圆形平台(1)通过平面轴承(11)绕工作台(3)作圆周运动。
2、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，排水槽(8)，是沿圆周均匀分布的圆形下沉式排水槽。
3、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，试样托架固定孔(9)，是沿圆周均匀分布、并与排水槽(8)保持同心。
4、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，定位孔(10)，沿圆周均匀分布。
5、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，试样托架(2)上部开有流通孔(12)，试样托架(2)的数目为1～8个。
6、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，热源安装装置(4)包括高度可调节的支架(14)和热源夹持部分(15)，高度可调节的支架(14)通过螺纹与工作台(3)连接，热源夹持部分(15)套装在高度可调节的支架(14)上端，并采用螺钉顶住固定位置。
7、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，定位装置(6)包括螺钉(16)、弹簧(17)、滚动钢珠(18)，通过固定螺钉(16)压缩弹簧(17)，挤压滚动钢珠(18)到工作台(3)上的球面坑中。
8、根据权利要求1所述的热障涂层抗热震性能测试装置，其特征是，测温装置(7)通过外接热电偶(20)测定试样(13)基体内部的温度，并在温度显示仪(19)上显示。
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