CN101644650B - 一种热障涂层热循环性能测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热障涂层热循环性能测试装置及其测试方法，该装置设置于机箱中，包括安装试样的试样座、设置于机箱内的温度测量仪、试样冷却装置、控制系统，还包括：加热枪支架、加热枪、自动点火装置、加热枪移动装置；根据控制系统的控制，当试样座上安装试样后，启动自动点火装置自动点火，加热枪移动装置移动加热枪至距离试样一定位置处加热试样；当温度测量仪测得试样的温度达到保温时间后，加热自动停止，同时开启试样冷却装置对试样进行冷却，并当试样冷却到测试要求的温度时关闭试样冷却装置；自动点火装置重新自动点火，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。本发明实现了对热障涂层的热性能试验。

Description

一种热障涂层热循环性能测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及TBC(Thermal Barrier Coating，热障涂层)技术，特别是涉及一种对航空发动机热端部件热障涂层动态模拟热循环性能测试装置及其测试方法。

背景技术

热障涂层在实际工况下的行为是一个非常复杂的多因素综合作用产物。材料物理性能常常不能直接反映热障涂层工作状态下的真实行为。

目前，国内外文献对热障涂层性能的评价多限于静态常温试验检测结果，所测得的理化检测指标有热导率、显微硬度、比热容、结合强度等，不能真实反映航空发动机热端部件在实际服役过程中(高温工作)的情况。随着热障涂层所处的工况条件越来越苛刻，以及对热障涂层在高温氧化环境中服役时间增长的要求和热循环频度和强度的增加，对航空发动机热端部件的热障涂层性能指标检测的专有设备和技术的要求在不断细化和深化。

当前，国内对航空发动机热端部件的热障涂层的热性能及寿命评估没有统一的试验标准，多采用代用仪器进行检测，这样获得的检测数据，很难获得行业的认可与标准的统一，尤其对检测出的热障涂层的隔热性能数据存在很大出入，这对热障涂层的制备工艺技术、材料研发以及质量检验标准的制定造成很多困难。

对热障涂层服役寿命的试验室常用检测方法是将热障涂层试样用火焰或加热炉加热，达到设定温度后保温一定时间，然后急速淬水、气冷或空冷至室温，观察不同循环周次后试样表面热震裂纹的萌生、扩展以及涂层剥落情况(一般设定剥落面积达20％为失效)，称之为“热震试验”。

上述的热震试验需人工操作，工作量大，试验条件不统一，人为因素干扰严重。一些重要的试验参数，如试样的加热和冷却速度、试样的热震形貌变化和热裂纹形成与扩展情况等均不能及时观察记录和保存，且这样的试验结果只能对热障涂层的热性能给出定性的评价，无法进行准确评价，同时还缺乏科学性和可靠性。

目前，发动机的重要热端部件表面喷涂热障涂层性能，如涂层实际寿命，只能通过台架试车或试飞确定，此方法不仅费用昂贵，而且对工件实际失效机理无法确定，很难为喷涂材料的评估、改进提供准确信息。

如何准确评判热障涂层的性能、寿命以及提供制造热障涂层的工艺优化数据是热障涂层研究、制备中的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种热障涂层热循环性能测试装置及其测试方法，用于实现热障涂层的热循环性能测试。

为了实现上述目的，本发明提供了一种热障涂层热循环性能测试装置，设置于机箱中，包括安装试样的试样座、设置于所述机箱内的温度测量仪、试样冷却装置、控制系统，其特征在于，还包括：

加热枪支架；

架设于所述加热枪支架上的加热枪；

位于所述加热枪头部的自动点火装置；

设置于所述加热枪下端的加热枪移动装置；

根据所述控制系统的控制，当所述试样座上安装试样时，启动所述自动点火装置自动点火，所述加热枪移动装置移动所述加热枪至距离所述试样一定位置处加热所述试样；当所述温度测量仪测得所述试样的温度达到保温时间后，加热自动停止，同时开启所述试样冷却装置对所述试样进行冷却，并当所述试样冷却到测试要求的温度时关闭所述试样冷却装置；所述自动点火装置重新自动点火，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，还包括安装在所述试样的侧面的声发射仪系统，用于监测测试过程中热障涂层的表面开裂情况及开裂程度。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，所述机箱的顶部设置有轴流排风机。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，所述加热枪移动装置根据电机的驱动将所述加热枪移到所述试样的正前方。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，所述控制系统为PLC控制器。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，所述加热枪为氧丙烷燃气加热枪。

所述的热障涂层热循环性能测试装置，其中，所述温度测量仪为双色红外测温仪。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种热障涂层热循环性能测试方法，其特征在于，包括：

步骤一，启动自动点火装置自动点火，加热枪移动装置移动加热枪到距离试样一定位置处加热所述试样；

步骤二，测量加热后所述试样的温度，并当达到保温时间后，停止自动加热，同时开启试样冷却装置对所述试样进行冷却；

步骤三，测量冷却后所述试样的温度，并当达到测试要求的温度，关闭所述试样冷却装置，所述自动点火装置重新自动点火，转入所述步骤一，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。

所述的热障涂层热循环性能测试方法，其中，所述步骤一中，进一步包括：

通过质量流量计对所述加热枪中的氧气、燃气进行流量控制的步骤。

所述的热障涂层热循环性能测试方法，其中，所述步骤一中，进一步包括：

通过安装在所述试样的侧面的声发射仪系统监测测试过程中热障涂层的表面开裂情况及开裂程度的步骤。

本发明的有益技术效果在于：

随着涡轮入口温度的升高，燃气轮机获得更高的效率，热障涂层已成为确保燃气轮机热端部件可靠性的关键技术之一。

热障涂层是目前国际上用于燃气轮机/航空发动机热端部件的先进技术，主要用于燃气轮机、航空发动机燃烧段的燃烧筒、过桥、涡轮机动片、静片，以满足燃气轮机/航空发动机不断提高的入口温度，提高热效率、满足环保条件、高可靠性和长寿命的要求。

热障涂层的动态模拟热循环性能试验机是专门针对燃气轮机/航空发动机热端部件研制的新一代热循环试验机，用以评估不同热障涂层的抗热震性能及耐久性能指标，并可以对热障涂层的隔热性能进行检测，是开展航空发动机热障涂层研究的关键技术和重要手段，有助于更深入地研究热循环条件下热障涂层的失效机理和寿命预测。

本发明通过对热障涂层进行热性能试验(如热循环、耐久性及隔热效果试验)，可以测试热障涂层的质量、预估热障涂层的寿命，从而可对实际燃气轮机部件的喷涂效果进行有效评估。

本发明不仅可用于对传统热障涂层抗热震性能进行验证性检测，还可用于新的热障涂层系统的开发，为新的热障涂层提供检测依据；本发明可广泛应用于从事航空航天、军工、汽车、能源研发的大型骨干企业、科研院所、大学的实验室等。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a、图1b是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机示意图；

图2是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机电控原理示意图；

图3是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机的性能测试流程图。

其中，附图标记：

1-轴流排风机，2-燃气加热枪，3-自动点火装置，4-试样支座，5-红外测温仪，6-火焰探测器支架，7-加热枪移动装置，8-机箱，9-加热枪支架，10-试样冷却气路

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

如图1a、图1b所示，是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机示意图，图2，是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机电控原理示意图。

本发明公开了一种航空发动机热端部件热障涂层动态模拟热循环性能检测试验装置，是采用氧丙烷燃气加热、压缩空气冷却方法进行航空发动机热端部件热循环环境模拟，并采用双色红外测温仪进行陶瓷涂层温度的实时检测，采用质量流量计结合PLC(Programmable Logical Controller，可编程逻辑控制器)进行氧燃气流量的精确控制。因此具有模拟温度高、模拟时间短、模拟的燃气气氛接近工况及测温方式响应速度快、测温准确，控温精度高等特点。同时本发明的试验装置还采用PLC结合上位软件的自动控制方式，在进行大量重复试验及长时间试验时具有不可替代的优越性。通过本试验装置对航空发动机热端部件热障涂层的热循环及耐久性进行试验，可以有效评估热障涂层质量。

因为热障涂层具有低导热性，所以可防止金属基体温度过高，通常用于抗高温部件上，以提高这些部件的性能或延长其使用寿命。随着抗高温部件效率日益增长的需求，要求热障涂层温度更高、使用寿命更长，故需要不断开发性能更优异的热障涂层材料。现行的热障涂层失效的主要形式是：涂层剥离。本发明的系统模拟航空发动机抗高温部件热障涂层工况研制，主要用于检测不同的热障涂层热循环耐久性及抗热剥离能力。

在图1a、图1b中，试验机100包括轴流排风机1、加热枪2、自动点火装置3、试样支座4、红外测温仪5、火焰探测器支架6、加热枪移动装置7、机箱8、加热枪支架9、试样冷却气路10和控制系统11等部分。

加热枪2架设于加热枪支架9上，自动点火装置3位于加热枪2头部，加热枪移动装置7位于加热枪2的下端。

加热枪2为氧丙烷燃气加热枪。氧丙烷燃气加热枪2与自动点火装置3共同构成了试样的加热系统。红外测温仪5为双色红外测温仪。试样冷却气路10为试样的冷却装置，采用压缩空气对试样进行冷却。

火焰探测器支架6与试样支座4都在机箱8内部的机架上，从加热枪2的尾部方向看，火焰探测器支架6在试样支座4的右边，火焰探测器支架6上安装着自动点火器和火焰探测器，加热枪2在此工位点火后向左移动，移动到试样支架4位置后停止移动，开始试验。

试样及试样支座4、氧丙烷燃气加热枪2、自动点火装置3、红外测温仪5、火焰探测器支架6、加热枪移动机构7、加热枪支架9、试样冷却气路10均安装在密闭的机箱8中，试验机配备独立的控制器11。控制器11是PLC控制器。

从试验机100的正面看，在图1a中，左边是试样机构部分，右边是加热机构部分。试样机构部分包括前边的试样支座4，后边的火焰探测器支架6，试样支座4背面连接冷却气路10，自动点火装置3和火焰探测器安装在火焰探测器支架6上；加热机构部分包括加热枪移动机构7、加热枪支架9、燃气加热枪2等，加热枪移动机构7安装在机架上，可以实现滑台的前后左右移动，加热枪支架9安装在加热枪移动机构7的滑台上，能够实现燃气加热枪2的上下移动，燃气加热枪2安装在加热枪支架9上。

试验过程中试验机100可对热障涂层的试样循环进行氧/燃气加热、压缩空气冷却，实现对工况的有效模拟。对试样涂层及基体表面的温度采集采用高精度双色红外测温技术；氧气、燃气流量采用质量流量计20进行控制，通过控制火焰的功率控制试样的加热温度，通过时间、温度闭环反馈控制实现适时加热、冷却的循环进行。

进行热循环试验时，首先打开机箱8顶部的轴流排风机1，再将试样安装在试样支座4上，然后启动氧丙烷加热自动点火装置3进行自动点火，并由PLC控制器11控制，电机驱动加热枪移动机构7将氧丙烷燃气加热枪2移动到试样的正前方，按照试验要求的加热速度、加热温度(最高可达1500℃)加热试样，达到保温时间后，加热自动停止，将氧丙烷燃气加热枪2从试样的正前方快速移开，同时开启试样冷却气路10对试样进行压缩空气冷却，直到将试样冷却到试验要求的温度，关断试样冷却气路10中的压缩空气，由PLC控制器11控制，对自动点火装置3重新自动点火，重新开始下一个工作循环，如此往复循环直到涂层表面出现开裂剥离，直至涂层剥落(一般设定剥落面积达20％为失效)，试验终止。在试验过程中，通过声发射仪系统(图中未示出)监测热障涂层的表面开裂及开裂程度。

声发射仪系统由声发射探头、信号放大器、数据采集卡、工控计算机、声发射信号分析软件等部分组成，声发射探头即声发射传感器，通过波导杆与试样连接，能够采集试验过程中试样的声发射信号，通过监测试样声发射信号的变化可以监测试样涂层表面的开裂及开裂过程。

试样冷却气路10连接在试样支座4的背面，压缩空气分两路进入试样支座4后，一路通到试样正面，吹过试样表面冷却试样，另一路通到试样背面，吹过试样基体冷却试样基体。

机箱8是密闭结构，试验过程中，氧丙烷火焰燃烧产生烟尘，需要轴流排风机1将烟尘排出机箱8；长时间工作时，机箱8的内部环境温度升高，环境温度的升高不利于红外测温仪、工业摄像机的工作，所以试验过程中，需要打开轴流排风机1通风降低机箱8内部的环境温度。在耐久性试验、隔热试验中都需要打开轴流排风机1。

试验机100的控制系统整体上基于PLC控制器11实现，通过控制程序采集各种传感器的输入信号，驱动电信号执行机构实现整个工艺试验流程的自动控制。

试验机100的控制系统功能主要由运动控制、试样加热控制、试样冷却控制、工艺流程控制、排风控制、CCD(Charge Couple Device，电荷耦合器件)过程监测等组成。其中，运动控制可控制氧丙烷燃气加热枪2的工位、试样保温过程中氧丙烷燃气加热枪2加热距离的调整、氧丙烷燃气加热枪2的行程状态、速度监测等；试样加热控制可保证氧丙烷燃气加热枪2的自动高频点火及加热温度监测、控制；CCD过程监测可远程监视试验机100的内部运作情况。

在图2中，通过质量流量计20可对氧气、燃气流的流量进行控制，并将控制后的气体送至氧丙烷燃气加热枪2中；同时加热枪移动机构对氧丙烷燃气加热枪2进行工位控制，氧丙烷燃气加热枪2移动到试样的正前方，此时氧丙烷燃气加热枪2对试样进行加热，同时红外测温仪5测量试样的温度，如果试样的温度到达保温时间后，则根据PLC控制器11的控制，加热自动停止，氧丙烷燃气加热枪2从试样的正前方移开，同时开启试样冷却气路10对试样进行压缩空气冷却处理，直到将试样冷却到试验要求的温度，再关断试样冷却气路10中的压缩空气，不对试样进行压缩空气冷却处理，并对加热系统重新自动点火，重新开始下一个工作循环。

试验机100的操作界面为触摸屏方式，根据不同的参数监测，通过菜单选择：如温度模块、速度模块等进行试验操作。温度模块描述试样加热温度的变化情况，速度模块监视试样的运动速度及试样加热器的移动速度。试验机100的人机界面友好，操作快捷；现场数据同时被传送到后台计算机保存、分析，方便用户查询数据和上位监控。

本发明的试验机100通过对抗高温部件实际工况的动态模拟，可以研究对不同的涂层材料进行抗热剥离及隔热性能试验以及找出抗热剥离性能最佳的涂层材料。

如图3所示，是本发明热障涂层动态模拟热循环性能试验机的性能测试流程图。结合图1a、图1b、2所示，该流程具体包括：

步骤S301，启动加热自动点火装置3自动点火，加热枪移动装置7移动加热枪2到距离试样一定位置处加热试样；

该步骤中，加热枪2为氧丙烷燃气加热枪。

步骤S302，通过红外测温仪5测量加热后试样的温度，并当达到保温时间后，停止自动加热，同时开启试样冷却气路10对试样进行压缩空气冷却；

步骤S303，通过红外测温仪5测量冷却后试样的温度，并当达到测试要求的温度，关闭试样冷却气路10，自动点火装置3重新自动点火，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。

在步骤S302、S303中，红外测温仪5为双色红外测温仪。

上述各步骤中，均在PLC控制器11的控制下完成。

如下通过应用实例描述试验机100进行热循环试验、耐久性试验、隔热试验的过程。

第一应用实例：热循环试验

将

的试样安装在试样支座4上，同时将声发射探头装在试样上，然后启动氧丙烷加热自动点火装置3，并通过电机驱动将氧丙烷燃气加热枪2移动到试样的正前方，按照试验要求的加热速度、加热温度(最高可达1500℃)加热试样，达到保温时间后，加热自动停止，同时冷却压缩空气开启，直到将试样冷却到试验要求的温度，冷却系统关闭；自动点火装置3重新自动点火，重新开始下一个工作循环，直至涂层剥落(一般设定剥落面积达20％为失效)，试验终止。在该试验过程中，通过声发射仪系统监测涂层表面开裂及开裂程度。

第二应用实例：耐久性试验

试验过程与上述第一应用实例的试验过程基本相同，只是在加热的同时在试样的背面用一定流量的压缩空气进行冷却。试验过程中通过声发射仪系统监测涂层表面开裂及开裂程度，最终得到不同热障涂层在要求的温度长时间恒温加热下的耐久性能。

在该应用实例中，由试样冷却气路10连接在试样支座4的背面，压缩空气分两路进入试样支座4后，一路通到试样的背面，工作时打开这一路压缩空气，压缩空气将吹过试样的背面冷却试样。

第三应用实例：隔热试验

将的试样安装在试样支座4上，然后启动氧丙烷加热自动点火装置3，并通过电机驱动将氧丙烷燃气加热枪2移动到试样的正前方，按照试验要求的温度加热涂层试样，采用双色红外测温仪5精确测量涂层的表面温度，基体背面温度，通过比较同样条件下不同试样涂层表面温度与基体背面温度差的大小，评估不同热障涂层的隔热效果。

在上述试验过程中，进一步地，采用双色红外测温仪5采集陶瓷涂层温度信号，最大限度减少陶瓷涂层表面状态及温度变化对材料发射率的影响，测温准确、精度高。

在上述试验过程中，进一步地，采用气体质量流量计20及PLC控制器11反馈控制加热枪移动装置7调节加热距离，精确控制燃气功率，实现自动、高精度控温。

在上述试验过程中，进一步地，试验过程采用PLC控制器11结合上位机全程自动控制，试验重复精度高，试验数据科学、可靠。

上述试验过程中，航空发动机热端部件热障涂层动态模拟热循环性能试验机主要技术参数如下：

1)加热方式：氧丙烷燃气加热

2)最高试验温度：1500℃

3)温度控制精度：±10℃

4)冷却方式：压缩空气

5)冷却空气压力：0.7MPa(可调)

6)控制方式：PLC

7)控制操作：触摸屏

8)试样尺寸：

或

热障涂层技术的发展能够促进飞机发动机、燃气轮机性能的提高，现阶段我国在新型热障涂层方面与发达国家是有较大差距的，所以开发隔热性能更好、抗热震等综合性能更好的热障涂层有很重要的意义。要开发新型涂层，还需要有先进、科学的开发方法，目前国内开发新型热障涂层的办法跟先进国家相比也是有差距的。在检验热障涂层的抗热震等性能试验时，不仅检测手段落后，而且试验过程操作还大多停留在手工试验操作阶段，如：采用火焰或加热炉加热试样后手动淬水或气冷冷却，这样的热震循环试验由于人工操作，每个循环的条件都可能存在误差，试验结果可比性不高。

本发明提出了一种新的热障涂层热性能自动、高精度检测方法，提高陶瓷涂层测温精度，并使航空发动机热端部件热障涂层的热性能检测试验操作自动完成，减少人为因素对试验过程、结果的干扰，同时自动记录和保存重要试验数据。本发明对涂层制备和失效控制、提高涂层的使用寿命及热障涂层的发展和应用都具有非常重要的意义。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种热障涂层热循环性能测试装置，设置于机箱中，包括安装试样的试样座、设置于所述机箱内的温度测量仪、试样冷却装置、控制系统，其特征在于，还包括：

加热枪支架；

架设于所述加热枪支架上的加热枪；

位于所述加热枪头部的自动点火装置；

设置于所述加热枪下端的加热枪移动装置；

根据所述控制系统的控制，当所述试样座上安装试样后，启动所述自动点火装置自动点火，所述加热枪移动装置移动所述加热枪至距离所述试样一定位置处加热所述试样；当所述温度测量仪测得所述试样的温度达到保温时间后，加热自动停止，同时开启所述试样冷却装置对所述试样进行冷却，并当所述试样冷却到测试要求的温度时关闭所述试样冷却装置；所述自动点火装置重新自动点火，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。

2.根据权利要求1所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，还包括安装在所述试样的侧面的声发射仪系统，用于监测测试过程中热障涂层的表面开裂情况及开裂程度。

3.根据权利要求1所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，所述机箱的顶部设置有轴流排风机。

4.根据权利要求1所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，所述加热枪移动装置根据电机的驱动将所述加热枪移到所述试样的正前方。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，所述控制系统为PLC控制器。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，所述加热枪为氧丙烷燃气加热枪。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的热障涂层热循环性能测试装置，其特征在于，所述温度测量仪为双色红外测温仪。

8.一种使用权利要求1所述热障涂层热循环性能测试装置进行的热障涂层热循环性能测试方法，其特征在于，包括：

步骤一，启动自动点火装置自动点火，加热枪移动装置移动加热枪到距离试样一定位置处加热所述试样；

步骤二，测量加热后所述试样的温度，并当达到保温时间后，停止自动加热，同时开启试样冷却装置对所述试样进行冷却；

步骤三，测量冷却后所述试样的温度，并当达到测试要求的温度，关闭所述试样冷却装置，所述自动点火装置重新自动点火，转入所述步骤一，开始下一个工作循环，直至热障涂层剥落，测试终止。

9.根据权利要求8所述的热障涂层热循环性能测试方法，其特征在于，所述步骤一中，进一步包括：

通过质量流量计对所述加热枪中的氧气、燃气进行流量控制的步骤。

10.根据权利要求8或9所述的热障涂层热循环性能测试方法，其特征在于，所述步骤一中，进一步包括：

通过安装在所述试样的侧面的声发射仪系统监测测试过程中热障涂层的表面开裂情况及开裂程度的步骤。

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