CN103091189B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明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。
背景技术
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 oC ~ 1700 oC, 而基底合金材料内表面的温度也可以达到700 oC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：(1)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。
发明内容
为了解决上述问题，本发明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。
本发明采用的技术方案为：
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，该装置主要由5部分组成：
(1)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圆盘试样夹具及固定装置组成，将轴、试样、试样夹具及固定装置由石英玻璃封闭，形成密封的样品室。样品室的两侧安装有内定位板和外定位板支撑的移动导轨，在移动导轨上设置模拟热障涂层服役环境的喷枪的固定装置。在样品室内夹具的一侧，设置多个热电偶固定装置。在样品室的一侧室壁上，开有小孔安装无损检测系统的电极、波导杆。在样品室的外侧，设置多个CCD摄像机。样品室的上方，接除尘除湿系统，实验操作平台上设置有颗粒回收系统。在试验操作平台的下方设置各种无损检测系统的放置位置。
所述试样夹持装置包括动态和静态两种，动态时，试样通过固定装置直接固定在旋转轴上，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；静态试样夹持装置包括一个可绕旋转轴转动的旋转盘及将其固定在旋转轴上的固定装置，试样沿着旋转盘的半径方向固定在旋转盘上，旋转盘及旋转轴上分别刻有角刻度，能实现试样与竖直轴呈现0-360°的夹角。圆盘上加工有平板状、圆柱状、涡轮叶片状热障涂层试样的夹具，能完成各种形状热障涂层试样的试验；
所述服役环境模拟模块的高温环境模块包括2个特制的加热喷枪，通过固定装置固定在实验操作平台上，由伺服电机通过移动导轨控制喷枪的移动，且喷枪内设置有冷却通道，由冷却水循环冷却。喷枪喷射火焰的温度可达3000 °C，通过调节喷枪与试样的距离样品的加热范围为20 -1700 °C；
所述服役环境模块的冲蚀颗粒加料系统由分别镶嵌在2个加热喷枪内的颗粒管道，通过压缩空气将冲蚀颗粒快速冲击至喷枪口，在高温燃气的快速加热下将直径为10-500 μm的冲蚀颗粒以0-250 m/s的速度、20-1700°C的温度、任意角度冲蚀在试样的表面。
所述服役环境模块的腐蚀服役环境模块的实现方式有两种，一是利用冲蚀颗粒通道传输腐蚀颗粒至喷枪出口处与高温燃气或空气发生反应生成带冲蚀效应的高温腐蚀；二是通过内置在喷枪内的腐蚀气体管道将腐蚀气体输送至样品室。样品室的腐蚀气压为1-6 atm。
所述无损检测模块中的温度采集系统根据试样的动、静服役状态，分为红外测温仪和热电偶两种。包括热电偶、红外测温仪传感器、温度显示仪、温度采集软件，所述热电偶、传感器分别与试验控制平台上的温度显示仪连接。静态实验时，所述热电偶采用B型1600 °C的铂铑热电偶，测定试样的表面、内通道、冷却气体出口六点温度；所述红外测温仪为B型1600 °C的铂铑热电偶，动态实验时定期测定试样表面、内通道、冷却气体出口的温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试。
所述无损检测模块中的非接触式三维变形测试系统为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统，整个系统集成在装置实验测试柜内，其CCD摄像头放置在样品室的外侧，装置控制系统直接调用和驱动ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统的测量软件，用以对试样的应变场、应力场和位移场进行实时测试和分析。
所述无损检测模块中的声发射无损检测系统为灵敏度在10-8cm 量级的PCI-2型声发射无损检测系统，整个系统集成在装置实验测试柜内，其传感器、波导杆装置通过样品室的小孔与试样相连，装置控制系统直接调用和驱动PCI-2型声发射无损检测系统的测量软件，实现试样内部裂纹的萌生、扩展的实时检测与分析。
所述无损检测模块中的交流复阻抗频谱监测系统为1260+1296型复阻抗谱测量系统，整个系统集成在装置实验测试柜内，其测量电极通过样品室的小孔与试样相连，装置控制系统直接调用和驱动1260+1296型复阻抗谱测量系统的测量软件，对热障涂层试样(6)进行界面氧化、损伤演化与腐蚀失效的实时测试。
所述高速CCD摄像系统为AVT Manta G-504型高速摄像系统，500万像素，最大拍摄速率为9 fps/s。整个系统集成在整个系统集成在装置实验测试柜内，其CCD摄像头放置在样品室的外侧，装置的软件系统直接调用和驱动AVTManta G-504高速摄像系统的测量软件，用以对试样(6)的表面形貌进行实时拍摄。
所述冷却系统有两种冷却方式：一是对试样的气冷，空气压缩机中的冷却气体经冷却通道入口由试样内部冷却通道的底部入口进入，经试样内通道，由顶部的冷却气体出口排出；二是对气体喷枪的水冷，冷却水箱中水流通过流量阀的控制经冷却通道入口在两个喷枪与冷却水箱间循环流动。
所述试验控制与显示平台控制试验测试平台上的所有机械传动、实验参数采集与调节以及无损检测模块(3)所有测量软件的控制与实验数据的采集、记录与显示；主要包括温度显示、声发射信号显示、ARAMIS非接触式三维变形测量结果显示、复阻抗谱测量结果显示、高速摄像显示、实验参数显示等，行程控制开关、电源指示灯、急停开关、工作状态显示灯、冷却系统控制开关、冷却系统工作指示灯。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述试验装置的高温、腐蚀与冲蚀一体化的高温燃气喷枪加载系统以丙烷火焰作热源，升温和降温速率快，可达到航空发动机内高温材料的工作温度。采用空气压缩机将铝、硫、磷等杂质与腐蚀颗粒通过冲蚀颗加料系统快速的挤压至喷枪端口处，被高温燃气加热、反应，生成带硬质颗粒的强腐蚀气流，或是再与腐蚀管道的腐蚀气体交汇，模拟热障涂层涡轮叶片高温、腐蚀与冲蚀的服役环境。而且采用对称结构的双向环绕加载方式，使试样表面受载较均匀，再通过机械传动装置控制喷枪到试样表面的距离，可以方便地调节加热区域和加热温度，加载系统的特点是：加热的温度范围宽，可实现从20-1700 °C范围的加热；颗粒冲蚀的速度范围宽，可实现0-250 m/s范围的冲蚀；腐蚀环境的压力范围宽，可实现1-6 atm的腐蚀。更重要的是，加载系统中冲蚀、高温与腐蚀模块可以同时加载，模拟热障涂层复杂的热、力、化学耦合环境；三个模块也可以独立工作或两两组合工作，分别模拟热障涂层单一的冲蚀、热疲劳或热冲击或高温氧化、腐蚀；又或是高温冲蚀、高温腐蚀、冲蚀腐蚀的服役环境。功能强大，操作简单，试验设备容易实现，试验成本低，并且便于实现与其它测试仪器一起协调测试。
(2) 本发明所述试验装置的试样夹持装置包括：高速电动机、旋转轴、固定在旋转轴上涡轮叶片夹具以及固定装置，构成即动态试样夹持装置部分；标有刻度的安装轴、标有刻度的加工有平板状、柱状、涡轮叶片状夹具的旋转盘以及固定装置，构成静态试样夹持装置部分。动态实验时，试样直接通过夹具槽固定在旋转轴上，由电动机带动旋转轴及试样高速旋转，角速度最高可以达到12000 r/min，接近实际热障涂层涡轮叶片的工作转速；静态实验时，在旋转盘的圆周平面上刻有平板状、圆柱状、实际涡轮叶片底座形状的试样槽，可以装载各种不同形状、大小的热障涂层试样或叶片。通过调整旋转盘刻度与旋转轴上指示刻度的夹角，可实现热障涂层试样与竖直轴之间的夹角，角度范围0-360°可调。不仅可以实现工作叶片和导向叶片旋转与静止的服役状态，而且可以完成各种简单形状热障涂层试样、各种不同测试条件如冲蚀角度的实验，分析温度、粒子角度、速度、几何形状等各种因素对热障涂层破坏机理的影响。
(3)本发明所述试验装置中集成的无损检测系统包括德国GOM公司生产的ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统，美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射检测系统，英国Solartron公司生产的1260+1296型复阻抗谱测试系统，德国AVT公司生产的AVT Manta G-504型高速摄像系统，分别用来测量热障涂层试样的三维变形，裂纹的萌生与扩展，界面形貌演化、微观结构与化学成分变化，表面形貌摄像。其中三维变形在线测量系统主要的技术参数有：被测量试样表面温度可高达2000°C；CCD摄像机分辨率是 2448×2050像素；实时数据处理，其采样频率是15-29 Hz；应变测量范围：0.01 % ~ 500 %；离面位移的测量最大值是140 mm。声发射检测系统的主要技术参数是：内置的18位A/D转换器和处理器更适一种用于低振幅、低门槛值(17 dB)的设置、最大信号幅度100 dB、动态范围 > 85 dB、4个高通和6个低通；PCI-2上装有声发射数据流量器，可将声发射波形不断的转向硬盘，速度可达10M /秒；PCI-2板上装有2个可选参数通道，该通道有16位的A/D转换器，速度为10000个/秒，并行多个FPGA处理器和ASIC IC芯片。复阻抗谱测量系统的主要技术参数是：电流范围是200 nA～ 2 A；电流分辨率是1 pA；电压范围是±14.5 V；电压分辨率是1 μV；频率范围是10 μ ～ 1M Hz。高速摄像系统的主要技术参数是：最大拍摄速率为9 fps/s，分辨率是 2452×2054像素。
(4)本发明所述试验装置有2种不同类型的冷却装置，一种是对高温夹具的冷却系统，通以冷却水的方式进行冷却；另一种是对带冷却通道的试样进行冷却，通以冷却空气的方式进行冷却。例如以带热障涂层的空心涡轮叶片试样为例，对涡轮叶片底端做加工处理，设置内螺纹，接冷却通道，通冷却空气对涡轮叶片进行内流冷却，保证叶片内表面温度保持在设定的温度，进而实现从陶瓷表面至叶片内表面形成一个温度梯度。冷却气流量由流量阀控制和测量。通过外接热电偶，可以测量记录试样表面、试样内部、冷却气流等6点温度数据，有效评价涂层的隔热效果。
(5)本发明所述试验装置将各种无损检测系统集成在装置的试验测试柜内，与环境服役模块、试验测试平台以及冷却系统在硬件上构成一个整体。各种无损检测系统在试验测试时，由系统自身的测试软件来进行参数的设定、数据的存储，但各个无损检测系统硬件与软件的开启与执行状态由装置的控制系统统一控制，实现服役模拟试验与失效实时检测的同步运行。装置的实验控制按钮、参数显示、温度显示以及各种无损检测系统的数据、图形均由装置的显示系统来完成，实现实验参数与实验结果的一体化显示。
综上所述，本发明具有以下突出的特点：
a.能模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温，冲蚀，腐蚀的服役环境，实现了热疲劳、高温腐蚀、高温冲蚀等多种破坏过程的一体化模拟。目前尚未有专利报道这一一体化功能的试验装置。
b.装置既能模拟热障涂层工作叶片高速旋转的动态服役环境，也能模拟导向叶片静止的静态服役环境，实现热障涂层涡轮叶片动、静态服役环境的一体化模拟。目前尚未有专利报道热障涂层动态模拟系统的试验装置，更没有动、静态服役环境一体化的试验装置。
c.装置能够实时测试热障涂层温度场、表面形貌图像演变、三维变形场、三维位移场、界面氧化层及其增厚规律、热疲劳裂纹萌生与扩展情况、冷却气流量，实现服役环境模拟与失效过程实时检测的一体化。因此，本装置最大的特色是：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。
d.该装置的工作温度范围宽(最高能达到3000 °C)，能完成模拟不同领域内高温部件材料热疲劳失效的测试，应用性强。
附图说明
图1是本发明整体逻辑结构示意图；
图2是本发明试验测试柜结构示意图；
图3是本发明试验控制柜结构示意图；
图4是被测高温试样与本发明连接关系图。
图中标号：101—高速旋转电动机；102—旋转轴；103—动态旋转试样夹具；104—静态试样夹具；105—固定装置；106—安装轴；107—除尘系统；108—实验操作平台；109—样品室；110—内定位板；111—外定位板；112—移动导轨；113—高温火焰喷枪的安装装置；114—热电偶；115—热电偶固定装置；116—红外测温仪；117—CCD摄像机；118—颗粒回收通道；201—高温火焰喷枪；202—冲蚀颗粒输入系统；203—腐蚀气体输入系统；204—燃气输入系统；205—氧气输入系统；6—样品；3—无损检测装置放置区；310—非接触式三维变形测试系统；320—声发射无损检测系统；330—复阻抗谱测试系统；401—空气压缩机；402—冷却水箱；403—流量阀；404—冷却通道入口；405—空心旋转轴冷却通道入口；501—显示器放置区；502—电源指示灯；503—工作状态指示灯；504—冷却系统指示灯；505—数据采集指示灯；506—动态装置控制开关；507—喷漆移动控制开关；508—数据同步采集开关；509—冷却系统开；510—急停开关；511—电源开关；512—温度显示仪；513—声发射信号显示器；514—复阻抗谱测量数据显示器；515—非接触式三维变形测量结果显示器。
具体实施方式
本发明提供了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，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本试验装置的结构包括：试验测试平台，服役环境模块、无损检测模块、冷却系统和实验与无损检测控制平台。
如图2所示，图2是本发明试验测试柜结构示意图。试验测试柜的结构为：在装置试验测试台的中间位置安装有试样加持装置(1)，包括固定装置(105)，高速旋转电动机(101)，旋转轴(102)，动态旋转试样夹具(103)；静态试样夹具(104)，安装轴(106)和静态试样夹具(104)上制作有角刻度，夹具能围绕轴心转动；整个试样加持装置的上下位置可调；除了高速旋转的电动机外，试样加持装置装有石英玻璃，形成密封的样品室(109)，样品室上方接除尘系统(107)，下方接实验操作平台(108)；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)的安装位置和固定装置(113)，在夹具(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)。在试验操作平台(108)的下方设置各种无损检测系统，包括温度测试采集系统(340)、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)、高速CCD摄像系统(350)。
模拟热障涂层涡轮叶片动态旋转模块由电动机(101)带动旋转轴(102)高速选装，旋转轴的一端通过动态试样夹持装置(103)将试样(6)固定在旋转轴上并随旋转之，转速范围为0-12000 r/min；静态试样夹持装置包括一个可绕旋转轴转动的旋转盘(104)，试样沿着旋转盘的半径方向固定在旋转盘上，能实现试样与竖直轴呈现0-360°的夹角；
高温燃气双向加热系统包括2个特制的加热喷枪，加热范围为20 -1700 °C，用喷枪固定装置(113)固定，由伺服电机控制喷枪移动；所述喷枪内通有冷却循环水；
模拟热障涂层涡轮叶片所述冲蚀颗粒加料系统由分包镶嵌在2个加热喷枪内的颗粒管道，冲蚀颗粒的速度为0-250 m/s，冲蚀颗粒的直径10-500 μm；
模拟热障涂层涡轮叶片所述腐蚀服役环境模块的实现方式有两种，一是将腐蚀颗粒加在冲蚀颗粒中在加热喷枪的出口处与高温燃气或空气发生反应生成带冲蚀颗粒的高温腐蚀气流。一是通过安置在喷枪下方的独立腐蚀气流管道将腐蚀气体输送至样品室。样品室的腐蚀气压为1-6 atm。
如图3所示，图3是本发明试验控制柜结构示意图，试验控制平台(5)控制试验测试柜中(108)上的所有机械传动、实验参数的设定、实验数据的采集的显示。试验控制平台(5)上设有温度显示仪(512)、声发射信号显示器(513)、复阻抗谱测量数据显示器(514)、ARAMIS非接触式三维变形测量结果显示器(515)、行程控制开关(506、507)、电源指示灯(502)、急停开关(510)、工作状态显示灯(503)、冷却系统控制开关(509)、冷却系统工作指示灯(504)。
如图4所示，图4是被测高温试样与本发明连接关系图。静态实验时，温度测试采集系统(340)包括热电偶(114)、温度显示仪(512)、温度采集软件，所述热电偶(114)与试验控制平台(5)上的温度显示仪(512)连接。所述热电偶(114)采用B型1600 °C的铂铑热电偶，测定试样(6)的表面、内通道、冷却气体出口六点温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试。6只热电偶(114)分别通过6个自由移动的热电偶固定装置(115)摆放于实验操作平台(108)上，热电偶(114)与试验控制平台(5)上的温度显示仪(512)及计算机相连接；冷却空气通过冷却通道入口(405)，经冷却水箱(402)，由试样冷却底部入口(603)进入，经试样冷却顶部出口(604)排出，系统通过流量阀(403)控制冷却空气流量及测试流量；CCD摄像头(117)与非接触式三维变形测试系统(310)、AVTManta G-504型高速摄像系统(350)连接；试样(6)表面安装有两个电极(602)，分别与交流复阻抗频谱监测系统(330)连接；试样(6)两端焊接两个波导杆(601)，波导杆与声发射无损检测系统(320)连接。
热障涂层涡轮叶片或试样动态旋转实验时，所述温度测试采集系统(340)包括热电偶(114)、红外测温仪(116)、温度显示仪(512)、温度采集软件，所述热电偶(114)以及红外测温仪(116)与实验控制平台(5)上的温度显示仪(512)连接。所述热电偶(114)的类型与静态试验相同，此时只测量空心旋转轴与试样连接端口处的轴心位置的温度，实现冷却气体温度的测量。温度显示仪(512)放置在样品室外，通过平移和转动实现试样(6)的表面、内通道等温度的定期测量。冷却空气通过冷却通道入口(405)，经冷却水箱(402)，经过空心旋转轴(102)，由试样冷却底部入口(603)进入，经试样冷却顶部出口(604)排出，系统通过流量阀(403)控制冷却空气流量及测试流量；CCD摄像机(117)与AVT Manta G-504型高速摄像系统(350)连接。
所述冷却系统(4)包括空气压缩机(401)、冷却水箱(402)、流量阀(403)、冷却通道入口(404)、空心旋转轴冷却通道入口(405)；冷却气体经冷却通道入口(405)和冷却水箱(402)进入试样(6)内部冷却通道的底部(603)，经试样内通道，由顶部的冷却气体出口(604)排出。
非接触式三维变形测试系统(310)为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统，完成在高温环境下对试样(6)的应变场分布、应力场分布和位移场分布情况进行实时测试和分析。
声发射无损检测系统(320)为灵敏度在10-8cm 量级的PCI-2型声发射无损检测系统，实现在热障涂层试样各种服役条件下，对试样内部动态原位检测裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。
交流复阻抗频谱监测系统(330)为1260+1296型复阻抗谱测量系统，对带热障涂层的试样(6)进行热障涂层内部结构、裂纹萌生以及界面氧化的实时测试。
CCD摄像系统(350)为AVT Manta G-504高速摄像系统，对热障涂层表面形貌的演变进行实时测试。
使用所述试验装置对带热障涂层涡轮叶片进行静态模拟试验及实时测试的步骤为：
第一步，制备试样：采用等离子喷涂工艺，在某型号空心涡轮叶片表面喷涂热障涂层隔热材料。其系统组成是：过渡层材料为NiCrAIY合金，其厚度约为100μm；陶瓷粉末材料为含8 (wt.) % Y2O3的二氧化锆，陶瓷层厚度约为300μm。最后在试样表面喷洒一层黑色耐超高温漆，使试样表面形成有较高反光性能的散斑场，以作为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统的特征散斑场。
第二步，用电焊设备把测试用的电极(602)、波导杆(601)分别焊在第一步所完成的带热障涂层的涡轮叶片试样表面和两端金属基底上，把电极(602)和波导杆(601)另一端连接到复阻抗谱测量系统(330)和声发射无损检测系统(320)，然后把带热障涂层的涡轮叶片试样(6)固定夹具(104)上，调节旋转圆盘，固定试样与竖直轴之间的夹角。然后将4支热电偶(114)固定在涡轮叶片陶瓷涂层表面、1支热电偶固定在涡轮叶片冷却通道的冷却底部入口(603)处、1支热电偶固定在叶片冷却通道的冷却顶部出口(604)处。每支热电偶分别连接到温度测试采集系统(34)，并判断各仪器是否正常工作。
第三步，启动ARAMIS非接触式三维变形测试系统。调节好CCD摄像头(117)，确定所关注待测试样的区域，并做好前期标定工作。打开应变测试软件，设定ARAMIS测试软件拍摄频率为1张/5秒，在线测试自动保存数据模式；启动AVT Manta G-504高速摄像系统。调节好CCD摄像头(117)，确定所关注待测试样的区域。打开测试软件，设定AVT Manta G-504测试软件拍摄频率为1张/5秒，在线测试自动保存数据模式。
第四步，启动声发射无损检测系统。打开测试软件，设置好阈值等实验参数；启动交流复阻抗频谱监测系统，打开测试软件，设置好频率范围、电压幅值等实验参数。
第五步，打开试样夹具(104)和喷枪固定装置(113)的冷却水开关。打开涡轮叶片内部通道的冷却气体控制开关，使冷却气体从涡轮叶片底部冷却通道进入叶片内，由顶部通孔排出，使陶瓷涂层表面至金属基底内表面形成高温度梯度。
第六步，启动丙烷快速双向加热装置、启动颗粒加料系统、启动腐蚀气体加载装置(视实验要求可选1-3种服役环境)，调节燃气气流量，自动点火8~10秒后燃气温度稳定在1000 °C。通过控制机械传动开关，对涡轮叶片表面进行双面快速加热，升温速率约100 °C/s，使表面温度稳定在1000 °C左右，并保持10分钟。在该具体实施例中，每一个热循环方式是加热时间10 s，保温时间为300 s，冷却时间200s。设定热循环次数是500 次。
第七步，同时开启模拟实验和实时检测系统，实时测试和记录带热障涂层的涡轮叶片试样的温度场变化、三维变形场变化、三维位移场变化、陶瓷涂层表面形貌的演变、声发射监测的事件数量、界面氧化层的生长演变规律和涂层脱落情况等。
第八步，待模拟实验完成后，分析和整理实验数据，判断带热障涂层的涡轮叶片中涂层的失效机理和危险区域。
使用所述试验装置对带热障涂层涡轮叶片进行动态模拟试验及实时测试的步骤为：
第一步，制备试样：采用等离子喷涂工艺，在某型号空心涡轮叶片表面喷涂热障涂层隔热材料。其系统组成是：过渡层材料为NiCrAIY合金，其厚度约为100μm；陶瓷粉末材料为含8 (wt.) % Y2O3的二氧化锆，陶瓷层厚度约为300μm。最后在试样表面喷洒一层黑色耐超高温漆，使试样表面形成有较高反光性能的散斑场，以作为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统的特征散斑场。
第二步，将带热障涂层的涡轮叶片试样(6)固定夹具(103)上。将1支热电偶(114)固定在空心旋转轴冷却通道入口(405)处，将红外测温仪(116)固定在样品室(109)的外侧，将热电偶与红外热像仪分别连接到温度测试采集系统(340)，并判断各仪器是否正常工作。
第三步，启动ARAMIS非接触式三维变形测试系统。调节好CCD摄像头(117)，确定所关注待测试样的区域，并做好前期标定工作。运行应变测试软件，设定ARAMIS测试软件拍摄频率为1张/5秒，在线测试自动保存数据模式。
第四步，启动AVT Manta G-504高速摄像系统。调节好CCD摄像头(117)，确定所关注待测试样的区域。打开测试软件，设定AVT MantaG-504测试软件拍摄频率为1张/5秒，在线测试自动保存数据模式。
第五步，打开试样夹具(103)和喷枪固定装置(113)的冷却水开关。打开涡轮叶片内部通道的冷却气体控制开关，使冷却气体从涡轮叶片底部冷却通道进入叶片内，由顶部通孔排出，使陶瓷涂层表面至金属基底内表面形成高温度梯度。
第六步，启动丙烷快速双向加热装置、启动颗粒加料系统、启动腐蚀气体加载装置(视实验要求可选1-3种服役环境)，调节燃气气流量，点火8~10秒后燃气温度稳定在1000 °C。通过控制机械传动开关，对涡轮叶片表面进行双面快速加热，升温速率约100 °C/s，使表面温度稳定在1000 °C右，并保持5分钟。
第七步，启动高速电机旋转系统，设定旋转转速为10000 r/min，设定运行时间为5分钟。
第八步，同时开启模拟实验和实时检测系统，实时测试和记录带热障涂层的涡轮叶片试样的温度场变化、三维变形场变化、三维位移场变化、陶瓷涂层表面形貌的演变等。
第九步，待模拟实验完成后，分析和整理实验数据，判断带热障涂层的涡轮叶片中涂层的失效机理和危险区域。
本发明能模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温，冲蚀，腐蚀的服役环境，实现了热疲劳、高温腐蚀、高温冲蚀等多种破坏过程的一体化模拟；既能模拟热障涂层工作叶片高速旋转的动态服役环境，也能模拟导向叶片静止的静态服役环境，实现热障涂层涡轮叶片动、静态服役环境的一体化模拟；能够实时测试热障涂层温度场、表面形貌图像演变、三维变形场、三维位移场、界面氧化层及其增厚规律、热疲劳裂纹萌生与扩展情况、冷却气流量，实现服役环境模拟与失效过程实时检测的一体化。本发明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，应用性强，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。

Claims (6)

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(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)。
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：
1a)模拟热障涂层涡轮叶片动态旋转的模块中，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0-12000r/min；
1b)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；
1c)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；
1d)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，喷枪喷射火焰的温度可达3000℃，通过调节喷枪与试样的距离样品的加热范围为20-1700℃；
2b)模拟热障涂层涡轮叶片所述冲蚀颗粒加料系统由分包镶嵌在2个加热喷枪内的颗粒管道，冲蚀颗粒的速度为0-250m/s，冲蚀颗粒的直径10-500μm；
2c)模拟热障涂层涡轮叶片所述腐蚀服役环境模块的实现方式有两种，一是利用冲蚀颗粒通道传输腐蚀颗粒至喷枪出口处与高温燃气或空气发生反应生成带冲蚀效应的高温腐蚀；二是通过内置在喷枪内的腐蚀气体管道将腐蚀气体输送至样品室；所述样品室的腐蚀气压为1-6atm。
4.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，所述无损检测模块：
3a)所述温度测试采集系统(340)有两种测温方式：一是用热电偶(114)采集；二是红外测温仪(116)；热电偶与红外测温仪均与试验控制平台(5)上的温度显示仪(512)连接；
3b)所述热电偶(114)采用B型1600℃的铂铑热电偶，静态实验时测定试样(6)的表面、内通道、冷却气体出口六点温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试；动态实验时，采用红外测温仪对试样(6)的表面、内通道、冷却气体出口的温度进行依次测量；
3c)所述非接触式三维变形测试系统(310)为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统，整个系统集成在装置实验操作平台(108)下方的无损检测装置放置区(3)，其CCD摄像头(117)放置在样品室(109)的外侧；
3d)所述声发射无损检测系统(320)为灵敏度在10-8cm量级的PCI-2型声发射无损检测系统，整个系统集成在装置实验操作平台(108)下方的无损检测装置放置区(3)，其传感器、波导杆装置(601)通过样品室的小孔与试样(6)相连；
3e)所述复阻抗谱测试系统(330)为1260+1296型复阻抗谱测量系统，整个系统集成在装置实验操作平台(108)下方的无损检测装置放置区(3)，其测量电极(602)通过样品室的小孔与试样(6)相连；
3f)所述高速CCD摄像系统(350)为AVT Manta G-504高速摄像系统，整个系统集成在装置实验操作平台(108)下方的无损检测装置放置区(3)，其CCD摄像头(117)放置在样品室(109)的外侧。
5.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，所述冷却系统：
4a)所述冷却系统包括对试样(6)的气冷以及装置高温部件如气体喷枪的水冷两部分；
4b)所述冷却系统(4)包括空气压缩机(401)、冷却水箱(402)、流量阀(403)、喷枪冷却通道入口(404)和试样安装空心轴冷却通道入口(405)；冷却气体经冷却通道入口(405)和冷却水箱(402)进入试样(6)内部冷却通道的底部，流经试样内通道由顶部的冷却气体出口排出。
6.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，所述实验与无损检测系统的控制与显示模块：
5a)所述控制模块控制试验测试平台(1)上所有的机械传动、实验参数采集与调节以及无损检测模块(3)所有测量软件的控制与实验数据的采集，并能实现试验控制与无损检测装置的同步运行；
5b)所述显示模块同步显示试验测试平台(1)上所有的实验参数以及无损检测模块(3)上所有的实验数据和图形，并能实现实验参数与无损检测装置的同步显示。
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