CN103091239A

CN103091239A - 一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置

Info

Publication number: CN103091239A
Application number: CN2013100091805A
Authority: CN
Inventors: 杨丽; 周长春; 周益春; 蔡灿英
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-05-08

Abstract

一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，属于高温涂层材料测试装置领域。试验装置包括安装有试样夹持装置和样品室的试验测试平台，固定在测试台上的腐蚀气体加载系统，安装在测试台下方的无损检测系统以及控制系统等。本发明能模拟航空发动机涡轮叶片热障涂层高温腐蚀服役环境，通过控制腐蚀气体的种类(如H₂S、SO₂、水蒸气)、压力和腐蚀温度等参数，模拟涂层服役时气体腐蚀失效的过程，并通过复阻抗谱测量系统与声发射检测系统定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，分析其腐蚀过程中的界面形貌和损伤演化情况，为有效评估热障涂层在高温气体腐蚀环境下的失效过程及失效机理提供重要的实验平台。

Description

一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，尤其涉及的是一种用于模拟航空发动机带热障涂层高温部件的气体腐蚀服役环境，并实现多个腐蚀失效参数实时测试的试验装置，属于高温涂层材料测试装置领域。

背景技术

航空发动机是飞机的动力装置，被誉为飞机的“心脏”。近年来，随着航空工业的发展，对发动机性能要求不断提高，同时也使发动机内部高温部件的工作温度越来越高，发展到第四代战斗机，航空发动机的燃气进口温度已经达到1700 °C左右。这对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求。目前先进单晶镍基高温合金的使用极限温度为1150 °C，显然依靠冷却技术和单独使用高温合金材料已不能满足先进航空发动机的需求。1953年美国NASA中心提出了热障涂层(thermal barrier coatings，简称TBCs)的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，以降低合金表面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，经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料可以有效提高涡轮叶片使用温度200~300 °C左右。热障涂层的应用在提高发动机工作温度的同时，不仅能提高部件的抗腐蚀能力，而且可以减少燃油消耗，延长热端部件的使用寿命。因此，热障涂层技术已成为航空发动机热端部件热防护领域的关键技术之一。

然而，在实际服役过程中，由于燃料和大气中含有S、V等杂质，在发动机内燃烧时会产生各种腐蚀性气体，随着燃气冲刷到热障涂层表面，产生高温腐蚀。同时飞机在不工作时，自然工业大气环境中的二氧化硫、三氧化硫等酸性气体对飞机的零部件也会产生常温腐蚀，沿着热障涂层粗糙不平的表面、涂层内部微小的孔洞和裂纹生成腐蚀物，破坏涂层的微观结构与力学性能，加速涂层发生开裂、脱落失效，缩短涂层的使用寿命。因此，要正确的理解热障涂层的腐蚀机理，找出影响热障涂层腐蚀性能的关键参数，同时设计、开发腐蚀性能更优异的热障涂层材料与制备工艺，必须对发动机热障涂层气体腐蚀服役环境进行实验模拟。

目前国内外航天工作者对热障涂层腐蚀性能的研究主要是通过将腐蚀介质涂在热障涂层表面，在高温炉内加热腐蚀，腐蚀完成后再对样品进行检测。国内的热障涂层腐蚀模拟装置有：李志明等人公开了一种热障涂层抗高温熔盐腐蚀的测试方法及装置(专利申请公布号：CN 10865814 A)，采用加热装置使熔盐蒸发，在高温恒温条件下，当测试样品达到所设定的单位腐蚀时间，取出样品直接称重，这样只能以有限的试验信息进行腐蚀分析和性能评价。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)，采用浴槽加热Na₂SO₄、NaCl等盐类物质获取腐蚀性气氛，同时用红外加热方法对样品加热来实现高温气体腐蚀。装置缺少了对航空燃油在实际燃烧过程中所产生各种腐蚀气体的模拟。更重要的是，在这些装置中，缺少对热障涂层腐蚀性能、损伤形成的实时检测与评价。因此，设计并研制热障涂层高温燃气腐蚀、大气环境腐蚀、各种酸性气体腐蚀的试验模拟装置，并结合无损实时检测技术及相关设备，经济有效地对高温部件气体腐蚀性能进行表征，是航天工作者需要解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀的试验装置。装置可以实现高温或常温下航空发动机中热障涂层的气体腐蚀模拟。并通过用复阻抗谱测量系统与声发射检测系统定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，分析其腐蚀过程中的界面形貌和损伤演化情况，为有效评估热障涂层在高温气体腐蚀环境下的失效过程及失效机理提供重要的实验平台。

本发明采用的技术方案为：所述试验装置结构包括：试验测试平台、腐蚀气体加载系统、腐蚀控制系统、温度控制系统、实验控制台、腐蚀失效的复阻抗谱测量系统与声发射检测系统。

所述试验测试平台包括加热喷枪、试样夹持装置、石英室、腐蚀反应密封室和抽流排风机。其中加热喷枪所用燃气为丙烷和氧气，燃气压力由电脑通过燃气控制器控制，以调节火焰温度对腐蚀反应室进行加热。喷枪内有环形冷却通道，冷却液可在喷枪冷却通道和冷却箱之间循环流动，对喷枪进行冷却。腐蚀反应密封室由导热系数高且耐腐蚀的材料做成，由加热喷枪进行加热，同时外面的石英室有保温作用，反应室内温度从室温到1000 °C可调，由温度控制系统控制。在反应室室壁上开有腐蚀通孔和检测设备连接孔，可使热电偶、声发射波导杆和复阻抗谱测量电极与试样相连。同时反应室上方有腐蚀气体出口，用导管与腐蚀气体处理室连接，导管上有压力器可控制腐蚀室内的压力，反应室上的孔和出口都安装有隔热密封塞。试样夹持装置为圆盘形状，安装在反应室内，上面可同时安装包括多个不同形状的样品。抽流排风机安装在装置的顶端，可以将实验时石英室中的废气排出装置。

所述腐蚀系统和腐蚀控制系统包括腐蚀气体罐、腐蚀气体混合室、腐蚀通道和腐蚀气体处理室及各腐蚀气罐压力器，流量计，腐蚀室压力控制器。在实验时，腐蚀气体由各腐蚀气罐充入腐蚀气体混合室，通过各腐蚀气罐压力控制器和流量计可控制腐蚀气体的种类和浓度。混合室通过腐蚀通道与反应室相连。从腐蚀室流出的气体通入到充满碱性溶液的腐蚀气体处理室中，防止形成污染。

所述温度控制系统包括热电偶和燃气压力控制器。由热电偶采集实验时样品的温度，输入到计算机中，计算机根据采集到的温度来调节燃气的压力，对温度进行控制。

所述腐蚀失效的复阻抗谱测量系统与声发射检测系统放置在测试平台的下方，能定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，获取高温腐蚀热障涂层内部结构变化、TGO生长动态等信息，并实现原位检测热障涂层高温腐蚀裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。

所述实验控制台包括控制模块与显示模块：控制模块即控制试验测试平台上所有的开关、压力计、流量计、点火器、实验参数采集与调节以及实时检测系统上所有测量软件的控制与实验数据的采集；显示模块即显示试验测试平台上所有的实验参数，实时检测系统上所有的实验数据和图形以及各指示灯。

本发明的有益效果为：该装置的圆盘形状夹具能同时夹持4种不同形状的样品，实现对各种不同的样品同时进行模拟实验，采用燃气加热，温度升温和降温速率快，范围从室温到1000°C可调，腐蚀混合室可先对腐蚀气体进行处理，使腐蚀气体种类（如H₂S、SO₂、Cl₂、水蒸气等)、浓度、压力控制方便，同时实现腐蚀时多个参数可调，实现模拟涂层服役时遭受气体腐蚀的过程，并通过用复阻抗谱测量系统与声发射检测系统定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，分析其腐蚀过程中的界面形貌和损伤演化情况，为有效评估热障涂层在高温气体腐蚀环境下的失效过程及失效机理提供重要的实验平台。

附图说明

图1是本发明整体逻辑结构示意图

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明试验测试台的结构示意图；

图4是本发明实验控制台的结构示意图。

图中标号：1—加热喷枪、2—试样夹持装置、3—石英室、4—腐蚀反应密封室、5—腐蚀气体罐、6—腐蚀气体混合室、7—腐蚀通道、8—腐蚀气体处理室、9—腐蚀气罐压力及流量计、10—腐蚀室压力控制器、11—热电偶、12—燃气压力控制器、13—复阻抗谱测量系统、14—声发射检测系统、15—丙烷、16—氧气、17—导管、18—腐蚀气体输入控制器、19—排气机、20—隔热密封塞、21—计算机、22—操作台、23—开关、24—指示灯、25—显示器。

具体实施方式

本发明提供了一种用于模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀的试验装置，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，图1是本发明整体逻辑结构示意图。本试验装置的结构包括：试验测试台，腐蚀系统、控制系统、无损检测系统。

如图2所示图2是是整体结构图。装置整体结构为：加热喷枪所用燃气丙烷和氧气，燃气压力由电脑通过燃气控制器控制，以调节火焰温度对腐蚀反应室进行加热。喷枪内有环形冷却通道，冷却液可在喷枪冷却通道和冷却箱之间循环流动，对喷枪进行冷却。腐蚀反应密封室由导热系数高且耐腐蚀的材料做成，由加热喷枪进行加热，同时外面石英室有保温作用，反应室内温度从室温到1000 °C可调，由为温度控制系统控制，在反应室室壁上开有腐蚀通孔和检测设备连接孔，可使热电偶、声发射波导杆和复阻抗谱测量电极与试样相连，同时反应室上方有腐蚀气体出口，用导管与腐蚀气体处理室连接，导管上有压力器可控制腐蚀室内的压力，反应室上的孔和出口有隔热密封塞。试样夹持装置为圆盘形状，安装在反应室内，上面可同时安装多个不同形状的样品。热电偶采集实验时样品的温度，输入到计算机中，计算机根据采集到的温度来调节燃气的压力，对温度进行控制。无损检测模块的复阻抗谱测量系统与声发射检测系统放置在测试平台的下方，能定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，获取高温腐蚀热障涂层内部结构变化、TGO生长动态等信息，并实现原位检测热障涂层高温腐蚀裂纹的萌生和扩展。

如图3所示，图3是本发明试验测试台的结构示意图。测试台包括采用燃气喷枪对腐蚀反应室进行加热，由热点偶测量样品表面温度，腐蚀气体从腐蚀气体混合室内充入到反应室内与样品发生反应，腐蚀混合室可预先对腐蚀气体进行处理，使腐蚀气体种类（如H₂S、SO₂、Cl₂、水蒸气等)、浓度、压力控制方便，同时实现腐蚀时多个参数可调，实现模拟涂层服役时遭受气体腐蚀的过程。

如图4所示，图4是本发明实验控制台的结构示意图。实验控制台包括控制模块与显示模块：控制模块即控制试验测试平台上所有的开关、压力计、流量计、点火器、实验参数采集与调节以及实时检测系统上所有测量软件的控制与实验数据的采集；显示模块即显示试验测试平台上所有的实验参数以及实时检测系统上所有的实验数据和图形和各指示灯。

使用所述试验装置带热障涂层的试样进行模拟试验及实时测试的步骤为：

1. 将用点焊设备把阻抗测试用的电极、声发射测试用的波导杆分别焊在带热障涂层的试样表面和两端金属基底上，把电极和波导杆另一端穿过腐蚀反应室连接到复阻抗谱测量系统和声发射无损检测系统，然后将试样固定到试样圆盘上，同时把热电偶也穿过反应室固定在样品陶瓷涂层表面，用隔热密封塞密封反应室的各连接口。

2. 打开实验控制系统，根据实验条件设置好实验参数，跟据所需腐蚀气体的种类和浓度，调节各腐蚀气罐的流量计将腐蚀气体从入到腐蚀混合室，同时打开复阻抗谱测量系统和声发射无损检测系统，调节好仪器参数，打开排气系统，启动丙烷快速加热装置，由设定温度自动调节燃气初始压力，打开腐蚀通道，将腐蚀气体由混合室充入到反应室，从导管导出到腐蚀气体处理室，控制腐蚀气体流量和压力。

3. 实验过程中定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，至实验完成，关闭系统，整理仪器。

本发明模拟航空发动机涡轮叶片热障涂层高温腐蚀服役环境，通过控制腐蚀气体的种类(如H₂S、SO₂、Cl₂、水蒸气等)、浓度、压力和腐蚀温度等参数，实现模拟涂层服役时遭受气体腐蚀的过程，并通过用复阻抗谱测量系统与声发射检测系统定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，分析其腐蚀过程中的界面形貌和损伤演化情况。为有效评估热障涂层在高温气体腐蚀环境下的失效过程及失效机理提供重要的实验平台。

Claims

1.一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，该试验装置包括试验测试平台、腐蚀气体加载系统、控制系统、无损检测系统、实验控制台。

所述试验测试平台包括加热喷枪(1)、试样夹持装置(2)、石英室(3)、腐蚀反应密封室(4)、抽流排风机(19)；

腐蚀气体加载系统包括腐蚀气体罐(5)、腐蚀气体混合室(6)、腐蚀通道(7)和腐蚀气体处理室(8)；

控制系统包括各腐蚀气罐压力及流量计(9)，腐蚀室压力控制器(10)；热电偶(11)；燃气压力控制器(12)；

无损检测系统包括复阻抗谱测量系统(13)与声发射检测系统(14)；

实验控制台包括计算机(21)、操作台(22)、开关(23)、指示灯(24)、显示器(25)。

所述加热喷枪(1)的燃气压力由燃气压力控制器控制(12)，加热喷枪(1)对腐蚀反应密封室(4)进行加热；加热喷枪(1)内有环形冷却通道，冷却液可在喷枪冷却通道和冷却箱之间循环流动，对加热喷枪(1)进行冷却；腐蚀反应密封室(4)外面的石英室(3)有保温作用，腐蚀反应密封室(4)内温度从室温到1000 °C可调，由温度控制系统控制，在腐蚀反应密封室(4)室壁上开有腐蚀通孔和检测设备连接孔，可使热电偶、声发射波导杆和复阻抗谱测量电极与试样相连，同时上方有腐蚀气体出口，用导管与腐蚀气体处理室(8)连接，导管上有腐蚀室压力控制器(10)可控制腐蚀室内的压力，腐蚀反应密封室(4)上的孔和出口有隔热密封塞；试样夹持装置为圆盘形状，安装在腐蚀反应密封室(4)内，上面可同时安装多个不同形状的样品；多个热电偶(11)布置在实验样品的各个位置采集实验时样品的温度，输入到计算机中，计算机根据采集到的温度来调节燃气的压力，对温度进行控制；无损检测模块的复阻抗谱测量系统与声发射检测系统放置在测试平台的下方，能定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，获取高温腐蚀热障涂层内部结构变化、TGO生长动态信息，并实现原位检测热障涂层高温腐蚀裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。

2.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述加热喷枪所用燃气为丙烷(15)和氧气(16)，燃气压力由燃气控制器控制，以调节火焰温度对腐蚀反应室进行加热；喷枪内有环形冷却通道，冷却液可在喷枪冷却通道和冷却箱之间循环流动，对喷枪进行冷却。

3.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述试样夹持装置为圆盘形状，上面可同时安装包括平板状、圆筒状，圆盘状和实际涡轮叶片形状四种不同形状的样品。

4.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述腐蚀反应密封室由加热喷枪进行加热，同时外面石英室有保温作用，反应室内温度从室温到1000 °C可调，由温度控制系统控制；在反应室室壁上开有腐蚀通孔和检测设备连接孔，可使热电偶、声发射波导杆和复阻抗谱测量电极与试样相连；同时反应室上方有腐蚀气体出口，用导管(17)与腐蚀气体处理室连接，导管上有压力器可控制腐蚀室内的压力、反应室上的孔和出口都安有隔热密封塞(20)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述抽流排风机安装在装置的顶端，可以将实验时石英室中的废气排出装置。

6.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述腐蚀气体混合室在实验时，腐蚀气体由各腐蚀气罐充入其中，通过各腐蚀气罐压力及流量计可控制腐蚀气体的种类和浓度；混合室通过腐蚀通道和腐蚀输入控制器(18)与反应室相连。

7.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括热电偶和燃气压力控制器，热电偶采集实验时样品的温度，输入到计算机中，计算机根据采集到的温度来调节燃气的压力，对温度进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述腐蚀失效的复阻抗谱测量系统与声发射检测系统放置在测试平台的下方，能定期检测试样腐蚀时涂层阻抗的变化与损伤声发射信号，获取高温腐蚀热障涂层内部结构变化、TGO生长动态等信息，并实时检测热障涂层高温腐蚀裂纹的萌生、扩展情况。

9.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试热障涂层气体腐蚀失效的试验装置，其特征在于，所述实验控制台包括控制模块与显示模块；控制模块即控制试验测试平台上所有的开关(23)、压力计、流量计、点火器、实验参数采集与调节以及实时检测系统上所有测量软件的控制与实验数据的采集；显示模块包括显示试验测试平台上所有的实验参数，实时检测系统上所有的实验数据和图形以及各指示灯(24)。