CN104713897A - 一种测试热防护涂层表面性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测试热防护涂层表面性能的方法，包括如下步骤：a)加工热防护涂层试样，安装所述试样在冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道；b)采用可变强度的激光束对所述试样的热防护涂层表面加热，再对所述试样进行冷却；如此反复进行至规定的循环次数；测量实验过程中所需各测温点的温度值；观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化；c)评价所述试样的热疲劳性能和隔热性能。本发明提高了热应力，显著加速表面热疲劳，缩短了试验周期，节约了实验成本。在冷热循环中不需要移动，使试验系统相对简洁。可同时测试热防护涂层热疲劳性能和隔热性能两种表面性能。

Description

一种测试热防护涂层表面性能的方法

技术领域

本发明涉及表面性能测试技术领域，特别是一种采用激光作为热源进行涂层表面热疲劳性能和隔热性能测试的方法。

背景技术

采用热喷涂、堆焊、熔覆等表面技术在受热零部件表面制备热防护涂覆层，是提高零部件可靠使用寿命的有效手段。采用高性能涂层既可以提高表面的热疲劳性能，又可以降低基体的工作温度，起到防热隔热的作用，适用于航空航天发动机的涡轮叶片、车用发动机的气缸盖、活塞、进排气管道、以及热锻模具、轧辊等承受高温、高压载荷条件的零部件。

表面热疲劳性能和隔热性能是热防护涂层的两项重要的指标。表面热疲劳是指材料表面受到冷热循环作用，表面温度变化引起材料膨胀或收缩受阻，产生热应力，并在热应力的循环作用下材料发生损伤，形成表面裂纹。由热源造成的温度在空间的分布不均匀性产生热应力，温度在时间上的变化导致热应力循环变化。隔热是指由于涂层与基体的热传导介质变化使单位空间内温度变化变小，从而对热传导形成阻滞作用。隔热性能表征了热防护涂层阻隔高温环境，降低基体工作温度的能力。

通常的测试热疲劳性能的方法是，通过电阻炉、感应线圈等加热试样表面，然后将试样移动到冷却介质中冷却，反复循环进行。电阻炉加热的方式使试样产生接近于均匀的温度分布，热应力水平较小，一般在反复循环很多次周期后才能出现表面疲劳裂纹，热疲劳实验的周期长、代价昂贵。移动试样到冷却介质中冷却的步骤增加了试验系统结构复杂性。感应线圈加热方式的主要缺陷是对材料比较敏感，很难对非金属材料直接加热。对隔热性能的表征目前存在不同的方式，通常的方法是将试样一侧置于高温环境中，另一侧置于低温环境，当达到热平衡状态后，测量涂层两侧的温差作为隔热性能指标。隔热性能的测试方法同样存在系统结构复杂、数据不准确、试验步骤多的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述热防护涂层表面性能检测技术试验周期长、步骤复杂、代价昂贵的缺点，提供一种能够准确、可靠、试验周期较短、可以同时测试热防护涂层热疲劳性能与隔热性能的方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种测试热防护涂层表面性能的方法，包括如下步骤：

a)加工热防护涂层试样，安装所述试样在冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道；

b)采用可变强度的激光束对所述试样的热防护涂层表面加热，再对所述试样进行冷却；如此反复进行至规定的循环次数；测量实验过程中所需各测温点的温度值；观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化；

c)评价所述试样的热疲劳性能和隔热性能。

进一步，所述步骤a)具体为按照规定要求加工所述试样，将所述试样表面研磨至抛光状态，涂层表面喷涂高温漆，增加激光吸收率；安装所述试样在所述冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道。

进一步，所述步骤b)具体包括如下步骤：

激光束通过光束变换器后辐射至热防护涂层表面；

设定最高温度、最低温度、循环次数、冷却介质、冷却介质温度和冷却介质流量；当激光束将表面温度加热至最高温度值时，停止加热，对试样进行冷却，当表面温度降到最低温度时，激光束对试样加热，反复进行至规定的循环次数；

采用红外测温仪测量热防护涂层表面的温度作为温控信号；

在试样深度方向布置若干热电偶测温点，测量实验过程中各点的温度值；通过摄像装置观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化。

进一步，所述步骤c)具体包括如下步骤：

对热防护涂层表面进行清洗，去除高温漆和表面氧化皮，利用显微镜对热防护涂层表面拍照，分析裂纹评定热疲劳性能；

对比表面温度数据和试样中的测温数据，以平均差值作为隔热性能指标。

进一步，所述试样具有两个平行面，一侧具有待测涂层，作为激光束加载表面，另一侧与冷却介质相接触，作为冷却表面。

进一步，其中至少有一个测温点在热防护涂层涂层与基体的结合界面处。

进一步，试验采用的激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、或者光纤激光器；所述激光束经光束变化后，是若干个不同能量分布的点阵光斑，用以加速表面热疲劳。

进一步，所述冷却介质为冷却气体、或者冷却液体；通过循环系统连续稳定地输送冷却介质。

进一步，所述红外测温仪、热电偶温度信号通过数据采集器采集到控制计算机中，在计算机中编制相应程序控制表面性质测试试验过程。

进一步，通过图像分析软件对表面疲劳裂纹进行定量分析；所述平均差值为红外测温得到的热防护涂层表面温度随时间变化数据，以及热防护涂层与基体的结合界面处热电偶随时间变化的温度数据，在同一时间点取两者数据作差，取平均值。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：

(1)本发明采用激光作为快速加热热源，并将激光束变换成若干不同能量分布的点阵光斑，提高了热应力，显著加速表面热疲劳，缩短了试验周期，节约了实验成本。

(2)热防护涂层试样与冷却底座配合构成冷却介质通道，冷却与加热合并在一个试验工位，在冷热循环中不需要移动，使试验系统相对简洁

(3)通过本发明的试验方法，可以同时测试热防护涂层热疲劳性能和隔热性能两种表面性能。尤其隔热温度是实时动态温差，与热防护涂层在工作环境中的表更为接近。

附图说明

图1为热防护涂层表面性能测试装置示意图

图2为变换后的激光光斑分布示意图

图3为热防护涂层待测试样与冷却底座装配关系

图4为实施例中热防护涂层表面性能测试试验流程图

图5为实施例中热防护涂层试样测试后的表面状态

图6为实施例中测试到的温度曲线

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一

如图1所示，本实施例采用热防护涂层表面性能测试装置主要由激光器与激光头1、光束变换系统2、图像采集系统3、红外测温仪4、激光束5、热防护涂层待测试样6、热电偶7、固定及密封装置8、冷却底座9、冷却介质入口10、冷却介质出口11组成。具体：

激光器1采用德国通快公司的高功率固体连续激光器HLD1001.5，采用光纤将激光器与激光头连接，光纤直径为0.15mm。光束变换系统2将激光束分布变换成一束具有3个圆斑的点阵分布激光，呈一列分布，每个光斑直径10mm，变换后的光斑作用于热防护涂层表面的位置如图2所示。图像采集系统3采用KAPPA公司的CF8/5MX型工业黑白摄像机，分辨率为768×576像素，CCD感光尺寸为6.8×4.8mm。红外测温仪4采用雷泰公司生产的Raytek G5，测温范围250-1650℃，光谱响应4.8-5.2μm，响应时间150ms。摄像机集成在激光头之上，红外测温仪探头以30°角固定在激光头，测试温度点的位置位于试样表面正中心。热电偶6采用K型铠装热电偶。冷却介质采用压缩空气。

热防护涂层待测试样6整体尺寸为90mm×14mm×14mm，与冷却底座9装配配合，通过固定及密封装置8，构成冷却介质流动通道，装配关系如图3所示。冷却底座上与试样相接触面设计有密封圈，起到密封冷却介质的作用。热防护涂层厚度2mm。在试样上设置一个热电偶测温点，侧面钻孔埋入热电偶，距离表面2mm。热防护涂层待测试样的基体材料为RuT300，材料化学成分如表1所示，涂层材料为NiCoCrAlY，材料化学成分如表2所示。

表1RuT300材料化学成分(wt.%)

为了后期处理观察裂纹方便，热防护涂层表面抛光处理。为了提高材料对激光的吸收率，在热防护涂层表面喷涂Pyromark高温漆。

本实施例中的激光器、红外测温仪、摄像机、热电偶、进气阀和出气阀等设备均和一台计算机连接，在计算机上编制相应程序实现控制功能。在试验开始时开启气阀与激光，当红外测温仪测试到的表面温度达到设置的最高温度后，关闭激光，试样冷却，当表面温度降至设置的最低温度后，再次开启激光，如此循环至规定的循环次数。同时，计算机记录下在整个测试过程中红外测温仪与热电偶的测温数据，用于试验后表面性能分析。本实施例中采用具体试验参数为：激光功率1000W，最高温度1000℃，最低温度400℃，循环次数1000次。循环试验的流程如图4所示。

试验结束后，将热防护涂层试样从冷却基座中取出，采用超声波清洗仪清洗，并用稀盐酸清洗，去除表面氧化皮，在金相显微镜下拍摄表面状态图像，经灰度处理、阈值分割的图像处理步骤后，显示出的裂纹如图5所示。

试验过程中，随着循环次数的增加，热防护涂层试样逐渐进入动态热平衡状态，红外测温仪采集到的表面温度数据和热电偶采集到的涂层下方的温度数据如图6所示。在动态热平衡状态下，当表面温度达到1000℃时，在不同的热循环下涂层下方的温度分别为649.03℃、649.52℃、649.25℃，取若干平均值为649.18℃，则计算得到在表面温度达到1000℃时涂层的隔热温度为350.82℃。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)加工热防护涂层试样，安装所述试样在冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道；

b)采用可变强度的激光束对所述试样的热防护涂层表面加热，再对所述试样进行冷却；如此反复进行至规定的循环次数；测量实验过程中所需各测温点的温度值；观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化；

c)评价所述试样的热疲劳性能和隔热性能。

2.如权利要求1所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：

所述步骤a)具体为按照规定要求加工所述试样，将所述试样表面研磨至抛光状态，涂层表面喷涂高温漆，增加激光吸收率；安装所述试样在所述冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道。

3.如权利要求1所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括如下步骤：

激光束通过光束变换器后辐射至热防护涂层表面；

设定最高温度、最低温度、循环次数、冷却介质、冷却介质温度和冷却介质流量；当激光束将表面温度加热至最高温度值时，停止加热，对试样进行冷却，当表面温度降到最低温度时，激光束对试样加热，反复进行至规定的循环次数；

采用红外测温仪测量热防护涂层表面的温度作为温控信号；

在试样深度方向布置若干热电偶测温点，测量实验过程中各点的温度值；

通过摄像装置观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化。

4.如权利要求1所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于,所述步骤c)具体包括如下步骤：

对热防护涂层表面进行清洗，去除高温漆和表面氧化皮，利用显微镜对热防护涂层表面拍照，分析裂纹评定热疲劳性能；

对比表面温度数据和试样中的测温数据，以平均差值作为隔热性能指标。

5.如权利要求1至3中任一项所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：

所述试样具有两个平行面，一侧具有待测涂层，作为激光束加载表面，另一侧与冷却介质相接触，作为冷却表面。

6.如权利要求5所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：其中至少有一个测温点在热防护涂层涂层与基体的结合界面处。

7.如权利要求6所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：试验采用的激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、或者光纤激光器；所述激光束经光束变化后，是若干个不同能量分布的点阵光斑，用以加速表面热疲劳。

8.如权利要求7所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：所述冷却介质为冷却气体、或者冷却液体；通过循环系统连续稳定地输送冷却介质。

9.如权利要求4所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：所述红外测温仪、热电偶温度信号通过数据采集器采集到控制计算机中，在计算机中编制相应程序控制表面性质测试试验过程。

10.如权利要求4所述的一种测试热防护涂层表面性能的方法，其特征在于：通过图像分析软件对表面疲劳裂纹进行定量分析；所述平均差值为红外测温得到的热防护涂层表面温度随时间变化数据，以及热防护涂层与基体的结合界面处热电偶随时间变化的温度数据，在同一时间点取两者数据作差，取平均值。