CN104914168A - 一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装，包括：用于固定表明喷涂有热障涂层的待测样品的固定单元；对所述待测样品进行声发射信号检测的传感器；连接在所述待测样品与所述传感器之间的隔热单元；对所述传感器进行冷却的冷却单元。本发明解决了声发射传感器的使用温度有限，无法对高温条件下热障涂层的声发射信号进行检测的问题。

Description

一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装

技术领域

本发明涉及一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装。

背景技术

热障涂层（TBC）的无损检测一直是热障涂层研究的重要命题，热障涂层的失效过程通常是由裂纹的萌生、扩展、传播造成的。通过对热障涂层失效过程的实时动态监测能够更深入理解热障涂层的失效机制，评估和预测热障涂层的服役寿命。声发射技术能够对热障涂层在失效过程中裂纹萌生扩展的信号进行动态捕捉，通过对声发射信号进行频谱特征分析， 实现裂纹源在时间和空间上的定位，进一步分析热障涂层的失效机制， 最终目的是实现热障涂层在服役过程中的寿命预测。

先前的研究已经对热障涂层在室温条件下失效的动态过程进行了监测，如涂层在单轴向拉伸，三点弯曲，四点弯曲失效过程中的声发射信号表征，但是这些研究大多停留在环境温度，这主要是由于收集声发射信号的传感器使用温度有限，通常在170℃以下，若温度更高，则传感器就会失效，无法正常工作。

因此要想检测涂层在高温失效过程中的断裂信号就必须设计合适的工装，该工装必须满足如下3点要求：（1）要准确的传递声发射信号，声发射信号不能失真，尽量减少衰减；（2）传感器接触的区域温度不要超过传感器正常工作温度；（3）易于与基体接触固定，结构简单，安装拆卸方便。但目前并没有出现能够同时满足上述3点要求的工装，从而导致无法实现在高温下对热障涂层的失效监测。

发明内容

本发明旨在克服现有用于热障涂层声发射信号检测的装置无法在高温条件下工作的缺陷，本发明提供了一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装。

本发明提供了一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装，包括：用于固定表明喷涂有热障涂层的待测样品的固定单元；对所述待测样品进行声发射信号检测的传感器；连接在所述待测样品与所述传感器之间的隔热单元；对所述传感器进行冷却的冷却单元。

根据本发明的工装，通过固定单元固定表明喷涂有热障涂层的待测样品，并通过隔热单元和冷却单元使传感器能够在合适的温度条件下工作，从而一方面保证声发射信号畅通无阻，确保声发射信号不失真，同时尽可能减少信号的衰减，另一方面使传感器所处位置的温度场控制在传感器正常工作的温度范围之内。从而，解决了声发射传感器的使用温度有限，无法对高温条件下热障涂层的声发射信号进行检测的问题。该工装能够广泛应用在TBC高温强热流密度循环考核条件下其失效过程的实时动态监测的声发射表征方面，有望突破这一过程长期以来无法进行无损检测表征的局限。

又，在本发明中，所述套筒具备分别位于两轴端部的第一开口部和第二开口部，所述待测样品固定于所述第一开口部中，所述隔热单元和所述传感器容纳于所述套筒内，所述传感器的信号接触面与所述隔热单元贴合。

根据本发明，能够有效地将待测样品固定于套筒内，从而有利于保证信号的通畅。该套筒可以是304不锈钢空心圆筒。

又，在本发明中，所述冷却单元包括延伸穿过所述第二开口部的导管，压缩空气通过所述导管向所述传感器供给。

根据本发明，通过导管将压缩空气向传感器供给，从而可有效地对传感器进行冷却。该导管例如可以是聚四氟乙烯软管。

又，在本发明中，还包括设置于所述传感器的远离所述隔热单元的一侧的用于将所述传感器固定于所述隔热单元的压紧单元，优选地，所述压紧单元形成为压缩型弹簧。

根据本发明，可通过压紧单元将传感器固定于沿着热流方向的隔热单元的下游端，从而可有效控制传感器的温度。且压紧单元可形成为长度较短且具有一定劲度系数的压缩型弹簧，弹簧的一端顶住传感器，另一端通入一定流量的压缩空气。

又，在本发明中，在所述套筒的侧壁上设有第三开口部，所述传感器的引线通过所述第三开口部延伸至所述套筒的外部，优选地，在所述引线与所述套筒的连接处设有高温胶带。

根据本发明，传感器的引线可通过设于套筒的侧壁上的第三开口部方便地引出，由此传感器的引线可避免接触高温环境。

又，在本发明中，所述待测样品包括基端部和从所述基端部的大致中央部延伸出的梢端部，所述梢端部通过紧固机构固定于所述第一开口部中，优选地，所述基端部的直径大于所述梢端部的直径。

根据本发明，该待测样品的上述结构有利于将其安装于套筒中，从而可有效地进行声发射信号检测。

又，在本发明中，所述紧固机构包括分别形成于所述梢端部和所述套筒上的对应位置处的多个装配孔和插通于所述装配孔中的螺钉，更优选地，所述装配孔分别沿着所述梢端部和所述套筒的圆周方向呈120度角分布。

根据本发明，通过形成于待测样品的梢端部和套筒上的对应位置处的多个装配孔和插通于装配孔中的螺钉可将该梢端部固定于套筒上。且装配孔分别沿着梢端部和套筒的圆周方向呈120度角分布。例如，可在该梢端部上沿着圆周方向120度角钻3个尖孔，套筒沿着外部侧面圆周方向开3个内螺纹将尖孔顶住，从而可有利于进行待测样品与套筒的定位连接。

又，在本发明中，所述隔热单元包括陶瓷垫片，优选地，所述陶瓷垫片包括ZrO₂陶瓷垫片，所述陶瓷垫片的厚度为15±0.3mm。

根据本发明，选择上述ZrO₂陶瓷垫片，可将传感器接触的位置所对应的温度降到正常工作温度范围内而且信号不失真。

又，在本发明中，所述陶瓷垫片包括叠层而成的多个ZrO₂陶瓷垫片，相邻的所述ZrO₂陶瓷垫片的接触面之间涂覆有高温固态胶。该高温固态胶例如可以是高真空脂，液态玻璃等。

根据本发明，ZrO₂陶瓷垫片可采用叠层的方法，一方面可增加接触热阻，此外在相邻的ZrO₂陶瓷垫片的接触面之间涂覆高温固态胶，该胶能够增强声发射信号的传输，而相邻ZrO₂陶瓷垫片之间的接触热阻则可进一步增加高温合金表面涂层正面温度与传感器处温度。

又，在本发明中，所述传感器设置为通过所述引线与信号采集分析单元连接，所述信号采集分析单元包括依次相连的探头、前置声信号放大器、声发射信号采集系统、以及声信号分析系统。

根据本发明，通过依次相连的探头、前置声信号放大器、声发射信号采集系统、以及声信号分析系统，可接收传感器检测到的声发射信号，从而进行高温条件下热障涂层失效的实时动态声发射测试。

附图说明

图1 示出了采用根据本发明的一实施形态的工装进行高温焰流考核的装配原理图；

图2 示出了采用根据本发明的一实施形态的工装的高温合金基体的结构示意图，其中（a）图为该高温合金基体的侧视图，（b）图为从该高温合金基体的梢端部观察的视图；

图3 示出了根据本发明的一实施形态的工装中的套筒的结构示意图，其中（a）图为该套筒的侧视图，（b）图为从该套筒的端部观察的视图；

图4 示出了本发明的一实施形态的工装的示意性立体图，其中（a）图为高温合金基体的立体图、（b）-（c）图为套筒的立体图；

图5 示出了根据本发明的工装的一个实施例在实际测试条件下，其传感器处温度场分布；

图6 示出了本发明的一个实施例中当压缩空气产生的对流系数为1000W/m².K，工装的传感器处温度与待测样品涂层表面温度之间的函数关系；

图7 示出了本发明的一个实施例中当待测样品涂层表面温度为1650℃，工装的传感器处温度与压缩空气产生的对流系数之间的函数关系；

符号说明：

1-氧丙烷火焰，2-热障涂层，3-样品固定槽，4-高温合金转台，5-套筒，6-ZrO₂陶瓷垫片，7-传感器，8-压缩型弹簧，9-导管，10-探头，11-前置放大器，12-声发射信号采集系统以及信号分析系统，13-高温合金基体，14-工装，15-高温胶带，16-传感器引线。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的目的之一是为了解决声发射传感器的使用温度有限，无法对高温条件下热障涂层失效的声发射信号进行检测，进而在热障涂层与传感器之间的连接寻找合适简易的工装，一方面使得传感器能够在合适的温度条件下工作，另一方面保证声发射信号畅通无阻，确保声发射信号不失真，同时尽可能减少信号的衰减。

本发明的目的之二是提供了一种解决高温条件下热障涂层失效过程的实时动态的声发射表征问题，并由此拓展到类似的其它材料（例如高温陶瓷材料，高温陶瓷基复合材料）在高温条件下断裂时效过程的声发射表征手段。本发明工装提供了一个收集高温材料高温条件工作下的声发射信号的方法，其根本目的就是将收集信号的传感器接触的位置的温度降到其传感器正常工作温度以内而且信号不失真。高温陶瓷材料及高温陶瓷基复合材料在高温条件下的声发射信号检测可参照此专利所述的设计思想。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装，包括：用于固定表明喷涂有热障涂层的待测样品的固定单元；对所述待测样品进行声发射信号检测的传感器；连接在所述待测样品与所述传感器之间的隔热单元；对所述传感器进行冷却的冷却单元。

具体地，图1 示出了采用根据本发明的一实施形态的工装采用氧丙烷火焰1进行高温焰流考核的装配原理图；图2 示出了采用根据本发明的一实施形态的工装的高温合金基体的结构示意图；图3 示出了根据本发明的一实施形态的工装中的套筒的结构示意图；图4 示出了本发明的一实施形态的工装的示意性立体图。

如图1至图4所示的实施形态中，本发明的工装14包括作为隔热单元的陶瓷垫片6、信号接触面与陶瓷垫片6的一侧面贴合连接的传感器7、能够将待测样品13固定于陶瓷垫片6另一侧面的固定单元、以及用于使传感器温度保持在工作温度的冷却单元9。

在本实施形态中，该工装14采用了套筒5作为固定单元，该套筒具备分别位于两轴端部的第一开口部51和第二开口部52。且表面喷涂有热障涂层的高温合金基体13作为待测样品，其尺寸匹配套筒5的第一开口部51，高温合金基体13的一部分（梢端部13a）被设置在套筒5的第一开口部51，剩余一部分（端部具有热障涂层2的基端部13b）从套筒5的第一开口部51中伸出。与此同时在套筒5的第一开口部51的周围，设置有高温合金转台4、样品固定槽3等，使得高温合金基体保持待测状态。

作为隔热单元的陶瓷垫片6设置在套筒5中，其一侧与高温合金基体13在套筒5内的端部贴合连接。传感器7设置在套筒5中，与陶瓷垫片6的另一侧面贴合连接。传感器7另一端部（不与陶瓷垫片6连接的端部）朝向套筒5的第二开口部52，该第二开口部52的内径小于第一开口部51的内径，作为冷却单元的导管9延伸穿过第二开口部52，压缩空气通过该导管9向传感器7供给，以进行冷却，该导管9例如可以是聚四氟乙烯软管。在套筒5中还设置有在传感器7与导管9之间、且处于压紧状态的压缩型弹簧8，从而实现高温合金基体13、陶瓷垫片6以及传感器7之间的紧密贴合。弹簧的劲度系数与长度应合理选择。另外，可设置，陶瓷垫片6与高温合金基体13之间的接触面大于陶瓷垫片6与传感器7之间的接触面，而且较大的接触面沿着串联方向的投射面完全包含较小的接触面。

陶瓷垫片6采用热导率较低的ZrO₂作为陶瓷垫片，厚度根据模拟计算结果，初步控制在15mm左右。ZrO₂陶瓷垫片可采用叠层的方法，由ZrO₂陶瓷垫片叠层形成，一方面可增加接触热阻，此外在相邻的ZrO₂陶瓷垫片接触面之间涂覆高温固态胶，该胶能够增强声发射信号的传输，而相邻ZrO₂陶瓷垫片之间的接触热阻则可进一步增加高温合金表面涂层正面温度与传感器处温度。

此外，本工装除了采用ZrO₂陶瓷垫片6这一热导率较低的隔热单元外，还在上述传感器朝向的套筒5的第二开口部52处引入压缩空气，对传感器进行冷却，使得传感器始终处于工作温度。

本工装的中传感器7可以为压电位移型传感器，须确保传感器7所处位置的温度场控制在传感器7正常工作的温度范围之内，并且传感器7的引线必须方便的引出，且传感器7的引线不可接触高温环境；传感器7所处的位置处在沿着热流方向，且位于ZrO₂陶瓷垫片6的下游端，并且传感器7的与ZrO₂陶瓷垫片6相反的一端具有固定该传感器7的装置，而且传感器7这一端有足够流量的压缩空气进行冷却。

在图1至图4所示的实施形态中，本工装14与表面喷涂有热障涂层的具有一定几何尺寸结构的高温合金基体13相配合，工装14涉及到的部件：具有一定螺纹结构和孔结构的304不锈钢空心套筒5，三个的具有一定长度的M4螺钉（图示省略），ZrO₂陶瓷垫片6，非标的具有一定劲度系数K和初始长度l ₀的短弹簧8，外接压缩空气的软管9、高温胶带15等。

所述工装14主要有以上几部分构成，特别说明的是高温合金基体13可另外加工，但涉及到具体应用装配时，高温合金基体13是和套筒5相连接，套筒的末端（即第二开口部52）需要连接通压缩空气的聚四氟乙烯软管9。

本工装14要准确地连在基体上，从而保证信号的通畅。将传感器7设计成特定的结构，高温合金基体13必须设计成特定的结构以便与工装14相配合。

在使用所述工装时，高温合金基体13的涂层2被氧丙烷火焰1加热，产生一定的声信号。该声信号通过ZrO₂陶瓷垫片6传递至传感器7。由于陶瓷垫片6与冷却单元9的作用，传感器7能够始终处在工作温度，正常接收、传递信号。传感器7通过引线16，将信号输送至探头10后，再经前置放大器11放大该声信号，然后再通过声发射信号采集系统以及分析系统12进行分析，从而实现对高温合金基体13表面涂层的实时监测。

图2-4更具体地示出了本发明的一实施形态中套筒5、以及高温合金基体13的结构示意图。

其中，图2为高温合金基体13的视图，参见图2（a），特别指出的是在靠近右端例如5mm沿着圆周方向互成120°方向各钻取3个尖孔13c，目的是保证空心套筒与喷涂有TBC的高温合金基体13的定位连接。

图3 设计的工装套筒5的视图，参见图3（a），必须指出在靠近套筒5右端例如3mm处在圆周上钻去了一个Φ12的孔5a，用于放入传感器7。如果传感器7尺寸过大，则可以将孔扩大。在靠近套筒5左端的10mm处，在套筒5的周向设置有等间隔的三个孔5b，用于与高温合金基体13上的三个孔13c定位连接。高温合金基体13与套筒5之间的连接，可采用将在基体上3个尖孔、与套筒5沿着外部侧面圆周方向开3个内螺纹，通过螺纹结合实现。

图4为高温合金基体13、套筒5的立体图，更加清楚地显示了套筒5和高温合金基体13的结构。

更具体地来说，图1-4中所述工装主要制作过程如下（涉及到的长度、直径等，单位为mm）：

1.先用线切割切割一个长度为52的棒材；

2.用磨床将切割面磨平；

3.采用上述棒材，用车床车取一个外圆为Φ24，内圆为Φ18，且内圆对应的长度方向为48的空心套筒，套筒总的长度为52；

4.在套筒右侧的实心端面用钻头钻取一个Φ12的孔；

5.在套筒靠近左侧沿着轴向方向为10的位置，沿着圆周方向互成120度方向各钻取一个Φ4的孔；

6.攻丝形成内螺纹，在固定台钳上攻取M12及M4×3的内螺纹；

7.以开有M12的内螺纹端面为出发点，沿着轴向方向3mm处，在套筒的周向上钻取一个Φ12的孔洞贯穿到套筒的空心内部，传感器的轴向方向与该孔洞的深度方向平行将传感器插入空心套筒后再将传感器旋转90度，传感器接触信号的一面若能正对着空心套筒的空心一面，即为钻孔成功；

8.准备好高温润滑隔热固体传声胶，高温胶带，铅字笔及铅芯，接压缩空气的聚四氟乙烯软管。

本发明涉及一种用于热障涂层高温强热流密度考核条件下涂层内部裂纹扩展的声发射信号检测的工装，所述工装采用一般的声发射信号检测所用的传感器（使用温度通常在170℃以下），通过结构的优化，得到在高温强密度考核条件下能够用于涂层裂纹扩展信号检测的夹具装置。该发明直接针对高温条件下（1200℃以上）普通的波导杆已经无法承受这一温度，且用点焊的方法连接到高温合金基体背面的铂丝波导杆不能承受更高的温度，这样的技术问题。本发明能够将与基体连接的传感器温度降到170℃以下，传感器能够正常工作。并且通过断铅测试证实声发射信号能够捕捉到。

本发明的用于高温条件下TBC失效过程的声发射检测的工装，具有加工制作简便，装配和卸装便捷等特点。该工装能够广泛应用在TBC高温强热流密度循环考核条件下其失效过程的实时动态监测的声发射表征方面。有望突破这一过程长期以来无法进行无损检测表征的局限。进一步，该工装能够进一步打开高温条件下耐高温材料（包括高温陶瓷材料、高温陶瓷基复合材料，本发明的工装适用于各类耐高温材料的声发射信号检测。本发明工装提供了一个收集高温材料高温工作条件下的声发射信号的方法，其根本目的就是将收集信号的传感器接触的位置的温度降到传感器正常工作温度以内而且信号不失真。）在高温条件下无法进行无损检测的思维局限及传感器应用市场，为这些材料在高温条件下的断裂失效的表征提供了一个崭新的思路。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

按上述方案准备好工装所需的各种配件及零件，必要时可备份一份。主要包括加工好的套筒（装配前需要对照图纸及实物进行确认）、初始长度l ₀较短且劲度系数K稍大的弹簧，通压缩空气的聚四氟乙烯软管，三个长度合适的M4螺钉（固定好基体后，螺钉的端面应该紧贴套筒的外端面）、高温固体润滑传声胶、高温胶带、铅字笔、铅芯等。

装配顺序有先后之分，必须按照正确的操作顺序进行装配，包括：

将通压缩空气的聚四氟乙烯的软管接在空心套筒M12的内螺纹上；

再将短弹簧放入空心套筒的底端，靠近M12内螺纹的底端；

然后将传感器的轴向方向与该孔洞（图2中套筒右侧周向上设置的直径为12mm 的孔洞）的深度方向平行将传感器插入空心套筒后再将传感器旋转90度，传感器接触信号的一面若能正对着空心套筒的空心一面，即为成功；

再将3片Φ17.5×5的ZrO₂陶瓷垫片装入传感器接触声发射信号的端面上，注意相邻的ZrO₂陶瓷垫片的接触面之间涂抹一层高温固定润滑传声胶；

再将基体穿进空心套筒中，基体侧面钻三个尖孔的位置对准套筒圆周上互成120度角的内螺纹，用3个M4螺钉固定好基体与套筒之间的连接；

最后将传感器引线与套筒接触的部分用高温胶带缠绕好，再将整个装配确认检查一遍。

进行断铅实验，将传感器的另一端连接上集成放大器，若在显示屏幕上观察到断铅信号，则表明连接无误。

连接无误后，则可将整套工装固定在高温强热流密度循环考核工作台上，固定好后再进行断铅实验，若此时仍有信号，表明连接无误，此时即可进行后续实验。

图5示出了本实施例中工装在实际测试条件下其传感器处温度场分布。从中可以看出，在使用时，通过合理的控制，传感器的温度可为88℃， 满足其正常工作要求。

图6示出了本实施例中当压缩空气产生的对流系数h为1000W/m².K，工装的传感器处温度与待测样品涂层表面温度之间的函数关系。从中可以看出，当涂层表面温度达到1650℃，传感器处的温度仍然在正常工作温度之下，图中示出了安全区域与非安全区域。

图7示出了本实施例中当待测样品涂层表面温度Tsu为 1650℃，工装的传感器处温度与压缩空气产生的对流系数之间的函数关系。从中可以看出，随着我们所设计的工装背部压缩空气产生的对流系数增大，即增大压缩空气流量时，传感器温度进一步降低，图中示出了安全区域与非安全区域。

综上所述，本发明所设计的一种用于高温条件下热障涂层失效过程的声发射检测的工装具有加工制作简单，操作方便，并且能够较好传递声发射信号并且保证传感器能在正常温度下工作的一种确实可行的工装。

Claims (10)

1.一种用于热障涂层高温声发射信号检测的工装，其特征在于，包括：

用于固定表明喷涂有热障涂层的待测样品的固定单元；

对所述待测样品进行声发射信号检测的传感器；

连接在所述待测样品与所述传感器之间的隔热单元；

对所述传感器进行冷却的冷却单元。

2.根据权利要求1所述的工装，其特征在于，所述固定单元包括套筒，所述套筒具备分别位于两轴端部的第一开口部和第二开口部，所述待测样品固定于所述第一开口部中，所述隔热单元和所述传感器容纳于所述套筒内，所述传感器的信号接触面与所述隔热单元贴合。

3.根据权利要求2所述的工装，其特征在于，所述冷却单元包括延伸穿过所述第二开口部的导管，压缩空气通过所述导管向所述传感器供给。

4.根据权利要求2所述的工装，其特征在于，还包括设置于所述传感器的远离所述隔热单元的一侧的用于将所述传感器固定于所述隔热单元的压紧单元，优选地，所述压紧单元形成为压缩型弹簧。

5.根据权利要求2所述的工装，其特征在于，在所述套筒的侧壁上设有第三开口部，所述传感器的引线通过所述第三开口部延伸至所述套筒的外部，优选地，在所述引线与所述套筒的连接处设有高温胶带。

6.根据权利要求2所述的工装，其特征在于，所述待测样品包括基端部和从所述基端部的大致中央部延伸出的梢端部，所述梢端部通过紧固机构固定于所述第一开口部中，优选地，所述基端部的直径大于所述梢端部的直径。

7.根据权利要求6所述的工装，其特征在于，所述紧固机构包括分别形成于所述梢端部和所述套筒上的对应位置处的多个装配孔和插通于所述装配孔中的螺钉，更优选地，所述装配孔分别沿着所述梢端部和所述套筒的圆周方向呈120度角分布。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的工装，其特征在于，所述隔热单元包括陶瓷垫片，优选地，所述陶瓷垫片包括ZrO₂陶瓷垫片，所述陶瓷垫片的厚度为15±0.3mm。

9.根据权利要求8所述的工装，其特征在于，所述陶瓷垫片包括叠层而成的多个ZrO₂陶瓷垫片，相邻的所述ZrO₂陶瓷垫片的接触面之间涂覆有高温固态胶。

10.根据权利要求5所述的工装，其特征在于，所述传感器设置为通过所述引线与信号采集分析单元连接，所述信号采集分析单元包括依次相连的探头、前置放大器、声发射信号采集系统、以及声信号分析系统。