CN106124270A - 一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法，一种能控制缺陷的位置和尺寸，且热波在试件中的传递流向与真实情况相似的一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法。本发明的试件包括高温合金基体、涂层、高温合金棒和石英粉填充层；涂层喷涂在高温合金基体的表面，在高温合金基体和涂层之间增加石英粉填充层；通过设置石英粉填充层的厚度来模拟不同深度的空气脱粘缺陷。涂层喷涂在高温合金基体一侧的表面，从高温合金基体另一侧的表面开盲孔，所述盲孔深至涂层，高温合金棒插入盲孔内，石英粉填充层设置在高温合金棒与涂层之间的盲孔内。本发明用于热障涂层结构模拟脱粘缺陷红外热波无损检测试。

Description

一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种模拟脱粘缺陷试件，特别涉及一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法。
背景技术
热障涂层材料具有低热导性、耐高温氧化等特点，被广泛于航空航天、动力机械，核化工等高温、高热流环境中。热障涂层都是在高温高热流的环境下工作，工作中所产生的热应力，以及制备过程中金属缓冲层处产生的残余应力，易使金属缓冲层处含缺陷部分出现应力集中现象，促使缺陷不断扩大，造成陶瓷层从金属基体上剥落，这就是所谓的脱粘缺陷，会导致热障涂层提早失效。因而利用红外热波无损检测技术对热障涂层结构脱粘缺陷进行检测十分有必要。
由于在热障涂层结构试件中制作脱粘缺陷尚未较佳的方法，当前应用最多的是利用盲孔模拟材料表面下脱粘缺陷的方法来代替真实脱粘缺陷，采用这种方法制备的脱粘缺陷在几何形态上与真实脱粘缺陷有着明显差异，这种差异会改变热波在试件中的传递流向，在一定程度上影响了热障涂层结构模拟脱粘缺陷红外热波无损检测试验结果。
发明内容
本发明为了解决上述不足，本发明提供一种能控制缺陷的位置和尺寸，且热波在试件中的传递流向与真实情况相似的一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件及其制备方法。
本发明的一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件，所述试件包括高温合金基体、涂层和石英粉填充层；
涂层喷涂在高温合金基体的表面，在高温合金基体和涂层之间增加石英粉填充层；通过设置石英粉填充层的厚度来模拟不同深度的空气脱粘缺陷。
优选的是，所述试件还包括高温合金棒；
涂层喷涂在高温合金基体一侧的表面，从高温合金基体另一侧的表面开盲孔，所述盲孔深至涂层，高温合金棒插入盲孔内，石英粉填充层设置在高温合金棒与涂层之间的盲孔内。
优选的是，所述试件包括多个不同长度的高温合金棒，根据石英粉填充层的厚度，选择相应长度的高温合金棒。
优选的是，所述涂层为陶瓷层。
本发明还提供一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将高温合金基体放置到喷砂装置内底座上，将高温合金基体在丙酮中清洗除油后，对高温合金基体一侧的表面进行喷砂；
步骤二：采用等离子喷涂法在高温合金基体喷砂后的表面喷涂涂层；
步骤三：采用电火花加工方法，设定加工深度，通过更换不同的加工电极，从高温合金基体另一侧的表面加工出所需的盲孔尺寸；
步骤四：采用数控机床对预备的高温合金棒材进行加工，加工出与盲孔尺寸相配合，长度不一的高温合金棒；
步骤五：在盲孔底部到涂层间的空隙采用石英粉填充，填充的空隙部分就是试验所需要的试件中的脱粘缺陷部分；
步骤六：根据填充的石英粉的厚度，选出相应长度的高温合金棒，使高温合金棒全部插入盲孔内后，高温合金棒与高温合金基体另一侧的表面保持相平。
优选的是，所述步骤一中，喷砂是喷砂装置采用压缩空气为动力，用形成的高速喷射束将喷料高速喷射到高温合金基体的需要处理的表面，在0.5MPa的压力下用16-22目棕刚玉喷砂粗化。
优选的是，所述喷料为铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂和海南砂中的一种或几种组合。
优选的是，所述步骤二进一步为：
将等离子喷涂设备的各参数设置为氢气45升/分钟、送粉率30克/分钟、喷涂距离65mm、喷涂距离、基体预热温度250℃；然后将陶瓷粉末倒入送粉装置，调试好喷枪，开始在高温合金基体喷砂后的表面喷涂涂层。
本发明的有益效果在于，本发明制备的脱粘缺陷试件的从形态上来看更加接近真实脱粘缺陷，可为热障涂层结构脱粘缺陷红外热波无损检测提供更接近真实情况的试验试件。这种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件制备方法优点在于，能控制缺陷的位置和尺寸，且热波在试件中的传递流向与真实情况相似。
附图说明
图1为本发明的热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件的原理示意图。
图2为本发明的图1为热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件与现有技术中盲孔方法的试件的表面温差变化曲线。
具体实施方式
本实施方式的一种热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件，包括高温合金基体1、涂层2和石英粉填充层4；
涂层2喷涂在高温合金基体1的表面，在高温合金基体1和涂层2之间增加石英粉填充层2；
通过设置石英粉填充层4的厚度来模拟不同深度的空气脱粘缺陷。
这种方式从形态上来看更加接近真实脱粘缺陷。
在优选的实施例中，如图1所示，试件还包括高温合金棒3；涂层2喷涂在高温合金基体1一侧的表面，从高温合金基体1另一侧的表面开盲孔，所述盲孔深至涂层2，高温合金棒3插入盲孔内，石英粉填充层4设置在高温合金棒3与涂层2之间盲孔内。
本实施方式中通过设置高温合金基体1的尺寸和位置，进而控制缺陷的位置和尺寸，使热波在试件中的传递流向与真实情况相似。
在优选的实施例中，试件包括多个不同长度的高温合金棒3，根据石英粉填充层4的厚度，选择相应长度的高温合金棒3。
本实施方式中，石英粉填充层4设置在盲孔底部的涂层2上，石英粉填充层4的厚度用于来模拟不同深度的空气脱粘缺陷，而高温合金棒3的作用是固定石英粉填充层4，保证石英粉填充层4的位置，且使试件的整体结构稳定。
在优选的实施例中，涂层为陶瓷层。
制备上述热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件时的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将高温合金基体1放置到喷砂装置内底座上，将高温合金基体1在丙酮中清洗除油后，对高温合金基体1一侧的表面进行喷砂；
步骤二：采用等离子喷涂法在高温合金基体1喷砂后的表面喷涂涂层，具体为：
将等离子喷涂设备的各参数设置为氢气45升/分钟、送粉率30克/分钟、喷涂距离65mm、喷涂距离、基体预热温度250℃；然后将陶瓷粉末倒入送粉装置，调试好喷枪，开始在高温合金基体1喷砂后的表面喷涂涂层。
步骤三：采用电火花加工方法，设定加工深度，通过更换不同的加工电极，从高温合金基体1另一侧的表面加工出所需的盲孔尺寸，具体为：
将带有涂层的高温合金基体1浸入电火花加工装置的工作液中，将加工电极和高温合金基体1分别接脉冲电源的两极，手动伺服进刀，设定放电深度，进行深度设定；通过更换不同的加工电极，从高温合金基体1另一侧的表面加工出所需的盲孔尺寸；
步骤四：采用数控机床对预备的高温合金棒材进行加工，加工出与盲孔尺寸相配合，长度不一的高温合金棒3，具体为：
将预备的高温合金棒材固定在数控车床的卡盘上，根据所需高温合金棒3的尺寸设置好相应程序，加工刀具选用硬质合金刀具。加工出与盲孔尺寸相配合，长度不一的高温合金棒3；
步骤五：在盲孔底部到涂层间的空隙采用石英粉填充，填充的空隙部分就是试验所需要的试件中的脱粘缺陷部分；
步骤六：根据填充的石英粉的厚度，选出相应长度的高温合金棒3，使高温合金棒3全部插入入盲孔内后，高温合金棒3与高温合金基体1另一侧的表面保持相平。
在优选实施例中，喷砂是喷砂装置采用压缩空气为动力，用形成的高速喷射束将喷料高速喷射到高温合金基体1的需要处理的表面，在0.5MPa的压力下用16-22目棕刚玉喷砂粗化。
在优选实施例中，所述喷料为铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂和海南砂中的一种或几种组合。
利用上述方法制备的热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件进行红外热波无损检测试验：
试验中陶瓷层的材料为6％～8％Y2O3稳定的ZrO2。高温合金基体1的材料选用基体厚度为5mm的GH4169镍基高温合金，尺寸为140mm×100mm×5mm。
设置采样频率60Hz，采样时间20s，在光源输出功率为2000W条件下对试件进行脉冲红外热波无损检测。在室温、标准大气压和自然对流条件下，通过设置不同的光源输出功率和采样频率，对热障涂层结构模拟脱粘缺陷试件进行检测试验。研究有无缺陷处表面温度信号的差异，升温与冷却过程检测效果比较，脱粘缺陷制备方法对检测效果的影响、光源输出功率和采样频率等检测参数对检测结果的影响规律。分别采用背景技术中提到的利用盲孔模拟材料表面下脱粘缺陷的方法和本发明的制备方法预制两排直径都为10mm的缺陷，从缺陷形态来看，本发明制作的缺陷在形态上更接近实际脱粘缺陷。为探讨脱粘缺陷制备方法对试验检测效果的影响，在采样频率60Hz，采样时间20s，在光源输出功率为2000W条件下对试件进行脉冲红外热波无损检测，验证了本发明制备的试件的幅值高于利用盲孔模拟材料表面下脱粘缺陷的试件，本发明制备的试件的表面温差高于利用盲孔模拟材料表面下脱粘缺陷的试件，如图2所示。同一参数下本发明的试件表面温差的峰值较高，与无缺陷处差异更大，有利于缺陷的检测。

Claims (8)

1.一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件，其特征在于，所述试件包括高温合金基体(1)、涂层(2)和石英粉填充层(4)；
涂层(2)喷涂在高温合金基体(1)的表面，在高温合金基体(1)和涂层(2)之间增加石英粉填充层(4)；通过设置石英粉填充层(4)的厚度来模拟不同深度的空气脱粘缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件，其特征在于，所述试件还包括高温合金棒(3)；
涂层(2)喷涂在高温合金基体(1)一侧的表面，从高温合金基体(1)另一侧的表面开盲孔，所述盲孔深至涂层(2)，高温合金棒(3)插入盲孔内，石英粉填充层(4)设置在高温合金棒(3)与涂层(2)之间的盲孔内。
3.根据权利要求2所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件，其特征在于，所述试件包括多个不同长度的高温合金棒(3)，根据石英粉填充层(4)的厚度，选择相应长度的高温合金棒(3)。
4.根据权利要求1所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件，其特征在于，所述涂层(2)为陶瓷层。
5.权利要求2所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将高温合金基体(1)放置到喷砂装置内底座上，将高温合金基体(1)在丙酮中清洗除油后，对高温合金基体(1)一侧的表面进行喷砂；
步骤二：采用等离子喷涂法在高温合金基体(1)喷砂后的表面喷涂涂层(2)；
步骤三：采用电火花加工方法，设定加工深度，通过更换不同的加工电极，从高温合金基体(1)另一侧的表面加工出所需的盲孔尺寸；
步骤四：采用数控机床对预备的高温合金棒材进行加工，加工出与盲孔尺寸相配合，长度不一的高温合金棒(3)；
步骤五：在盲孔底部到涂层(2)间的空隙采用石英粉填充，填充的空隙部分就是试验所需要的试件中的脱粘缺陷部分；
步骤六：根据填充的石英粉的厚度，选出相应长度的高温合金棒(3)，使高温合金棒(3)全部插入盲孔内后，高温合金棒(3)与高温合金基体(1)另一侧的表面保持相平。
6.根据权利要求5所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，喷砂是喷砂装置采用压缩空气为动力，用形成的高速喷射束将喷料高速喷射到高温合金基体(1)的需要处理的表面，在0.5MPa的压力下用16-22目棕刚玉喷砂粗化。
7.根据权利要求6所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件的制备方法，其特征在于，所述喷料为铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂和海南砂中的一种或几种组合。
8.根据权利要求6所述的一种热障涂层(2)结构模拟脱粘缺陷试件的制备方法，其特征在于，所述步骤二进一步为：
将等离子喷涂设备的各参数设置为氢气45升/分钟、送粉率30克/分钟、喷涂距离65mm、喷涂距离、基体预热温度250℃；然后将陶瓷粉末倒入送粉装置，调试好喷枪，开始在高温合金基体(1)喷砂后的表面喷涂涂层(2)。
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