CN106840868A - 一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具 - Google Patents

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Abstract

一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，包括依次叠加使用的底部辅助部件、中间筒型夹具及外部筒型夹具；实验前，将底部辅助部件通过螺栓固定在主试验架上，中间筒型夹具通过焊接在其上的平板与底部辅助部件连接，外部筒型夹具卡入中间筒型夹具内，通过螺栓紧固；基体部分留有螺纹的高温冲蚀样品直接与外部筒型夹具一端处的螺纹配合；试样装配完成后，试样冲蚀表面完全暴露，无遮挡；试样背面通过筒型夹具裸露在外；高温冲蚀试验时，火焰枪对试样正面进行加热、加载磨粒粒子进行冲蚀，试样背部通过压缩空气冷却，实现试样内部温度梯度分布；同时，由于分离式的设计，高温冲蚀夹具避免了夹具主体处于高温环境中造成夹具氧化等问题；当发生氧化造成夹具损坏时，仅需更换套筒部分，大大提高了使用的经济性。

Description

一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具
技术领域
本发明属于热障涂层服役环境模拟装置领域，具体涉及一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具。
背景技术
随着燃气轮机向高进气温度方向发展，其热端部件承受温度高达1100℃，已超过了高温镍基合金使用的极限温度(1075℃)。热障涂层可有效降低金属基体工作温度而被广泛应用于燃气轮机热端部件上。热障涂层体系结构复杂，服役环境苛刻。在服役过程中，不仅受到热应力作用，而且在一些燃烧不充分或采用高炉煤气作为燃料的情况下，还受到燃气中夹杂的高速固体粒子冲刷，涂层逐渐减薄，最终导致涂层热障性能不足而丧失对热端部件的防护功能。
燃气轮机热端部件热障涂层冲蚀过程的条件极其复杂与苛刻：涂层表面的最高温度达到1100℃；冲蚀颗粒粒径为20‐500μm，分布不均，大小不一，并且颗粒成分不确定；颗粒运行速度高达300m/s等。传统的抗冲蚀磨损试验方法是用压缩空气加速砂粒使其直接对待测的试样表面进行冲击，通过测量试件被冲蚀后的失重来评价涂层耐冲蚀性能，但该试验方法不能真实模拟热端部件热障涂层服役工况。专利200910077010.4报道了一种可加载硬质磨粒的高温冲蚀磨损测试装置，测试温度范围为室温至1000℃。专利201310009271.9报道了一种模拟和实时测试热障涂层高温冲蚀的试验装置。该装置中高温火焰喷枪加热范围为室温到1700℃，冲蚀颗粒速度为0‐250m/s，冲蚀颗粒的直径为10‐500μm。上述两种装置均能较好的模拟燃气轮机热端部件热障涂层实际服役工况，但都未见对试验样品夹具的具体描述。热障涂层实际服役工况复杂，加热过程发生在热障涂层陶瓷面层，而冷却过程发生在金属基体表面，热端部件及其表层热障涂层间存在温度梯度。因此，所设计高温冲蚀夹具应能满足上述温度梯度要求，即可方便样品表面加热，背后冷却；其次，高温冲蚀试验中，试样处在1100℃以上的高温环境中，该温度往往超过了常用钢铁材料的熔点，因此需要设计一个对试样温度场影响较小，又不影响试样冲蚀表面的配合夹具，且当夹具由于氧化等发生损坏时易于更换。
综上，为保证高温冲蚀过程顺利进行，需要一种高温冲蚀试验的样品夹具装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，该夹具装置不影响高温冲蚀试验过程中样品温度梯度状态，能真实模拟覆盖热障涂层工件工作时的温度状态。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，包括底部辅助部件1、中间筒型夹具2和外部筒型夹具3；所述底部辅助部件1为长方体型，一端开有U形槽1‐1，U形槽1‐1边缘位置开有用于螺栓固定的第一通孔1‐2，底部辅助部件1另一端开有用于固定的第二通孔1‐3；所述中间筒型夹具2外表面一侧开有用于螺栓紧固外部筒型夹具3的第三通孔2‐1和用于螺栓定位外部筒型夹具3的第四通孔2‐2，中间筒型夹具2外表面另一侧焊有平板2‐3，平板2‐3的长度与中间筒型夹具2的长度一致，平板2‐3的厚度与底部辅助部件1中的U形槽1‐1的开口距离一致，以使平板2‐3卡入U形槽1‐1中，平板2‐3上开有用于螺栓固定底部辅助部件1和中间筒型夹具2的第五通孔2‐4；所述外部筒型夹具3的外径与中间筒型夹具2的内径相适配，外部筒型夹具3的一端插入中间筒型夹具2内，穿过第四通孔2‐2的螺栓用来卡住外部筒型夹具3的边缘，使其位置固定，穿过第三通孔2‐1的螺栓用来紧固外部筒型夹具3，外部筒型夹具3的另一端内部留有螺纹，用于高温冲蚀的试样4基体部分一端同样留有与外部筒型夹具3另一端内螺纹相适配的外螺纹，试样装配时，仅需将基体留有螺纹部分与外部筒型夹具3的留有螺纹的一端配合即可；高温冲蚀试验时，火焰枪对试样4的正面进行加热、加载磨粒粒子进行冲蚀，试样4的背部通过压缩空气冷却，实现试样内部温度梯度分布。
所述底部辅助部件1和中间筒型夹具2通过螺栓穿过U形槽1‐1边缘的第一通孔1‐2和平板2‐3上的第五通孔2‐4相连接。
所述底部辅助部件1通过螺栓穿过第二通孔1‐3将试样夹具装置整体固定在实验架上。
所述底部辅助部件1、中间筒型夹具2和外部筒型夹具3的材料采用普通钢材。
本发明具有如下优点：
1)所设计的分离式高温冲蚀夹具避免了夹具主体处于高温环境中造成夹具氧化等问题。
2)发生氧化造成夹具损坏时，仅需更换套筒部分，大大提高了使用的经济性。
3)夹具不影响高温冲蚀样品冲蚀区域，能够满足试样表面加热，背面冷却的条件，满足热障涂层真实服役时的温度梯度要求。
附图说明
图1为本发明用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明夹具的安装和使用过程为：底部辅助部件1通过螺栓穿过第二通孔1‐3将试样夹具装置整体固定在实验架上，中间筒型夹具2通过螺栓穿过底部辅助部件1上的U形槽1‐1边缘的第一通孔1‐2和中间筒型夹具2上焊接的平板2‐3上的第五通孔2‐4相连接，外部筒型夹具3卡入中间筒型夹具2中，穿过第四通孔2‐2的螺栓用来卡住外部筒型夹具3的边缘，使其位置固定，穿过第三通孔2‐1的螺栓用来紧固外部筒型夹具3，基体部分留有螺纹的高温冲蚀的试样4直接与外部筒型夹具3一端处的螺纹配合即可。试样装配完成后，试样冲蚀表面完全暴露，无遮挡。试样背面通过筒型夹具裸露在外。高温冲蚀试验时，火焰枪对试样正面进行加热、加载磨粒粒子进行冲蚀，试样背部通过压缩空气冷却，实现试样内部温度梯度分布。同时，由于分离式的设计，高温冲蚀夹具避免了夹具主体处于高温环境中造成夹具氧化等问题。当发生氧化造成夹具损坏时，仅需更换套筒部分，大大提高了使用的经济性。

Claims (4)

1.一种用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，其特征在于：包括底部辅助部件(1)、中间筒型夹具(2)和外部筒型夹具(3)；所述底部辅助部件(1)为长方体型，一端开有U形槽(1-1)，U形槽(1-1)边缘位置开有用于螺栓固定的第一通孔(1-2)，底部辅助部件(1)另一端开有用于固定的第二通孔(1-3)；所述中间筒型夹具(2)外表面一侧开有用于螺栓紧固外部筒型夹具(3)的第三通孔(2-1)和用于螺栓定位外部筒型夹具(3)的第四通孔(2-2)，中间筒型夹具(2)外表面另一侧焊有平板(2-3)，平板(2-3)的长度与中间筒型夹具(2)的长度一致，平板(2-3)的厚度与底部辅助部件(1)中的U形槽(1-1)的开口距离一致，以使平板(2-3)卡入U形槽(1-1)中，平板(2-3)上开有用于螺栓固定底部辅助部件(1)和中间筒型夹具(2)的第五通孔(2-4)；所述所述外部筒型夹具(3)的外径与中间筒型夹具(2)的内径相适配，外部筒型夹具(3)的一端插入中间筒型夹具(2)内，穿过第四通孔(2-2)的螺栓用来卡住外部筒型夹具(3)的边缘，使其位置固定，穿过第三通孔(2-1的螺栓用来紧固外部筒型夹具(3)，外部筒型夹具(3)的另一端内部留有螺纹，用于高温冲蚀的试样(4)基体部分一端同样留有与外部筒型夹具(3)另一端内螺纹相适配的外螺纹，试样装配时，仅需将基体留有螺纹部分与外部筒型夹具(3)的留有螺纹的一端配合即可；高温冲蚀试验时，火焰枪对试样(4)的正面进行加热、加载磨粒粒子进行冲蚀，试样(4)的背部通过压缩空气冷却，实现试样内部温度梯度分布。
2.根据权利要求1所述的用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，其特征在于：所述底部辅助部件(1)和中间筒型夹具(2)通过螺栓穿过U形槽(1-1)边缘的第一通孔(1-2)和平板(2-3)上的第五通孔(2-4)相连接。
3.根据权利要求1所述的用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，其特征在于：所述底部辅助部件(1)通过螺栓穿过第二通孔(1-3)将试样夹具装置整体固定在实验架上。
4.根据权利要求1所述的用于热障涂层高温冲蚀试验的试样夹具，其特征在于：所述底部辅助部件(1)、中间筒型夹具(2)和外部筒型夹具(3)的材料采用普通钢材。
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