CN109459286B - 一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其步骤包括：进行实时检测的预处理，包括高温散斑制备和/或波导杆连接；制备与安装涡轮模型；连接和校准无损检测装置；开启试验平台，进行服役环境的模拟试验；开启无损检测设备进行检测。本发明通过待测涡轮叶片热障涂层确定涡轮模型类型，实现了高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于涡轮叶片热障涂层损伤的演化，用声发射检测、高温变形检测和/或红外热成像检测中的一种或多种方法分析裂纹演变规律、三维应变场和三维位移场以及界面脱层的演变规律和机制，有效解决了高速旋转时涂层失效实时检测的难题，为涡轮叶片热障涂层的应用和设计提供的关键技术。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机防护涂层技术领域，特别涉及一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法。
背景技术
现代航空发动机已有两千多个部件应用有先进涂层材料，包括涡轮叶片、密封件、燃烧室密封件动件等关键部位。显然，先进涂层已成为现代航空发动机关键材料的重要组成部分，以热障涂层为代表的防护涂层甚至成为决定航空发动机发展水平的关键与核心，其发展水平是体现国家核心竞争力的重要标志。然而，在航空发动机高温、氧化、腐蚀、冲蚀等恶劣环境下，防护涂层会产生各种缺陷、形成裂纹，并最终发生开裂或脱落失效。由于涂层体系复杂的微结构与界面结合机制，以及复杂的服役环境，涂层服役寿命的理论预测往往十分困难。如能对涂层在服役环境下的失效过程进行实时检测，则能为服役寿命预测提供直接的实验数据。
本发明针对航空发动机涡轮叶片热障涂层，发明了一种服役环境模拟实验过程中涂层关键损伤参量的实时检测方法。需要注意的是，应用热障涂层的涡轮叶片热障涂层有两类，一是静止的导向叶片；一类是高速旋转的工作叶片。对静止导向叶片热障涂层而言，实现高温、高速、颗粒冲蚀等复杂环境下的实时检测是需要解决的关键难点；对高速旋转热障涂层而言，除了复杂的服役环境，高速旋转下信号的检测尤为困难，目前的检测手段多采用接触式传感器，或是非接触式光学检测，前者无法实现旋转时检测，后者旋转时给对焦、图像采集等都带来了巨大的困难。为此，本发明提供了根据待测涡轮叶片热障涂层类型而设计涡轮模型的方式，有效解决了高速旋转时涂层失效实时检测的巨大难题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，通过根据待测涡轮叶片热障涂层类型而设计涡轮模型的方式，实现了高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于包括待测的涡轮叶片热障涂层损伤的演化，包括声发射、数字散斑测试和红外热成像三种方法共同分析涡轮叶片热障涂层的裂纹演变规律、三维应变场和三维位移场以及界面脱层的演变规律和机制。有效解决了高速旋转时涂层失效实时检测的巨大难题，为涡轮叶片热障涂层的应用和设计提供的关键技术。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，包括如下步骤：
S100，进行涡轮叶片热障涂层实时检测的预处理，包括高温散斑制备和/或波导杆连接；
S200，制备与安装涡轮模型；
S300，连接和校准无损检测装置；
S400，开启试验平台，对所述涡轮模型进行服役环境的模拟试验；
S500，开启所述无损检测设备，对所述涡轮模型进行检测。
进一步地，所述高温散斑制备，为在所述涡轮叶片热障涂层表面均匀喷涂一层颜色对比明显的高温涂料，形成具有高反光性能的散斑场。
进一步地，所述波导杆连接，为将具有良好声波传输性能且耐高温的波导杆焊接于所述涡轮叶片热障涂层的基底面。
进一步地，所述步骤S200包括：
S210，确定待模拟试验的所述涡轮叶片热障涂层的类型；
S220，确定所述涡轮叶片热障涂层相应的所述涡轮模型的类型；
S230，制备所述涡轮模型；
S240，将所述涡轮模型安装于所述试验平台上。
进一步地，所述涡轮模型的类型包括：第一类涡轮模型和第二类涡轮模型；
所述第一类涡轮模型包括：涂覆有热障涂层的第一导向叶片和涂覆有热障涂层的第一工作叶片；
所述第二类涡轮模型包括：涂覆有热障涂层的第二工作叶片和第二导向叶片。
进一步地，其特征在于，所述开启所述试验平台包括：
S410，开启所述试验平台的高速转动模块，带动所述涡轮叶片热障涂层高速旋转；
S420，开启服役环境模块，使高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于所述涡轮叶片热障涂层。
进一步地，所述检测设备包括：高温变形检测设备、声发射检测设备和/或红外热成像检测设备；
所述高温变形检测设备的连接和校准包括：设置所述高温变形检测设备的摄像头位置与测试区域，利用标定板对高温变形检测设备的几何和光学参数进行校准，并调节好所述摄像头的焦距；
所述声发射检测设备的连接和校准包括：将所述波导杆的自由端与所述声发射检测系统的信号传感器相连，确定外部噪声的相关参数；
所述红外热成像检测设备的连接和校准包括：根据预设温度的高温炉实验，校准所述红外热成像检测设备的发射率，设置所述红外热成像检测设备的摄像头位置与测试区域。
进一步地，所述开启高温变形检测设备的检测过程包括：
S511，开启高温变形检测设备，设置高温变形检测参数；
S512，开始数据采集并记录原始数据；
S513，检测完成后对图像信号数据分析计算，获得涡轮叶片热障涂层的三维应变场和三维位移场。
进一步地，所述高温变形检测参数包括：光源强度和拍摄频率。
进一步地，所述声发射检测设备的检测过程包括：
S521，开启所述声发射检测设备，设置声发射检测参数；
S522，开始数据采集并记录原始数据；
S523，检测完成后利用小波、神经网络等数据分析技术处理原始声发射检测数据，分析声发射特征与裂纹演变规律、机制。
进一步地，所述声发射检测参数包括：采样频率、采样门槛值、频率范围和Hit长度。
进一步地，所述红外成像检测包括：
S531，开启所述红外热成像检测设备，设置红外热成像检测参数；
S532，开始采集红外成像温度场并记录数据；
S533，检测完成后分析热成像温度原始数据，分析所述涡轮叶片热障涂层的界面脱层的演变规律、位置与机制。
进一步地，所述红外热成像检测参数包括：发射率、外界温度、湿度、滤波片透射率和拍照频率。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过根据待测涡轮叶片热障涂层类型而设计涡轮模型的方式，实现了高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于包括待测的涡轮叶片热障涂层损伤的演化，包括声发射、数字散斑测试和红外热成像三种方法共同分析涡轮叶片热障涂层的裂纹演变规律、三维应变场和三维位移场以及界面脱层的演变规律和机制。有效解决了高速旋转是涂层失效实时检测的巨大难题，为涡轮叶片热障涂层的应用和设计提供的关键技术。
附图说明
图1是本发明实施例提供的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法的原理示意图；
图2是发明实施例提供的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的涡轮模型的制备与安装流程图；
图4a是本发明实施例提供的第一类涡轮模型结构的剖视原理图；
图4b是本发明实施例提供的第一类涡轮模型结构的正视原理图；
图5a是本发明实施例提供的第二类涡轮模型结构的剖视原理图；
图5b是本发明实施例提供的第二类涡轮模型结构的剖视原理图；
图6是本发明实施例提供的试验平台的开启流程图；
图7是本发明实施例提供的高温变形检测设备的工作流程图；
图8是本发明实施例提供的高温变形检测设备的涡轮叶片应变场图的参考和目标图；
图9是本发明实施例提供的声发射检测设备的工作流程图；
图10是本发明实施例提供的声发射检测设备的信号图；
图11是本发明实施例提供的红外热成像检测设备的工作流程图；
图12是本发明实施例提供的红外热成像检测设备的涡轮叶片温度场图。
附图标记：
101、工作叶片，102、工作叶片涡轮盘，103、转轴，104、导向叶片，105、机匣，106、通道，107、固定件，201、工作叶片，202、工作叶片涡轮盘，203、固定件，204、导向叶片，205、导向叶片涡轮盘，206、机匣，207、转轴，208、通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明实施例提供的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法的原理示意图。
图2是发明实施例提供的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法的流程图。
请参照图1、和图2，本发明实施例提供一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，包括如下步骤：
S100，进行涡轮叶片热障涂层实时检测的预处理，包括高温散斑制备和/或波导杆连接。
高温散斑制备，为在涡轮叶片热障涂层表面均匀喷涂一层颜色对比明显的高温涂料，形成具有高反光性能的散斑场。
波导杆连接，为将具有良好声波传输性能且耐高温的波导杆焊接于涡轮叶片热障涂层的基底面。波导杆的材料为金属。
S200，制备与安装涡轮模型。
图3是本发明实施例提供的涡轮模型的制备与安装流程图。
请参照图3，步骤S200包括如下步骤：
S210，确定待模拟试验的涡轮叶片热障涂层的类型；
S220，确定涡轮叶片热障涂层相应的涡轮模型的类型；
S230，制备涡轮模型；
S240，将涡轮模型安装于试验平台上。
图4a是本发明实施例提供的第一类涡轮模型结构的剖视原理图。
图4b是本发明实施例提供的第一类涡轮模型结构的正视原理图。
图5a是本发明实施例提供的第二类涡轮模型结构的剖视原理图。
图5b是本发明实施例提供的第二类涡轮模型结构的剖视原理图。
请参照图4a、图4b、图5a和图5b，在本发明实施例的一个实施方式中，涡轮模型的类型包括：第一类涡轮模型和第二类涡轮模型。
第一类涡轮模型包括：工作叶片101、工作叶片涡轮盘102、转轴103、导向叶片104、机匣105、通道106和固定件107。
第二类涡轮模型包括：工作叶片201、工作叶片涡轮盘202、固定件203、导向叶片204、导向叶片涡轮盘205、机匣206、转轴207和通道208。
S300，连接和校准无损检测装置。
检测设备包括：高温变形检测设备、声发射检测设备和/或红外热成像检测设备。
高温变形检测设备的连接和校准包括：设置高温变形检测设备的摄像头位置与测试区域，利用标定板对高温变形检测设备的几何和光学参数进行校准，并调节好摄像头的焦距。
声发射检测设备的连接和校准包括：将波导杆的自由端与声发射检测系统的信号传感器相连，确定外部噪声的相关参数。
红外热成像检测设备的连接和校准包括：根据预设温度的高温炉实验，校准红外热成像检测设备的发射率，设置红外热成像检测设备的摄像头位置与测试区域。
S400，开启试验平台，对涡轮模型进行服役环境的模拟试验。
图6是本发明实施例提供的试验平台的开启流程图。
请参照图6，开启试验平台包括：
S410，开启试验平台的高速转动模块，带动涡轮叶片热障涂层高速旋转；
S420，开启服役环境模块，使高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于涡轮叶片热障涂层。
S500，开启无损检测设备，对涡轮模型进行检测。
图7是本发明实施例提供的高温变形检测设备的工作流程图。
请参照图7，在本发明实施例的一个实施方式中，开启高温变形检测设备的检测过程包括：
S511，开启高温变形检测设备，设置高温变形检测参数；
S512，开始数据采集并记录原始数据；
S513，检测完成后对图像信号数据分析计算，获得涡轮叶片热障涂层的三维应变场和三维位移场。
可选的，高温变形检测参数包括：光源强度和拍摄频率。
启动非接触式三维变形测试系统调节照明光源,所述非接触式三维变形测试系统是指ARAMIS 4M数字散斑测试系统，将非接触式三维变形测试系统的CCD摄像头透过石英玻璃观察窗对工作叶片热障涂层进行实时的检测，通过ARAMIS运算软件对所得的图像信号进行分析计算，以得到涡轮叶片热障涂层的三维应变场和三维位移场。
图8是本发明实施例提供的高温变形检测设备的涡轮叶片应变场图的参考和目标图。
请参照图8，模拟试验结束后，读取非接触式三维变形测试系统的数据，以获得涡轮叶片热障涂层的应变场分布、应力场分布和位移场分布情况。将不同状况下采集到的相邻阶段的被测物体表面的数字图像进行处理，从而获取像素点的变形信息，是建立在处理数字图像和数值计算基础上的光学测试方法。由图8可知，涡轮叶片大部分区域的应变在0.000—0.004之间，未见明显的大应变，即未见明显损伤缺陷。
图9是本发明实施例提供的声发射检测设备的工作流程图。
请参照图9，在本发明实施例的一个实施方式中，声发射检测设备的检测过程包括：
S521，开启声发射检测设备，设置声发射检测参数；
S522，开始数据采集并记录原始数据；
S523，检测完成后利用小波、神经网络等数据分析技术处理原始声发射检测数据，分析声发射特征与裂纹演变规律、机制。
可选的，声发射检测参数包括：采样频率、采样门槛值、频率范围和Hit长度。
启动声发射信号采集仪，设置参数，本发明实施例中采用PCI-2系统的声发射仪，采样频率设置为2MHz，前置放大器设置为40dB，Hit长度设置为2k，频率范围设置为0.1—1MHz，采样门槛值设置为40dB。
图10是本发明实施例提供的声发射检测设备的信号图。
请参照图10，模拟试验结束后，读取声发射信号采集仪的数据，运用以获得涂层裂纹萌生、开裂和脱落情况。声发射信号波形是在集成的无损检测系统中声发射采集系统所采集的,使用matlab软件对所采集到的信号进行小波包分析,波形由多个小波包组成，持续时间较长。该信号为典型的涡轮叶片热障涂层剪切型裂纹波形图,出现剪切型裂纹的时间段为250μs—350μs。
图11是本发明实施例提供的红外热成像检测设备的工作流程图。
请参照图11，在本发明实施例的一个实施方式中，红外成像检测包括：
S531，开启红外热成像检测设备，设置红外热成像检测参数；
S532，开始采集红外成像温度场并记录数据；
S533，检测完成后分析热成像温度原始数据，分析涡轮叶片热障涂层的界面脱层的演变规律、位置与机制。
可选的，红外热成像检测参数包括：发射率、外界温度、湿度、滤波片透射率和拍照频率。
启动红外热成像仪，本发明实施例中红外热像仪的型号为FLIR-GF309，镜头尺寸24°/23mm，镜头前加有透射率τ＝0.84外部光学器件，将镜头透过石英玻璃观察窗对准工作叶片热障涂层，对热障涂层表面温度场进行红外图像采集,将采集到的图像输入计算机,分析热像中斑块、斑块数量以及斑块大小与颜色,确定脱粘位置、缺陷数量和损伤程度。开启在线测试实时保存数据模式。
图12是本发明实施例提供的红外热成像检测设备的涡轮叶片温度场图。
请参照图12，模拟试验结束后，读取红外热像仪的数据，以获得涂层的缺陷数量、损伤程度等信息。靠近喷枪火焰区域温度最高，涡轮叶片的温度分布与距喷枪火焰的距离成反比，即离火焰越远温度越低。因为其为导向涡轮叶片，温度较高部分成“U”形分布。温度场分布较为均匀，未见明显损伤缺陷。
本发明实施例旨在保护一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，包括如下步骤：进行涡轮叶片热障涂层实时检测的预处理，包括高温散斑制备和/或波导杆连接；制备与安装涡轮模型；连接和校准无损检测装置；开启试验平台，对涡轮模型进行服役环境的模拟试验；开启无损检测设备，对涡轮模型进行检测。上述技术方案具备如下效果：
通过根据待测涡轮叶片热障涂层类型而设计涡轮模型的方式，实现了高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于包括待测的涡轮叶片热障涂层损伤的演化，包括声发射、数字散斑测试和红外热成像三种方法共同分析涡轮叶片热障涂层的裂纹演变规律、三维应变场和三维位移场以及界面脱层的演变规律和机制，有效解决了高速旋转是涂层失效实时检测的巨大难题，为涡轮叶片热障涂层的应用和设计提供的关键技术。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (11)
1.一种涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，进行涡轮叶片热障涂层实时检测的预处理，包括高温散斑制备和/或波导杆连接；
S200，制备与安装涡轮模型，所述涡轮模型包括：第一类涡轮模型和第二类涡轮模型；
所述第一类涡轮模型包括：涂覆有热障涂层的第一导向叶片104和涂覆有热障涂层的第一工作叶片101、第一工作叶片涡轮盘102、第一转轴103、第一机匣105、第一通道106和第一固定件107；
所述第二类涡轮模型包括：涂覆有热障涂层的第二工作叶片201和涂覆有热障涂层的第二导向叶片204、第二工作叶片涡轮盘202、第二固定件203、第二导向叶片涡轮盘205、第二机匣206、第二转轴207和第二通道208；
S300，连接和校准无损检测装置；
S400，开启试验平台，对所述涡轮模型进行服役环境的模拟试验；
S500，开启所述无损检测设备，对所述涡轮模型进行检测，所述无损检测设备为红外成像检测设备，所述红外成像检测包括：
S531，开启所述红外热成像检测设备，设置红外热成像检测参数；
S532，开始采集红外成像温度场并记录数据；
S533，检测完成后分析热成像温度原始数据，分析所述涡轮叶片热障涂层的界面脱层的演变规律、位置与机制。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，
所述高温散斑制备，为在所述涡轮叶片热障涂层表面均匀喷涂一层颜色对比明显的高温涂料，形成具有高反光性能的散斑场。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，
所述波导杆连接，为将具有良好声波传输性能且耐高温的波导杆焊接于所述涡轮叶片热障涂层的基底面。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，步骤S200包括：
S210，确定待模拟试验的所述涡轮叶片热障涂层的类型；
S220，确定所述涡轮叶片热障涂层相应的所述涡轮模型的类型；
S230，制备所述涡轮模型；
S240，将所述涡轮模型安装于所述试验平台上。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，所述开启所述试验平台包括：
S410，开启所述试验平台的高速转动模块，带动所述涡轮叶片热障涂层高速旋转；
S420，开启服役环境模块，使高温、高速、带冲蚀和/或腐蚀颗粒的燃气作用于所述涡轮叶片热障涂层。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，所述检测设备还包括：高温变形检测设备和/或声发射检测设备；
所述高温变形检测设备的连接和校准包括：设置所述高温变形检测设备的摄像头位置与测试区域，利用标定板对高温变形检测设备的几何和光学参数进行校准，并调节好所述摄像头的焦距；
所述声发射检测设备的连接和校准包括：将所述波导杆的自由端与所述声发射检测系统的信号传感器相连，确定外部噪声的相关参数
所述红外热成像检测设备的连接和校准包括：根据预设温度的高温炉实验，校准所述红外热成像检测设备的发射率，设置所述红外热成像检测设备的摄像头位置与测试区域。
7.根据权利要求6所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，所述开启高温变形检测设备的检测过程包括：
S511，开启高温变形检测设备，设置高温变形检测参数；
S512，开始数据采集并记录原始数据；
S513，检测完成后对图像信号数据分析计算，获得涡轮叶片热障涂层的三维应变场和三维位移场。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，
所述高温变形检测参数包括：光源强度和拍摄频率。
9.根据权利要求6所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，所述声发射检测设备的检测过程包括：
S521，开启所述声发射检测设备，设置声发射检测参数；
S522，开始数据采集并记录原始数据；
S523，检测完成后利用小波、神经网络等数据分析技术处理原始声发射检测数据，分析声发射特征与裂纹演变规律、机制。
10.根据权利要求9所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，
所述声发射检测参数包括：采样频率、采样门槛值、频率范围和Hit长度。
11.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层模拟试验过程中损伤实时检测方法，其特征在于，
所述红外热成像检测参数包括：发射率、外界温度、湿度、滤波片透射率和拍照频率。
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