CN109883871A - 一种热障涂层高温腐蚀的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：将表面涂覆有热障涂层的样品固定于预设位置；向所述样品表面喷射高温焰流；在所述样品表面的温度达到第一预设温度时，向所述高温焰流中掺杂腐蚀粉末；实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态。本发明通过向样品表面的热障涂层喷射腐蚀性粉末和高温焰流，使用红外热成像仪和声发射仪对叶片热障涂层进行观察，模拟了航空发动机叶片表面的热障涂层在真实使用环境中所受到的腐蚀影响，给叶片的整体设计及其表面热障涂层材料的选择提供了可靠的参考依据，克服了叶片热障涂层检测过程中使用航空发动机整体进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了叶片热障涂层受腐蚀影响的检测效率。

Description

一种热障涂层高温腐蚀的检测方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种热障涂层高温腐蚀的检测方法。

背景技术

航空发动机的发展是衡量一个国家国防实力和科技水平的重要标志，提高航空发动机的推重比与涡轮前进口温度是提高发动机性能的重要措施和必然趋势。热障涂层技术、高温单晶合金材料、冷却气膜技术列为航空发动机高温热防护的三大核心技术。然而，单晶高温合金和冷却气膜技术已基本接近材料的熔点和加工技术极限，热障涂层技术是目前提高航空发动机服役温度最切实可行的方法，并且已经在我国的XX10、XX20等型号航空发动机上得到了广泛应用，在其它型号的航空发动机上也有着良好的应用前景。热障涂层过早剥落失效极大的限制了其发展与安全应用，这种情况在我国尤为严重，成为了制约我国热障涂层安全应用的重要瓶颈。

经过半个多世纪的研究，人们逐渐提炼出热障涂层高温氧化、CMAS腐蚀、硬质颗粒冲蚀是造成涂层剥落的三大关键因素。由这三个关键因素所构成的极其恶劣的多场耦合服役环境导致服役过程中的热障涂层迅速剥落失效，暴露出合金基底，进而导致航空发动机损坏、飞机失事等严重后果。这是因为热障涂层在高温、冲蚀、腐蚀且马赫数多变的服役环境下，会发生相变、烧结、氧化、冲蚀、腐蚀等多种复杂的失效形式，并最终导致涂层的开裂、剥落失效。为了充分研究和有效预测热障涂层材料的热力化失效和可靠性问题，通过相关的试验加载装置来模拟热障涂层的热、力、化多场耦合环境对其破坏机理进行分析是热障涂层领域的研究热点和发展趋势。

到目前为止，国内涉及到模拟航空发动机多场耦合服役环境方面的试验多采用在炉体内加燃烧器，实现在高温燃气环境下对热障涂层的疲劳寿命进行测试，或采用来测试金属材料、非金属材料以及其他涂层材料的抗腐蚀性能检测，从上述现有技术的案例中可以看出，现有的试验方法，大多只能实现对高性能航空发动机内常温腐蚀，高温热疲劳、热循环等单一载荷或是热、化耦合等服役环境的模拟；且上述高温服役环境都是采用甲烷/丙烷与氧气反应产生的高温焰流来实现，无法模拟航空发动机内真实的高温环境，也无法形成与真实环境中速度相同的高温焰流。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，通过向样品表面的热障涂层喷射腐蚀性粉末和高温焰流，使用红外热成像仪和声发射仪对叶片热障涂层进行观察，准确模拟了航空发动机叶片表面的热障涂层在真实使用环境中所受到的腐蚀影响，给叶片的整体设计及其表面热障涂层材料的选择提供了可靠的参考依据，克服了叶片热障涂层检测过程中使用航空发动机整体进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了航空发动机叶片热障涂层受腐蚀影响的检测效率。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：

S200，将表面涂覆有热障涂层的样品固定于预设位置；

S300，向所述样品表面喷射高温焰流；

S400，在所述样品表面的温度达到第一预设温度时，向所述高温焰流中掺杂腐蚀粉末；

S500，实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态。

进一步地，所述检测方法还包括：S100，对所述样品表面进行打磨去除毛刺，和/或对所述样品进行超声波清洗。

进一步地，所述检测方法还包括：S310，通过冷却通道向所述样品通冷却气体，对所述样品进行冷却；所述样品靠近所述高温焰流的一侧与所述样品远离所述高温焰流的一侧的温度差为预设数值；或，所述样品靠近所述高温焰流的一侧与所述样品内部的温度差为所述预设数值。

进一步地，所述样品包括：试片样品或叶片样品；所述冷却气体通过冷却通道垂直吹向所述试片样品远离所述高温焰流的一侧；或，所述冷却气体垂直吹入所述叶片样品榫头的冷却通道内。

进一步地，所述高温焰流的生成步骤为：将煤油增压至预设压力，并进行雾化，得到雾化煤油；将所述雾化煤油与氧气混合，生成燃料气源；将所述燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到所述高温焰流。

进一步地，所述氧气的流量为200L/min-600L/min；和/或，所述雾化煤油的流量为0.5L/h-1L/h；和/或，所述雾化煤油的压力为1MPa-2MPa Pa，所述氧气的压力为0.6MPa-0.8MPa。

进一步地，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态，包括：通过红外热成像仪和/或热电偶采集所述样品的温度；和/或，通过CCD相机和/或红外热成像仪采集所述样品表面的表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；和/或，通过声发射仪采集所述热障涂层内部裂纹损伤信号。

进一步地，所述红外热成像仪测量所述样品靠近所述高温焰流的一侧的温度；和/或，所述热电偶测量所述样品的内部温度和/或远离所述高温焰流的一侧的温度。

进一步地，所述样品为叶片样品；所述热电偶设置于所述叶片样品榫头的凹槽内，且包埋处理。

进一步地，所述声发射仪与高温波导杆的一端连接；所述高温波导杆的另一端与所述样品远离所述高温焰流的一侧固定连接。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过向样品表面的热障涂层喷射腐蚀性粉末和高温焰流，使用红外热成像仪和声发射仪对叶片热障涂层进行观察，准确模拟了航空发动机叶片表面的热障涂层在真实使用环境中所受到的腐蚀影响，给叶片的整体设计及其表面热障涂层材料的选择提供了可靠的参考依据，克服了叶片热障涂层检测过程中使用航空发动机整体进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了航空发动机叶片热障涂层受腐蚀影响的检测效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的热障涂层高温腐蚀的检测方法流程图。

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热障涂层高温腐蚀的检测方法流程图。

请参照图1，本发明实施例提供一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：

S100，对样品表面进行打磨去除毛刺；和/或，对所述样品进行超声波清洗。将样品表面的毛刺打磨后，可以提高样品表面的平整度，在进行腐蚀检测时可以提高检测的精度，降低误差。相似的，对样品进行超声波清洗，清除样品表面所沾染的各种污物，提高样品表面的清洁度，进而提高腐蚀检测的精度，降低误差。

可选的，使用600目的金刚砂纸轻轻地打去样品表面的毛刺。

可选的，使用酒精对样品进行超声波清洗。

S200，将表面涂覆有热障涂层的样品固定于预设位置。

S300，向所述样品表面喷射高温焰流。

S400，在所述样品表面的温度达到第一预设温度时，向所述高温焰流中掺杂腐蚀粉末；

在进行检测之前，将腐蚀粉末装入送粉机，在将样品表面的温度加热至第一预设温度后，送粉机将腐蚀粉末与通入超音速喷枪进气口的空气混合。混合有腐蚀粉末的空气进入喷枪口加压喷出，在喷嘴前方形成高温焰流，并且当焰流达到第二预设温度时，腐蚀粉末成熔融或半塑性状态。

在本发明实施例的一个实施方案中，热障涂层高温腐蚀的检测方法还包括：S310，通过冷却通道向样品通冷却气体，对所述样品进行冷却。

其中，样品靠近高温焰流的一侧与样品远离高温焰流的一侧的温度差为预设数值。或者，样品靠近高温焰流的一侧与样品内部的温度差为预设数值。

可选的，样品包括：试片样品或叶片样品。

当样品为试片样品时，冷却气体通过冷却通道垂直吹向试片样品远离高温焰流的一侧，对试片样品进行冷却，模拟真实环境中航空。

当样品为叶片样品时，冷却气体垂直吹入叶片样品榫头的冷却通道内。

可选的，当样品为试片样品时，试片样品为圆片状，其直径为30mm，厚度为5mm。

可选的，冷却气体的通流量为100L/h。

S500，向样品表面喷射高温焰流，实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态。

高温焰流的生成步骤为：通过氮气对煤油进行增压，并增压至0.6Mpa-1.2Mpa；使用液体雾化装置对增压后的煤油进行雾化，得到雾化煤油；将雾化煤油与氧气混合，得到燃料气源；将燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到高温焰流。

可选的，煤油流量的范围为3L/h-6L/h；氧气的流量为130L/min-250L/min，压力为0.8-2.4Mpa；煤油为航空煤油。

在本发明实施例的一个实施方式中，高温焰流是在超音速喷枪点燃雾化煤油与氧气的混合物得到，为使超音速喷枪的火焰达到超音速，需要配置相应的拉法尔喷嘴，还需要雾化煤油和氧气的压力和流量达到各自的预设值。

可选的，氧气的流量为200L/min-600L/min；和/或，雾化煤油的流量为0.5L/h-1L/h，雾化煤油的压力为1MPa-2MPa，氧气的压力值为0.6MPa-0.8MPa。当氧气、雾化煤油的流量和压力处于上述范围时，超音速喷枪所喷射的高温焰流可以达到1100℃。

优选的，氧气的流量为500L/min；和/或，雾化煤油的流量为10L/h；和/或，雾化煤油的压力值为0.8MPa，氧气的压力值为1.5MPa。当氧气、雾化煤油的流量和压力值为上述数值时，超音速喷枪所喷射的高温焰流可以使粉末处于较好的熔融状态，并腐蚀样品。

步骤S500中实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态，包括：

通过红外热成像仪和/或热电偶采集样品的温度；和/或

通过CCD相机和/或红外热成像仪采集样品表面的表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；和/或

通过声发射仪采集热障涂层内部裂纹损伤信号。

可选的，由于样品的材料及每次试验的温度范围不同，每次检测前均需要对红外热成像仪进行发射率校核，利用预埋在样品内部的高温热电偶对红外热成像仪进行温度校核。如果是圆板形样品，则只需要进行一次校核；如果样品表面形貌不规则，则需要对预埋在各个曲面处的高温热电偶分别进行校核。

在检测时，校对好的红外热成像仪实时对样品的表面温度进行检测，采集样品表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展情况；声发射仪通过高温波导杆连接样品的背面，采集样品热障涂层的内部裂纹损伤情况。

红外热成像仪测量样品靠近高温焰流的一侧的温度；和/或，热电偶测量样品的内部温度和/或远离高温焰流的一侧的温度。

在本发明实施例的一个实施方式中，样品为叶片样品。叶片样品与叶片涡轮盘连接处的榫头处开槽，将热电偶设置于叶片样品榫头的凹槽内，且包埋处理，并依据叶片样品表面的不同曲率设置多个热电偶。可选的，热电偶的数量为8个。

为防止普通信号传输线被高温或氧化破坏，本发明实施例采用了高温波导杆。高温波导杆的一端与样品远离高温焰流的一侧固定连接，其另一端与声发射仪连接。

本发明实施例旨在保护一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：将表面涂覆有热障涂层的样品固定于预设位置；向所述样品表面喷射腐蚀粉末；向所述样品表面喷射高温焰流，实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态。上述方案具备如下有益的技术效果：

通过向样品表面的热障涂层喷射腐蚀性粉末和高温焰流，使用红外热成像仪和声发射仪对叶片热障涂层进行观察，准确模拟了航空发动机叶片表面的热障涂层在真实使用环境中所受到的腐蚀影响，给叶片的整体设计及其表面热障涂层材料的选择提供了可靠的参考依据，克服了叶片热障涂层检测过程中使用航空发动机整体进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了航空发动机叶片热障涂层受腐蚀影响的检测效率。

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 (10)

1.一种热障涂层高温腐蚀的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S200，将表面涂覆有热障涂层的样品固定于预设位置；

S300，向所述样品表面喷射高温焰流；

S400，在所述样品表面的温度达到第一预设温度时，向所述高温焰流中掺杂腐蚀粉末；

S500，实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S100，对所述样品表面进行打磨去除毛刺，和/或对所述样品进行超声波清洗。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S310，通过冷却通道向所述样品通冷却气体，对所述样品进行冷却；

所述样品靠近所述高温焰流的一侧与所述样品远离所述高温焰流的一侧的温度差为预设数值；或

所述样品靠近所述高温焰流的一侧与所述样品内部的温度差为所述预设数值。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，

所述样品包括：试片样品或叶片样品；

所述冷却气体通过冷却通道垂直吹向所述试片样品远离所述高温焰流的一侧；或

所述冷却气体垂直吹入所述叶片样品榫头的冷却通道内。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述高温焰流的生成步骤为：

将煤油增压至预设压力，并进行雾化，得到雾化煤油；

将所述雾化煤油与氧气混合，生成燃料气源；

将所述燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到所述高温焰流。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，

所述氧气的流量为200L/min-600L/min；和/或

所述氧气的压力为0.6MPa-0.8MPa；和/或

所述雾化煤油的流量为0.5L/h-1L/h；和/或

所述雾化煤油的压力为1MPa-2MPa。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态，包括：

通过红外测温仪和/或热电偶采集所述样品的温度；和/或

通过CCD相机和/或红外热成像仪采集所述样品表面的表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；和/或

通过声发射仪采集所述热障涂层内部裂纹损伤信号。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，

所述红外热成像仪测量所述样品靠近所述高温焰流的一侧的温度；和/或

所述热电偶测量所述样品的内部温度和/或远离所述高温焰流的一侧的温度。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，

所述样品为叶片样品；

所述热电偶设置于所述叶片样品榫头的凹槽内，且包埋处理。

10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，

所述声发射仪与高温波导杆的一端连接；

所述高温波导杆的另一端与所述样品远离所述高温焰流的一侧固定连接。