CN111855384A - 高效计算侵入深度比的可磨耗涂层性能测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于碰磨试验的可磨耗涂层性能测试方法，包括：在测试工况下运行测试叶片；标定碰磨零点；基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，获取所述可磨耗涂层与所述测试叶片的碰磨实验数据，并记录；获取侵入深度x_c，侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值，记录为侵入深度比。

Description

高效计算侵入深度比的可磨耗涂层性能测试系统和方法

技术领域

本发明属于航空航天材料检测领域，具体涉及一种高效计算侵入深度比的可磨耗涂层性能测试系统和方法。

背景技术

封严可磨耗涂层在航空发动机及燃气轮机中广泛应用，其涂覆于与转子碰磨的静子部件上，通过涂层的主动牺牲磨耗实现转/静子最小间隙控制，有效提高发动机效率、降低油耗。封严涂层在高温高速下与转子叶片碰磨，涂层发生主动磨耗而不磨损或粘着转子叶片的特性称之为可磨耗性，准确评价封严涂层可磨耗性是本领域要解决的重要问题。

对可磨耗涂层的高温高速碰磨试验，是指测试叶片装卡在可以高速旋转的轮盘外缘，可磨耗涂层样品装卡在相对于轮盘可做前进和后退运动的侵入平台上，涂层及叶片可以被加热，在轮盘以一定速度转动的情况下，平台带动涂层样品以一定速率向轮盘移动，实现叶片与涂层的高温高速碰磨。

“侵入深度比”(也可称为“进给深度比”)是评价封严涂层可磨耗性的关键指标，其定义为碰磨试验前后叶片高度变化值与碰磨侵入深度的比值，侵入深度比越接近于零，封严涂层可磨耗性越好。

在侵入深度比数据的获取中，侵入深度的控制和测量是难点。受高速碰磨试验振动、叶片离心伸长等因素影响，难以准确测定叶片与涂层发生第一次碰磨时涂层的侵入位置和时间点。在此情况下，试验前设定的侵入深度与实际发生的侵入深度存在较大偏差，不得不通过测量试验后涂层磨痕深度以及叶片磨损程度等数据，反推出卡尺测量侵入深度，然后利用反推的侵入深度数据计算侵入深度比，这种方法在可控性、精度以及检测时间等方面存在不足。

一些相关技术采用静态零位标定的方法标定碰磨零点。即试验开始前，将叶片旋转到正对涂层的位置，手动控制侵入平台推动涂层向叶片侵入。将涂层与叶片刚刚发生接触的位置定为碰磨零点，然后手动控制平台后退某一距离。当正式试验时的侵入平台侵入距离等于试验前从碰磨零点后退的距离时，开始按照设定的侵入速率侵入设定的侵入深度。

一些相关技术采用光栅尺标定的方法标定碰磨零点。即在试验开始前，标定叶片与涂层样品相接触时涂层侵入平台的位置并记录为零位，在试验时通过光栅尺给出的侵入平台位移来判断侵入平台是否到达零位，该方法的主要不足在于，一是在高转速下设备振动大零位发生飘移；另外是测试叶片在离心力和受热膨胀等因素影响下伸长，会早于零位点与涂层发生碰磨，导致卡尺测量侵入深度与设定值严重偏离。

一些相关技术采用碰磨力监控的方法标定碰磨零点。即在侵入平台的侵入过程中，检测涂层样品与测试叶片之间的碰磨力是否发生突变，并以碰磨力发生突变的时间点为第一次碰磨时间点。监测碰磨力的方式是在涂层样品与侵入平台间安装三向力传感器，监测涂层受到的摩擦力、正压力和轴向力的突变。然而，发明人发现，在实际测试过程中，上述监控碰磨力的方法并不能总是获得重复性好的试验结果，特别是对于可磨耗性优异的可磨耗涂层或者对于具有切削功能的叶片，试验叶片与涂层的碰磨力十分微弱，其力值与力传感器的底噪力信号基本在一个水平，通过监测碰磨力的方法无法有效监测到碰磨力的突变。

发明内容

为了寻找能够精确标定碰磨零点，进而高效计算侵入深度比的方法。发明人进行了大量的理论研究和实验测试，终于发现一种新的灵敏可靠的确定碰磨零点的方法。该方法可准确判定碰磨零点，进而能够控制侵入深度与卡尺测量侵入深度的偏差在10％以内，与以往相关技术30％的偏差相比，本公开的方法对测试精度提高了200％倍以上，效果显著达到预料不到的程度。在此基础上，利用该精确标定的碰磨零点，可进一步精确计算出碰磨侵入深度，进而计算获得侵入深度比指标。

由于本公开方法通过传感器测量获得的侵入深度值与通过卡尺测量获得额的侵入深度值的偏差很小，因此可以直接利用传感器测量获得的侵入深度计算侵入深度比，此时，无需再等待涂层降温后使用游标卡尺测量涂层实际深度，极大提高实验效率，特别适合样本量大、对于测试效率要求较高的情况，如高通量材料筛选。

基于上述研究发现，本公开提供一种基于碰磨试验的可磨耗涂层性能测试方法，包括：

在测试工况下运行测试叶片；

标定碰磨零点，该操作包括控制安装可磨耗涂层的侵入平台以预设速度从初始位置向所述测试叶片侵入，在侵入过程中，同时利用声发射传感器和加速度传感器监测可磨耗涂层，并分别监测声发射传感器和加速度传感器输出的信号的强度是否超过各自的预设上限阈值，当首先检测到任一传感器输出的信号的强度超过预设上限阈值时，则确定该传感器为参考传感器，并记录侵入平台的当前位置为碰磨零点；

基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，监测所述参考传感器输出的信号的强度，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨终点；

获取侵入深度x_c，侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值(h₀/x_c)，记录为侵入深度比。

经大量测试数据证明，上述方法可准确判定碰磨零点和碰磨终点，进而能够准确获得碰磨侵入深度，该方法获得的侵入深度与卡尺测量侵入深度的偏差在10％以内。

上述方案中，同时监测可磨耗涂层的加速度信号和声发射信号是关键的。实验发现，单独检测可磨耗涂层的加速度信号或单独检测可磨耗涂层的声发射信号不能准确判定碰磨零点。

当叶片转动线速度较低(例如小于或等于240m/s)，此时，声发射传感器能够更敏锐准确地检测到碰磨零点。这是由于当试验叶片与涂层发生碰磨时，在涂层表面会发生涂层材料的微观断裂及塑性变形，该过程伴随有快速释放能量产生瞬态弹性波，这种弹性波具有特殊的频率，与高速试验中设备自身振动等引起的波动信号有明显区别，这种弹性波从材料中释放即为声发射。

当叶片转动线速度较高(例如高于400m/s)，此时，加速度传感器能够更敏锐准确地检测到碰磨零点。这是由于转子叶片高速旋转产生的风力很强时，设备振动较大，装卡涂层侵入平台的各组件间存在高频的振动碰磨，高频的振动碰磨产生的声发射信号强度掩盖了叶片与涂层发生首次碰磨产生的声发射信号，声发射传感器无法获得有效的检测信号。

因此，通过同时监测可磨耗涂层的加速度信号和声发射信号，能够准确判定碰磨零点，控制的侵入深度与卡尺测量侵入深度的偏差在10％以内。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括：获取所述可磨耗涂层与所述测试叶片的碰磨实验数据，并与对应时刻下的所述侵入平台的侵入位置数据一并记录。

在一些实施方案中，磨耗涂层性能测试方法还包括确定碰磨时间零点的操作，当最先检测到其中任一传感器输出的信号的强度大于或等于预设上限阈值时，则确定当前时刻为碰磨时间零点。

在一些实施方案中，磨耗涂层性能测试方法还包括确定碰磨时间终点的操作，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨时间终点。

在一些实施方案中，磨耗涂层性能测试方法还包括计算碰磨持续时间的操作，碰磨持续时间等于碰磨时间终点与碰磨时间零点的时间差。

在一些实施方案中，磨耗涂层性能测试方法还包括获取所述可磨耗涂层与所述测试叶片的碰磨实验数据，并记录。

在一些实施方案中，磨耗涂层性能测试方法还包括获取可磨耗涂层与测试叶片的碰磨实验数据，并与对应时刻下的侵入平台的侵入位置数据一并记录。

在一些实施方案中，按照预设的碰磨轨迹变化函数控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括调取测试工况下发动机叶片与机匣涂层之间的碰磨轨迹变化函数的步骤。

在一些实施方案中，碰磨轨迹变化函数包括至少一个时段的径向方向(x)函数和/或轴向方向(z)方向函数。所述径向方向函数和/或轴向方向函数可以为时间(t)的一次或多次函数。

在一些实施方案中，轴向是指平行于叶片旋转轴的方向。径向是指与轴向垂直的方向。

在一些实施方案中，碰磨轨迹变化函数为径向侵入(例如匀速直线侵入)，此时路径x＝vt，x是侵入距离，v是侵入速度。

在一些实施方案中，声发射传感器输出信号的预设上限阈值A₁设置为大于或等于1.3A₀(例如A₁＝1.3A₀～2A₀)，A₀是指未发生碰磨时声发射传感器输出信号的强度值。

在一些实施方案中，加速度传感器输出信号的预设上限阈值B₁设置为大于或等于1.5B₀(例如B₁＝1.5B₀～2B₀)，B₀是指未发生碰磨时加速度传感器输出信号的强度值。

在一些实施方案中，当参考传感器为声发射传感器时，声发射传感器的预设下限阈值A₂设置为等于A₀，A₀是指未发生碰磨时声发射传感器输出信号的强度值。

在一些实施方案中，当参考传感器为加速度传感器时，加速度传感器的预设下限阈值B₂设置为等于B₀，B₀是指未发生碰磨时加速度传感器输出信号的强度值。

在一些实施方案中，声发射传感器的频率响应范围为50-220kHz。

在一些实施方案中，加速度传感器的频率响应范围为0.5～10000Hz。

在一些实施方案中，声发射传感器的频率响应范围为50-220kHz，谐振频率为112～168kHz，灵敏度71±3dB。

在一些实施方案中，加速度传感器的频率响应范围为0.5～10000Hz(例如1～7000Hz)，灵敏度40～60mV/g，最大横向灵敏度≤5％。

在一些实施方案中，声发射传感器输出的信号是指声发射传感器输出的电压信号。

在一些实施方案中，加速度传感器输出的信号是指加速度传感器的输出的电压信号。

在一些实施方案中，控制侵入平台侵入到预设深度或者侵入预设时长后，还包括：控制侵入平台在预设时间长度内停止运动，然后以预设速度退回初始位置。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括：调取测试工况下发动机叶片与机匣涂层之间的碰磨轨迹变化函数的步骤。

在一些方面，提供一种可磨耗涂层性能测试系统，包括：

转子系统，包括测试叶片和驱动所述测试叶片转动的驱动机构；

侵入系统，包括侵入平台和数据测试仪器，侵入平台用于带动可磨耗涂层的相对于测试叶片执行侵入运动，所述数据测试仪器包括加速度传感器和声发射传感器，分别用于检测可磨耗涂层样品的加速度信号和声发射信号；

控制单元，用于控制所述驱动机构驱动所述测试叶片按照测试工况转动，确定碰磨零点，然后基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，侵入结束后确定碰磨终点；

其中，控制单元还包括碰磨零点确定模块，其用于控制安装可磨耗涂层的侵入平台以预设速度从初始位置向所述测试叶片侵入(例如匀速直线侵入)，在侵入过程中，分别监测所述加速度信号和声发射信号的强度，当最先检测到其中任一传感器输出的信号的强度大于或等于预设上限阈值时，则确定该传感器为参考传感器，确定所述侵入平台的当前位置为碰磨零点；

其中，所述控制单元还包括碰磨终点确定模块，其用于在侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动过程中，监测所述参考传感器输出的信号的强度，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨终点；

其中，所述控制单元还包括侵入深度比指标计算模块，该模块获取侵入深度x_c，侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值，记录为侵入深度比。

在一些实施方案中，控制单元还用于获取所述可磨耗涂层与所述测试叶片的碰磨实验数据，并记录。

在一些实施方案中，侵入系统包括用于夹持可磨耗涂层样品的夹具，加速度传感器安装在夹具上。

在一些实施方案中，声发射传感器安装在可磨耗涂层样品上(例如可磨耗涂层背向测试叶片的一侧)。

在一些实施方案中，控制单元还包括以下任一模块：

函数调取模块，其用于调取测试工况下测试叶片与可磨耗涂层之间的碰磨轨迹变化函数，控制单元按照预设的碰磨轨迹变化函数控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动；；

叶片控制模块，其用于控制驱动机构驱动测试叶片按照测试工况转动；

侵入控制模块，其用于基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，

数据记录模块，其用于从数据测试仪器获取可磨耗涂层与测试叶片的碰磨实验数据，然后将碰磨实验数据与对应时刻下的侵入平台的侵入位置数据一并进行记录；

回退控制模块，其用于在侵入控制模块控制侵入平台侵入到预设深度或者侵入预设时长后，控制侵入平台在预设时间长度内停止运动，然后以预设速度退回初始位置。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试系统的工作温度范围为室温～1200℃。

在一些实施方案中，测试叶片线转速范围在100～520m/s。

在一些实施方案中，声发射传感器是指电荷输出型声发射传感器。

在一些实施方案中，声发射传感器是压电式声发射传感器。

在一些实施方案中，加速度传感器是指电荷输出型加速度传感器。

在一些实施方案中，加速度传感器是压电式加速度传感器。

在一些实施方案中，加速度传感器是振动加速度传感器。

本公开的新型可磨耗涂层性能测试方法和系统可与申请人之前开发的任意可磨耗涂层性能测试方法和系统相兼容或组合，以下中国专利申请的全部内容通过引用结合至本申请中：CN201811195700.5、CN201811195717.0、CN201811195685.4、CN201320109549.5、CN201310076983.2、CN201220641509.0、CN201210496279.8。

术语解释

本公开如果使用了如下的术语，它们可以有如下的解释：

“高温高速”是指温度范围在室温～1200℃，旋转叶片叶尖线速度范围在100～520m/s。

术语“侵入”和“进给”具有相同的含义，均指安装由涂层的侵入平台朝向旋转的叶片移动的操作。

“加速度传感器”是指能够将物体的加速度转化为电量(电荷或电压)的器件。

“声发射传感器”是指能够将物体的声发射信号转化为电量(电荷或电压)的器件。

封严涂层和可磨耗涂层具有相同的含义，均指在与其他部件发生对磨的过程中能够主动磨耗自身的涂层。

有益效果

本公开一个或多个实施例具有以下一项或多项有益效果：

(1)在较宽的温度范围内能够准确标定碰磨零点，并能准确计算侵入深度比；

(2)在较宽的线速度范围内能够准确标定碰磨零点，并能准确计算侵入深度比；

(3)鉴于传感器测量侵入深度比与卡尺测量侵入深度比的偏差十分微小，而且，传感器测量具有信号灵敏、测试结果准确、自动化程度高、效率高等优点，完全可以使用传感器测量侵入深度值替代卡尺测量侵入深度比。此时，无需再等待涂层降温后使用游标卡尺测量涂层实际磨痕深度，极大提高实验效率，特别适合样本量大、对于测试效率要求较高的情况，如高通量材料筛选。

附图说明

图1为本发明可磨耗涂层性能测试系统的一实施例的方框示意图。

图2为本发明可磨耗涂层性能测试系统实施例中侵入系统的结构示意图。

图3为本发明可磨耗涂层性能测试系统实施例中转子系统和侵入系统的组装结构示意图。

图4为本发明可磨耗涂层性能测试方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明可磨耗涂层性能测试系统的一实施例的方框示意图。在图1中，可磨耗涂层性能测试系统包括：转子系统10、侵入系统20和控制单元30。转子系统10可包括测试叶片11和驱动测试叶片11转动的驱动机构12。驱动机构12可根据需要测试的发动机工况驱动测试叶片11转动，以便使测试叶片11按照测试工况下的转速运行。侵入系统20包括侵入平台21和数据测试仪器22。侵入平台21上安装有涂层样品，并能够实现精密的侵入操作。数据测试仪器22包括加速度传感器和声发射传感器，分别用于检测可磨耗涂层样品的加速度信号和声发射信号。

参考图2和图3，侵入系统20可采用刚性基座40进行支撑，以确保系统刚度满足试验要求(例如≥500N/μm)。刚性基座40可采用稳定性好的方钢，方钢可与可磨耗试验机主机通过导轨连接，并在导轨上滑动来进行轴向位置调整。在刚性基座40上可安装调节侵入平台21的高度的支承座23，支承座23可在刚性基座40上进行位置调整，以确保侵入平台21能够在最佳的行程范围内工作。

侵入平台21可采用能够实现精密侵入的高精度十字交叉滚柱丝杠机构。具体来说，步进电机可按照控制单元30给定的脉冲频率转动，并经联轴器将扭矩传到高精度的十字交叉滚柱丝杠，带动滚柱丝杠旋转，从而拖动侵入平台21在测试叶片11的径向和轴向上前后滑动。侵入平台21上靠近测试叶片11的一侧可通过夹具安装涂层样品24，当侵入平台21运动时，也会带动涂层样品24一起实现精密侵入。

在侵入系统20中还可以包括能够实现高分辨率的线性光栅尺，用于对平台运动的位置进行实时的检测，并将位置数据反馈给控制单元，以实现侵入系统20的闭环反馈控制。

在图3中，侵入平台21可实现相对于测试叶片11的径向x和轴向z的双向侵入。并且，数据测试仪器22包括加速度传感器和声发射传感器，分别用于检测可磨耗涂层样品的加速度信号和声发射信号，加速度传感器和声发射传感器输出的信号传输给控制单元(可选地放大后传输给控制单元)进行显示和处理。

在一些实施例中控制单元还包括显示仪器，显示仪器可以是频谱仪和/或示波器。

数据测试仪器22还可以包括三向测力传感器。在叶片与涂层样品高速碰磨过程中，主要产生径向的正压力Fx、周向的摩擦力Fy和轴向压力Fz的作用，而三向测力传感器可实现x，y，z三个方向的力的准确测量。优选采用压电式三向测力传感器进行碰摩力测量，这种类型的测力仪的刚度、固有频率和分辨率均较高，可测量较大力上的微小动态力变化。例如，选择压电式三向测力仪量程为5000N，固有频率为3.5kHz。另外，三向测力传感器采集到的电荷信号可通过电荷放大器进行放大，并进一步转换成可采集的电压信号，传输给控制单元进行显示和处理。还可以测量涂层样品与测试叶片11之间高速碰磨时的碰磨实验数据，例如径向正压力、周向摩擦力等。

在可磨耗涂层性能测试系统实施例中，控制单元30可用于调取测试工况下测试叶片与机匣涂层之间的碰磨轨迹变化函数，控制单元按照预设的碰磨轨迹变化函数控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动。该碰磨轨迹变化函数可由待测试的发动机生产厂商提供，或通过发动机实际运行进行数据采集后拟合来获得，或根据测试要求进行设计。

对于某一型号的发动机来说，当该发动机慢车至100％N2R(高温起飞)，50％供油时，碰磨轨迹变化函数为：

径向方向：

0s≤t≤4.7s，x₁＝0.0645t+0.48585；

轴向方向：

0s≤t≤2.605s，z₂＝0.1153t；

2.605s＜t≤8s，z₁＝-0.00073t³+0.18072t²-0.16764t+0.627396。

由此可看出碰磨轨迹变化函数在特定时段已不是匀速变化，而是高次多项式函数。而本实施例按照该碰磨轨迹变化函数对侵入平台的控制，能够获得更加准确可靠的测试数据。

控制单元30还能够控制驱动机构12驱动所述测试叶片11按照测试工况转动，然后基于确定的碰磨零点，控制安装涂层样品24的侵入平台21相对于测试叶片11执行侵入运动。为了测试某种发动机工况下的碰磨实验数据，控制单元30可先控制驱动机构12使测试叶片11以测试工况下的速度进行旋转，以使测试工况与实际工况相匹配。此外，控制单元30还能够从所述数据测试仪器22获取所述涂层样品24与所述测试叶片11的碰磨实验数据，然后将所述碰磨实验数据与对应时刻下的所述侵入平台21的侵入位置数据一并记录。控制单元30可由设备控制主板或者上位机的硬件或软件实现。

在一些实施例中，控制单元30还包括：函数调取模块，其用于调取测试工况下发动机叶片与机匣涂层之间的碰磨轨迹变化函数，控制单元按照预设的碰磨轨迹变化函数控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动。

在一些实施例中，控制单元30还包括：叶片控制模块，其用于控制所述驱动机构驱动所述测试叶片按照测试工况转动。

在一些实施例中，控制单元30还包括：侵入控制模块，其用于基于确定的碰磨零点，控制安装涂层样品的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动。

在一些实施例中，控制单元还包括：数据记录模块，其用于从所述数据测试仪器获取所述涂层样品与所述测试叶片的碰磨实验数据，然后将所述碰磨实验数据与对应时刻下的所述侵入平台的侵入位置数据一并记录。

参考图1-3的可磨耗涂层性能测试系统实施例，本发明还提供了可磨耗涂层性能测试方法的几个实施例。如图4所示，为本发明可磨耗涂层性能测试方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，可磨耗涂层性能测试方法包括：

步骤200，在测试工况下运行测试叶片；

步骤400，标定碰磨零点，该操作包括控制安装可磨耗涂层的侵入平台以预设速度从初始位置向所述测试叶片侵入，在侵入过程中，同时利用声发射传感器和加速度传感器监测可磨耗涂层，并分别监测声发射传感器和加速度传感器输出的信号的强度是否超过各自的预设上限阈值，当首先检测到任一传感器输出的信号的强度超过预设上限阈值时，则确定该传感器为参考传感器，并记录侵入平台的当前位置为碰磨零点；

步骤600，基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，监测所述参考传感器输出的信号的强度，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨终点；

步骤800，获取侵入深度x_c，所述侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值，记录为侵入深度比。

上述步骤200-800可由控制单元统一执行，也可由多个控制器分别执行不同的控制操作，并相互通信。

下面通过具体实施例进一步阐述可磨耗涂层性能测试方法

实施例1

(1)取大气等离子喷涂工艺制备的铝硅氮化硼封严涂层样品(涂层中Al含量73.2％，Si含量8.8％，氮化硼含量18wt％)，涂层厚度2mm，试样为平板形状，涂层样品尺寸40mm×60mm×6mm，基体材质为不锈钢。

(2)取TC4钛合金模拟叶片，叶片叶尖尺寸为0.7mm×20mm，使用TA025A型螺旋测微器测量其试验前的高度平均值为20.241mm。

(3)将步骤(1)和步骤(2)中的封严涂层样品和模拟叶片装卡在矿冶科技集团有限公司研制的BGRIMM-AST1000型高温高速可磨耗试验机上，安装测试叶片后的试验机半径为417.5mm。

(4)在涂层样品的背面贴附富士AE144A型磁吸式声发射传感器，传感器直径8mm，频率响应范围50-220kHz，谐振频率140±20％kHz，灵敏度71±3dB；采用前置放大器的接线方式，将传感器与采样率6.25GS/S、记录长度不小于30M的示波器连接，将示波器调整至显示电压与时间曲线的模式。

(5)在装卡涂层样品的夹具上以螺栓连接方式安装上海振迪检测技术有限公司ZD-510型加速度传感器，传感器频率响应范围1～7000Hz，灵敏度35pC/g，最大横向灵敏度≤5％；以电压输出方式将加速度传感器与测量仪连接，将测量仪调整至显示电压-时间曲线的模式。

(6)设定高温高速碰磨试验参数为：温度150℃、叶片旋转线速度200m/s，侵入速率50μm/s，设定碰磨零点后侵入20s后停止，预设侵入深度＝50μm/s×20s＝1000μm。

(7)调整侵入平台，使叶片叶尖与涂层表面保持1.5mm的安全距离，开启BGRIMM-AST1000型高温高速可磨耗试验机，使温度和线速度达到设定值后，以50μm/s侵入速率使涂层样品向高速旋转的叶片叶尖移动，同时观察步骤(4)和步骤(5)中所述示波器的电压信号-时间曲线和加速度测量仪的电压-时间曲线。首先观察到声发射传感器的电压信号强度由基线值A₀跳动增加至A₁，A₁＝1.4A₀(增加幅度约40％)，此时，将声发射传感器定义为参考传感器，将此时侵入平台的位置定义为碰磨零点x₀，将这一时刻定义为碰磨时间零点t₀。经预设时间20s后侵入平台停止侵入并退回，在此过程中监测声发射传感器的电压信号，并发现其强度由A₁跳动下降至A₀，则将该时刻侵入平台的位置定义为碰磨终点x₁，将这一时刻定义为碰磨时间终点t₁。经计算，传感器检测到的碰磨持续时间t_c＝t₁-t₀＝20.7s。传感器测量到的侵入距离为碰磨零点x₀与碰磨终点x₁在涂层深度方向上的距离值，即1035μm。

将碰磨试验后的封严涂层样品和测试叶片由试验机取下，使用DL91150型游标卡尺测量实际涂层磨痕的深度为990.4μm。使用TA025A型螺旋测微器测量试验后叶片高度为19.245mm，叶片高度磨损量为20.241-19.245＝99.6μm。则卡尺测量侵入深度＝涂层磨痕深度+叶片高度磨损量＝1090μm。此时，卡尺测量侵入深度比＝叶片高度磨损量/卡尺测量侵入深度＝9.14％。

另外，还根据传感器测量的侵入深度计算侵入深度比。此时，传感器测量侵入深度比＝叶片高度磨损量/传感器测量侵入深度＝9.62％。

鉴于传感器测量侵入深度比与卡尺测量侵入深度比的偏差十分微小，而且，传感器测量具有信号灵敏、测试结果准确、自动化程度高、效率高等优点，完全可以使用传感器测量侵入深度值替代卡尺测量侵入深度比。

另外值得关注的是，该实施例中，加速度传感器在声发射传感器反馈突变信号的2.3s后开始反馈较为明显的波动信号，可见，在线速度较低的情况下，加速度传感器灵敏度小于或等于声发射传感器。

实施例2

(1)取大气等离子喷涂工艺制备的铝硅氮化硼封严涂层样品(涂层中Al含量73.2％，Si含量8.8％，氮化硼含量18wt％)，涂层厚度2mm，试样为平板形状，涂层样品尺寸40mm×60mm×6mm，基体材质为不锈钢。

(2)取TC4钛合金模拟叶片，叶片叶尖尺寸为0.7mm×20mm，使用TA025A型螺旋测微器测量其试验前左、中、右的高度分别是20.042mm、20.015mm、20.102mm，平均值为20.053mm。

(3)将步骤(1)和步骤(2)中的封严涂层样品和模拟叶片装卡在矿冶科技集团有限公司研制的BGRIMM-AST1000型高温高速可磨耗试验机上，安装测试叶片后的试验机半径为417.5mm。

(4)在涂层样品的背面贴附磁吸式声发射传感器(同实施例1)；采用前置放大器的接线方式，将传感器与采样率6.25GS/S、记录长度不小于30M的示波器连接，将示波器调整至显示电压-时间曲线的模式。

(5)在装卡涂层样品的夹具上以螺栓连接方式安装加速度传感器(同实施例1)；以电压输出方式将加速度传感器与测量仪连接，将测量仪调整至显示电压-时间曲线的模式。

(6)设定高温高速碰磨试验参数为：温度450℃、叶片叶尖旋转线速度450m/s，侵入速率50μm/s，设定碰磨零点后侵入10s后停止，预设侵入深度＝50μm/s×10s＝500μm。

(7)调整侵入平台，使叶片叶尖与涂层表面保持1.5mm的安全距离，开启BGRIMM-AST1000型高温高速可磨耗试验机，使温度和线速度达到设定值后，以50μm/s侵入速率使涂层样品向高速旋转的叶片叶尖移动，同时观察步骤(4)和步骤(5)中所述示波器的电压信号-时间曲线和和加速度测量仪的电压-时间曲线，首先观察到加速度传感器的加速度信号出现明显波动变化，其电压信号强度由基线值B₀跳动增加至B₁，B₁＝2.14B₀(增加幅度约114％)，此时，将加速度传感器定义为参考传感器，将该时刻定义为碰磨时间零点t₀，将该时刻侵入平台的位置定义为碰磨零点x₀。经预设时间10s后侵入平台停止侵入并退回，在此过程中监测加速度传感器的加速度信号，并发现其强度由B₁跳动下降至B₀，将这一时刻定义为碰磨时间终点t₁，将该时刻侵入平台的位置定义为碰磨终点x₁。经计算，传感器检测到的碰磨持续时间t_c＝t₁-t₀＝10.4s。传感器测量侵入深度为碰磨零点x₀与碰磨终点x₁在涂层深度方向上的距离值，即520μm。

将碰磨试验后的封严涂层样品和测试叶片由试验机取下，使用DL91150型游标卡尺测量涂层磨痕的深度为432.5μm；使用TA025A型螺旋测微器测量叶片测试后高度为19.939mm，叶片高度磨损量为114μm；则该试验卡尺测量侵入深度为432.5+114＝546.5μm。此时，卡尺测量侵入深度比＝叶片高度磨损量/卡尺测量侵入深度＝20.8％

还可以使用传感器测量侵入深度计算侵入深度比。此时，传感器测量侵入深度比＝叶片高度磨损量/传感器测量侵入深度＝21.9％。

鉴于传感器测量侵入深度比与卡尺测量侵入深度比的偏差十分微小，而且，传感器测量具有信号灵敏、测试结果准确、自动化程度高、效率高等优点，完全可以使用传感器测量侵入深度值替代卡尺测量侵入深度比。

另外值得关注的是，该实施例中，当叶片叶尖线速度达到450m/s且侵入平台尚未开始移动时，由于叶片产生的风力及转子主轴震动等原因，侵入平台组件间已出现振摩擦及受力，声发射传感器有较高强度的反馈信号，当侵入平台开始移动到实验结束整个过程中均难以判断到声发射信号强度是否发生明显突变。

实施例1和实施例2的相关测量和计算数据如下表1所示：

表1

	实施例1	实施例2
			设定深度	1000μm	500μm
传感器测量深度	1035μm	520μm
			卡尺测量深度	1090μm	546.5μm
传感器测量侵入深度比r<sub>1</sub>	9.62％	21.9％
			卡尺测量侵入深度比r<sub>2</sub>	9.14％	20.8％
r<sub>1</sub>与r<sub>2</sub>的偏差	5.0％	5.0％

由表1可知，实施例1和2的方法通过传感器测量获得的侵入深度比与通过卡尺测量获得的侵入深度比偏差不大于5％。因此，实施例1和2的方法能够高效、准确地确定侵入深度比。

本说明书中多个实施例采用递进的方式描述，各实施例的重点有所不同，而各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其整体以及涉及的模块功能与方法实施例中的内容存在对应关系，因此描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

尽管本发明的实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解:根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改和变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (11)

1.一种基于碰磨试验的可磨耗涂层性能测试方法，包括：

在测试工况下运行测试叶片；

标定碰磨零点，该操作包括控制安装可磨耗涂层的侵入平台以预设速度从初始位置向所述测试叶片侵入，在侵入过程中，同时利用声发射传感器和加速度传感器监测可磨耗涂层，并分别监测声发射传感器和加速度传感器输出的信号的强度是否超过各自的预设上限阈值，当首先检测到任一传感器输出的信号的强度超过预设上限阈值时，则确定该传感器为参考传感器，并记录侵入平台的当前位置为碰磨零点；

基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，监测所述参考传感器输出的信号的强度，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨终点；

获取侵入深度x_c，所述侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值，记录为侵入深度比。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输出的信号是指输出的电压信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

声发射传感器的预设上限阈值A₁设置为大于或等于1.3A₀，A₀是指未发生碰磨时声发射传感器输出信号的强度值。

加速度传感器的预设上限阈值B₁设置为大于或等于1.5B₀，B₀是指未发生碰磨时加速度传感器输出信号的强度值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

当参考传感器为声发射传感器时，声发射传感器的预设下限阈值A₂设置为等于A₀，A₀是指未发生碰磨时声发射传感器输出信号的强度值。

当参考传感器为加速度传感器时，加速度传感器的预设下限阈值B₂设置为等于B₀，B₀是指未发生碰磨时加速度传感器输出信号的强度值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述声发射传感器的频率响应范围为50～220kHz；

所述加速度传感器的频率响应范围为0.5～10000Hz。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述声发射传感器安装在可磨耗涂层背向测试叶片的一侧；

所述加速度传感器安装在用于固定可磨耗涂层的夹具上。

7.根据权利要求1所述的方法，磨耗涂层性能测试方法还包括以下一步或多步：

-确定碰磨时间零点的操作，当最先检测到其中任一传感器输出的信号的强度大于或等于预设上限阈值时，则确定当前时刻为碰磨时间零点。

-确定碰磨时间终点的操作，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨时间终点。

-计算碰磨持续时间的操作，碰磨持续时间等于碰磨时间终点与碰磨时间零点的时间差。

8.一种可磨耗涂层性能测试系统，包括：

转子系统，包括测试叶片和驱动所述测试叶片转动的驱动机构；

侵入系统，包括侵入平台和数据测试仪器，侵入平台用于带动可磨耗涂层的相对于测试叶片执行侵入运动，所述数据测试仪器包括加速度传感器和声发射传感器，分别用于检测可磨耗涂层样品的加速度信号和声发射信号；

控制单元，其用于控制所述驱动机构驱动所述测试叶片按照测试工况转动，确定碰磨零点，然后基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，侵入结束后确定碰磨终点；

其中，所述控制单元包括碰磨零点确定模块，其用于控制安装可磨耗涂层的侵入平台以预设速度从初始位置向所述测试叶片侵入，在侵入过程中，同时监测所述加速度信号和声发射信号的强度，当最先检测到其中任一传感器输出的信号的强度大于或等于预设上限阈值时，则确定该传感器为参考传感器，确定所述侵入平台的当前位置为碰磨零点；

其中，所述控制单元还包括碰磨终点确定模块，其用于在侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动过程中，监测所述参考传感器输出的信号的强度，当监测到参考传感器输出的信号的强度小于或等于预设下限阈值时，则记录侵入平台的当前位置为碰磨终点；

其中，所述控制单元还包括侵入深度比指标计算模块，该模块获取侵入深度x_c，侵入深度是指碰磨零点与碰磨终点在涂层深度方向上的距离值，以及获取测试叶片高度磨损值h₀，计算h₀和x_c的比值，记录为侵入深度比。

9.根据权利要求8所述的系统，其具有以下特征：

侵入系统包括用于夹持可磨耗涂层样品的夹具，所述加速度传感器安装在所述夹具上，所述声发射传感器安装在可磨耗涂层样品上。

10.根据权利要求8所述的系统，其具有以下特征：

所述声发射传感器的频率响应范围为50-220kHz；

所述加速度传感器的频率响应范围为0.5～10000Hz。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制单元还包括以下任一模块：

函数调取模块，其用于调取测试工况下测试叶片与可磨耗涂层之间的碰磨轨迹变化函数，控制单元按照预设的碰磨轨迹变化函数控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动；

叶片控制模块，其用于控制所述驱动机构驱动所述测试叶片按照测试工况转动；

侵入控制模块，其用于基于确定的碰磨零点，控制安装可磨耗涂层的侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，

数据记录模块，其用于从所述数据测试仪器获取所述可磨耗涂层与所述测试叶片的碰磨实验数据，然后将所述碰磨实验数据与对应时刻下的所述侵入平台的侵入位置数据一并进行记录；

回退控制模块，其用于在所述侵入控制模块控制所述侵入平台侵入到预设深度或者侵入预设时长后，控制所述侵入平台在预设时间长度内停止运动，然后以预设速度退回所述初始位置。

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