CN112285156A - 火焰喷枪、热障涂层热循环测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火焰喷枪、热障涂层热循环测试方法及测试系统，该测试方法可形成方形火焰并进行高精度火焰热冲击考核，包括：通过枪内燃气混合及均匀密排出气方式，形成温度均匀方形火焰；通过气控系统和电控系统的联动控制，实现涂层试样内形成特定温度梯度条件下的试样加热与冷却全过程精确控制。实现以上测试方法配套的测试系统包括试验系统、气控系统和电控系统，本发明提供的测试方法和测试系统既可以保障测试中方形涂层试样表面温度的均匀性，又可以对试样正面升温时间、保温温度、保温时间、冷却时间、冷却温度的全过程进行精确自动控制，进而满足方形涂层试样精确控温火焰热循环测试需求。

Description

火焰喷枪、热障涂层热循环测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及高温涂层性能测试技术领域，尤其是涉及一种火焰喷枪、热障涂层热循环测试方法及测试系统。

背景技术

航空发动机与地面燃气机的不断发展，对材料尤其是高温涂层的要求不断提高。高温涂层几乎覆盖这类发动机内部所有高温部件的表面。在高温环境中，一些热端部件如燃烧室内部涂层需要经受高温燃气热循环服役环境。国内外对涂层的高温燃气热循环性能的考核已经有较成熟的试验设备和考核方法，较常见的是利用高温火焰加热涂层表面，材料背面由压缩空气进行冷却，在材料内部形成温度梯度，这符合发动机很多高温部件内部冷却的工况。目前的这类设备均采用直径不超过30毫米的圆形火焰枪形成圆形火焰对小圆形试片进行热循环考核，由于这种圆形火焰直径小，热量集中，因此人们无需过多关注试片表面温度的均匀性。然而，对于如较大叶片或燃烧室内壁等部件，为满足温度均匀性更高要求的涂层的燃气热循环考核，必须使用方形大火焰。但这种方形大火焰的主要技术难题是不好控制燃气均匀性。

另外，目前的燃气火焰热循环方法基本只关注最高加热温度和冷却温度，现有设备也可以对保温时间进行自动化控制，但是不能实现对加热时间、保温温度、保温时间、冷却时间、冷却温度全闭环过程的精确控制。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种热障涂层热冲击用的火焰喷枪，能够保障燃气温度的均匀性。

本发明的目的之二在于提供一种热障涂层热循环测试方法，满足温度均匀性更高要求、更高精度要求的涂层性能与寿命考核。

本发明的目的之三在于提供一种实现上述热障涂层热循环测试方法的测试系统。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种热障涂层热冲击用的火焰喷枪，所述火焰喷枪的头端部具有焰气孔，所述焰气孔包括第一焰气孔和第二焰气孔，所述第一焰气孔呈矩形阵列排布，每相邻的四个所述第一焰气孔构成的矩形对角线交点处设置有第二焰气孔；相邻的两个所述第一焰气孔之间的距离、相邻的两个所述第二焰气孔之间的距离、相邻的所述第一焰气孔与所述第二焰气孔之间的距离均相同；

所述火焰喷枪内注有燃气和助燃气，所述火焰喷枪能够形成横截面为方形的火焰。

第二方面，本发明提供了一种热障涂层热循环测试方法，包括：利用上述火焰喷枪对涂层试样进行热循环测试。

进一步的，热障涂层热循环测试方法包括以下步骤：

（a）对所述火焰喷枪点火，形成横截面为方形的火焰；

（b）对涂层试样的正面加热至预设保温温度并保温预设保温时间；

（c）在预设保温时间内，对涂层试样的背面进行冷却，使涂层试样内形成温度梯度；

（d）保温结束后，对涂层试样的正面进行冷却至预设冷却温度；

（e）冷却结束后，重复步骤（b）-步骤（e），直至循环次数达到预设值或涂层失效后停止。

第三方面，本发明提供了一种实现上述热障涂层热循环测试方法的测试系统，包括试验系统、气控系统和电控系统；

试验系统包括试验台，所述试验台上依次设置背冷装置、涂层试样、正冷装置和上述火焰喷枪；

所述火焰喷枪能够在所述试验台上滑动，靠近或远离所述涂层试样的正面；所述背冷装置面对所述涂层试样的背面，所述正冷装置面对所述涂层试样的正面；

气控系统提供压缩空气、燃气和助燃气，所述压缩空气分别与所述背冷装置和所述正冷装置独立地连通，用于控制所述背冷装置和所述正冷装置对所述涂层试样进行冷却，所述燃气和所述助燃气均与所述火焰喷枪连通，用于控制所述火焰喷枪对所述涂层试样进行加热；

电控系统包括程序控制器，所述程序控制器与所述气控系统和所述试验系统电连接，用于接收所述试验系统和所述气控系统的通信信号并将其转化为控制信号控制所述试验系统和所述气控系统。

进一步的，所述试验台上安装有试样夹具，用于夹持所述涂层试样；

所述试验台上安装有滑轨，所述滑轨上安装有滑动支架，所述火焰喷枪安装于所述滑动支架上；

所述电控系统还包括：电动装置，所述电动装置与滑动支架连接，所述电动装置与程序控制器电连接，用于控制滑动支架滑动。

进一步的，所述背冷装置具有背冷气孔，所述背冷气孔的排布方式与所述火焰喷枪的焰气孔的排布方式相同；

所述背冷气孔的孔直径为0.5~0.8mm，相邻两个所述背冷气孔之间的距离为0.5~0.8mm；

所述正冷装置斜向面对所述涂层试样的正面，所述正冷装置具有正冷气孔，所述正冷气孔呈上密下疏梯形阵列分布，每行正冷气孔数量比上一行数量少一个；

优选地，所述正冷气孔的孔直径为0.5~0.8mm。

进一步的，所述试验系统还包括：水冷管和点火器，所述水冷管和所述点火器均位于所述火焰喷枪的头部；

所述点火器与所述程序控制器电连接，用于控制点火器对所述火焰喷枪进行点火；

所述电控系统还包括：水冷机，所述水冷机与所述水冷管连通，所述水冷机与所述程序控制器电连接，用于控制水冷管对所述火焰喷枪进行冷却。

进一步的，所述试验系统还包括：火焰监测器、红外测温仪和热电偶；

火焰监测器用于监测火焰状态；

红外测温仪用于监测所述涂层试样的正面温度；

热电偶用于监测所述涂层试样的背面温度；

火焰监测器、红外测温仪和热电偶均与所述程序控制器电连接；

所述气控系统包括：相连通的背冷压力阀和背冷气体流量计、相连通的正冷压力阀和正冷气体流量计、相连通的燃气压力阀和燃气气体流量计以及相连通的助燃气压力阀和助燃气气体流量计；

所述背冷压力阀和所述背冷气体流量计与所述背冷装置连通，所述背冷气体流量计与所述程序控制器连接，用于控制所述背冷装置的压缩空气的压力和流量；

所述正冷压力阀和所述正冷气体流量计与所述正冷装置连通，所述正冷气体流量计与所述程序控制器连接，用于控制所述正冷装置的压缩空气的压力和流量；

所述燃气压力阀和所述燃气气体流量计与所述火焰喷枪连通，所述燃气气体流量计与所述程序控制器电连接，用于控制所述火焰喷枪的燃气的压力和流量；

所述助燃气压力阀和所述助燃气气体流量计与所述火焰喷枪连通，所述助燃气气体流量计与所述程序控制器电连接，用于控制所述火焰喷枪的助燃气的压力和流量。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的火焰喷枪的焰气孔采用特殊排布方式，且燃气内部混合（一般火焰喷枪是燃气外混合），保障了燃气温度的均匀性。通过使用具有方形阵列焰气孔设计的方形火焰喷枪，实现了对涂层试样的均匀加热。

作为优选效果，本发明优选提供的测试方法和测试系统既可以保障测试中涂层试样表面温度的均匀性，又可以对试样正面升温时间、保温温度、保温时间、冷却时间、冷却温度的全过程进行精确自动控制，进而满足涂层试样精确控温火焰热循环测试需求，有效提高涂层试样火焰热冲击性能测试和热循环寿命考核的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的热障涂层热循环测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热障涂层热循环测试系统中气孔的结构示意图，其中（a）为火焰喷枪上的焰气孔的结构示意图，（b）为背冷装置上的背冷气孔的结构示意图，（c）为正冷装置上的正冷气孔的结构示意图；

图3为不同排布的火焰喷枪焰气孔形成的热量场模型，其中（a）为简单式排布的焰气孔的热量场模型，（b）为本发明实施例提供的密排式排布的焰气孔的热量场模型。

图标：100-试验系统；200-气控系统；300-电控系统；1-试验台；2-试样夹具；3-涂层试样；4-红外测温仪；5-热电偶；6-背冷装置；7-正冷装置；8-火焰喷枪；9-水冷管；10-点火器；11-滑动支架；12-滑轨；13-火焰监测器；14-背冷气体流量计；15-背冷压力阀；16-正冷气体流量计；17-正冷压力阀；18-燃气气体流量计；19-燃气压力阀；20-助燃气气体流量计；21-助燃气压力阀；22-水冷机；23-电动装置；24-程序控制器；25-焰气孔；251-第一焰气孔；252-第二焰气孔；26-背冷气孔；27-正冷气孔。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于如较大叶片或燃烧室内壁等部件，为满足温度均匀性更高要求的燃气热循环考核，必须使用方形大火焰。但这种方形大火焰的主要技术难度是如何控制燃气均匀性，这需要独特的火焰喷枪设计。另外，目前的燃气火焰热循环方法基本只关注最高加热温度和冷却温度，现有设备也可以对保温时间进行自动化控制，但是不能实现对加热时间、保温温度、保温时间、冷却时间、冷却温度全闭环过程的精确控制，因为这要求自动化编程时必须考虑气动装置和电动装置更高程度的耦合联动。因此，本发明提出了可实现燃气热循环全过程自动化控制的测试方法和设备，以满足更高精度要求的涂层性能与寿命考核。

如图1所示，本发明实施例提供的精确控温方形火焰涂层热循环测试系统，包括：试验系统100、气控系统200和电控系统300。

试验系统100包括试验台1，试验台1上从左至右侧依次安装有背冷装置6、试样夹具2、正冷装置7、滑轨12。

气控系统200提供压缩空气、燃气和助燃气（例如氧气），压缩空气分别与背冷装置6和正冷装置7独立地连通，用于控制背冷装置6和正冷装置7对方形涂层试样3进行冷却，燃气和助燃气均与火焰喷枪8连通，用于控制火焰喷枪8对方形涂层试样3进行加热。

电控系统300包括水冷机22、程序控制器24，程序控制器24与气控系统200和试验系统100电连接，用于接收试验系统100和气控系统200的通信信号并将其转化为控制信号控制试验系统100和气控系统200。也就是说，程序控制器24用于程序控制，可通过与其他硬件的传感连接实现火焰点火、燃气和助燃气流量监控、火焰喷枪移动、加热温度监控、背冷温度监测、火焰状态监测、水冷控制。

试样夹具2用于夹持方形涂层试样3。

背冷装置6面对方形涂层试样3的背面，在本实施例中，背冷装置6设计有方形阵列背冷气孔26，用于均匀冷却方形涂层试样3背面，背冷气孔26排布如图2中（b）所示。背冷气孔26呈均匀六角密排形式（如图中实线所示，具体与如下所述的焰气孔的排布类似），孔直径0.5~0.8毫米（0.5、0.6、0.7、0.8mm），相邻背冷气孔之间距离0.5~0.8毫米（0.5、0.6、0.7、0.8mm）。

正冷装置7面对方形涂层试样3的正面，在本实施例中，正冷装置7呈一定角度（正冷装置表面中心与试样中心相对）斜对着试样，正冷装置上偏上方的冷却孔距离试样上端距离要大于下方冷却孔距离试样下端距离，因此设计上密下疏的气孔分布。即正冷装置7设计有梯度式方形阵列正冷气孔27，用于均匀冷却方形涂层试样3正面，正冷气孔27排布如图2中（c）所示；其中密排气孔出气量较大，可对准方形涂层试样3上端，以弥补冷却距离较远造成的上端冷却速度慢现象，疏排气孔出气量较小，可对准方形涂层试样3下端；正冷气孔27的孔直径0.5~0.8毫米，第一排两个气孔之间1mm左右，第一排与第二排之间距离1mm左右，第二排比第一排少一个，以此类推，每排比上一排少1个气孔。

滑轨12上安装有可滑动式滑动支架11，滑动支架11上安装有火焰喷枪8；火焰喷枪8能够在试验台1上滑动，靠近或远离方形涂层试样3的正面。

火焰喷枪8与燃气和助燃气连接，火焰喷枪8通过点火器10实现点火（点火器电连程序控制器24，以控制点火，火焰喷枪8头部通过水冷管9与水冷机22连接并实现冷却（水冷机22电连程序控制器24，以控制出水）。

火焰喷枪8的焰气孔25包括第一焰气孔251和第二焰气孔252，第一焰气孔251呈矩形阵列排布，每相邻的四个第一焰气孔251构成的矩形对角线交点处设置有第二焰气孔252。相邻的两个第一焰气孔251之间的距离、相邻的两个第二焰气孔252之间的距离、相邻的第一焰气孔251与第二焰气孔252之间的距离均相同。如图2中（a）所示，焰气孔25呈方形阵列排布，呈均匀六角密排形式（如图中实线所示）。即焰气孔25的排布位置是相邻六个焰气孔之间能够组成正六边形结构。

结合热量场模型阐述设置如上排布的焰气孔所形成的方形火焰原理：

如图3所示，其中（a）为简单式排布的焰气孔的热量场模型，（b）为本发明实施例提供的密排式排布的焰气孔的热量场模型。每个实心点代表一个火焰点，每个火焰点发射小火焰，形成热量场。

从图中可以看出，通过采用六角密排式焰气孔形成的热量场分布均匀，即在其空间任取一点（包括边线上），其热值相同。而传统的简单式焰气孔所形成的热量场分布不均，中间热值低。本发明的密排式焰气孔分布能够形成温度均匀的方形火焰。

火焰喷枪内注入燃气和助燃气，点火形成的火焰的横截面呈方形，该方形火焰可实现对方形涂层试样3正面均匀加热。

在本实施例中，第一焰气孔251和第二焰气孔252的直径均独立地为0.1-0.3mm（0.1、0.2、0.3mm）；在本实施例中，相邻的两个第一焰气孔251之间、相邻的两个第二焰气孔252之间、相邻的第一焰气孔251与第二焰气孔252之间的距离独立地为0.3-0.5mm（0.3、0.4、0.5mm）。

在本实施例中，试验系统100还包括：火焰监测器13、红外测温仪4和热电偶5；火焰检测器位于试样与夹具侧面并对准试样表面；红外测温仪位于火焰喷枪滑轨旁边并对准试样表面；热电偶的端头与试样背面接触。火焰监测器13用于监测火焰状态；红外测温仪4用于监测方形涂层试样3正面温度；热电偶5用于监测方形涂层试样3背面温度。火焰监测器13、红外测温仪4和热电偶5均与程序控制器24电连接。

在本实施例中，气控系统200包括4组气体压力阀和气体流量计，具体包括：

背冷压力阀15，用于实现对背冷装置6用压缩空气压力的调节；

背冷气体流量计14，用于实现对背冷装置6用压缩空气流量的调节；

正冷压力阀17，用于实现对正冷装置7用压缩空气压力的调节；

正冷气体流量计16，用于实现对正冷装置7用压缩空气流量的调节；

燃气压力阀19，用于火焰喷枪8用燃气压力的调节；

燃气气体流量计18，用于火焰喷枪8用燃气气体流量的调节；

助燃气压力阀21，用于火焰喷枪8用助燃气压力的调节；

助燃气气体流量计20，用于火焰喷枪8用助燃气气体流量的调节；

背冷压力阀15和背冷气体流量计14与所述背冷装置6连通，用于控制背冷装置6的压缩空气的压力和流量；背冷气体流量计14可以选择性地与程序控制器24连接，即可以手动，也可以自动。

正冷压力阀17和正冷气体流量计16与正冷装置7连通，用于控制正冷装置7的压缩空气的压力和流量；正冷气体流量计16可以选择性地与程序控制器24连接，即可以手动，也可以自动。

燃气压力阀19和燃气气体流量计18与火焰喷枪8连通，燃气气体流量计18与程序控制器24连接，用于控制火焰喷枪8的燃气的压力和流量；

助燃气压力阀21和助燃气气体流量计20与火焰喷枪8连通，助燃气气体流量计20与程序控制器24电连接，用于控制火焰喷枪8的助燃气的压力和流量。

在本实施例中，电控系统300还包括电动装置23；电动装置23与滑动支架11连接，电动装置23与程序控制器24电连接，用于为滑动支架11的前后滑动提供动力。

利用本发明的测试系统，为实现方形火焰对方形涂层试样的正面均匀加热，背面压缩空气对方形涂层试样的背面均匀冷却，进而形成对试样的具有特定温度梯度的方形火焰热冲击测试，可采用以下方式：

A.使用具有方形阵列排布焰气孔25的方形火焰喷枪8，火焰喷枪8内注入燃气和助燃气，两种气体在火焰喷枪8内混合并由焰气孔25喷出，混合气被点火器10点燃后形成具有方形外观的火焰。

B.方形火焰对准方形涂层试样3的正面进行火焰冲击，通过燃气气体流量计18和助燃气气体流量计20调节燃气和助燃气流量，当两种气体的总流量达到20L/min及以上时，方形火焰的焰流变得笔直明亮，在特定的加热距离内火焰横截面呈现规则方形，在此加热距离内可以实现方形涂层试样3正面的均匀加热，试样正面温度不均度（或叫正面温差，是指试样受热表面区域内的温度均匀性）小于5℃/cm²。

C.背面压缩空气由具有特定方形阵列背冷气孔26的背冷装置6形成，并对准方形涂层试样3的背面，实现方形涂层试样3背面的均匀冷却，试样背面温差小于5℃/cm²。

D.温度梯度是在方形涂层试样3内部形成，是通过方形涂层试样3正面温度、背面温度的调控来实现。其中正面温度的调控可通过燃气流量法和加热距离法实现。其中燃气流量法是在固定加热距离的条件下通过调节方形火焰喷枪8中燃气和助燃气的流量实现正面温度的调控。加热距离法是在固定燃气和助燃气流量的条件下通过调节加热距离实现正面温度的调控。正面温度由红外测温仪4监测。背面温度的调控是通过背冷压力阀15和背冷气体流量计14调节背面压缩空气的压力和流量实现。背面温度由热电偶5监测。根据试样材质和厚度的不同，正面与背面至少能够实现0-800℃温度梯度的精确控制，温差控制精度优于5%。当正面温度和背面温度稳定后，即形成了具有特定温度梯度的方形火焰热冲击环境。

利用本发明的测试系统，为实现方形涂层试样升温时间、保温时间、保温温度、冷却时间、冷却温度的全过程精确控制，进而更准确地进行方形涂层试样的热循环寿命考核，可采用以下方式：

A.通过对燃气气体流量计18、助燃气气体流量计20的控制，实现对火焰喷枪8用燃气和助燃气流量的控制；通过对正冷压力阀17和正冷气体流量计16的控制，实现对方形涂层试样3正面冷却用压缩空气气压和气量的控制；通过对背冷压力阀15和背冷气体流量计14的控制，实现对方形涂层试样3背面冷却用压缩空气气压和气量的控制；

B.通过程序控制器24上软件程序对系统中各传感器信号的收集、信号的反馈发送、机械部件的动作实现电器件的自动化控制。

C.通过以上燃气和助燃气流量及加热距离等参数的调节，实现方形涂层试样3正面升温时间的精确控制；通过程序控制器24给定保温时间数值，实现保温时间的精确控制；通过红外测温仪4监测试样正面温度、程序自动反馈调节燃气/助燃气流量或加热距离，实现保温温度的精确控制；通过正面冷却压缩空气压力和流量的调节，实现冷却时间的精确控制；通过程序控制器24给定冷却温度数值、红外测温仪4监测试样正面温度信号反馈，实现冷却温度的精确控制。通过以上步骤，实现温度与时间全过程精确控制。

D.在程序控制器24上设定加热方式、保温温度、保温时间、冷却温度、循环次数等数值，同时设置各气体的压力和流量，点击程序启动键即可进行温度和时间精确可控的热循环自动化考核，具体热循环过程包括：

（1）方形火焰喷枪8点火，同时方形涂层试样3背面冷却打开；

（2）方形火焰喷枪8向前移动，同时燃气/助燃气流量加大，形成笔直明亮的方形火焰，开始对方形涂层试样3正面进行均匀加热，进入升温过程，通过使用特定的加热距离和燃气/助燃气流量参数，可以精确控制升温时间；

（3）方形涂层试样3正面温度达到设定的保温温度后，进行保温时间计时，保温过程中方形涂层试样3内会形成稳定的温度梯度；

（4）保温时间结束后，方形火焰喷枪8向后移动，燃气/助燃气流量减小，同时方形涂层试样3正面冷却开启，进入冷却过程，通过使用特定的压缩空气压力和流量参数，可以精确控制冷却时间；

（5）方形涂层试样3正面温度达到设定的冷却温度后，火焰喷枪8再次向前移动进入下个加热循环，同时循环次数数值加1；

（6）重复以上（2）-（5）过程；

（7）当循环次数达到设定值或通过手动停止方式可结束热循环考核过程。

本发明实施例还提供一种精确控温方形火焰涂层热循环测试方法，包括：

S1、形成方形火焰：通过枪内燃气混合及均匀密排出气方式，形成温度均匀方形火焰，实现对方形涂层试样的正面均匀加热，温度均匀度优于5℃/cm²；

在本实施例中，使用具有方形阵列排布焰气孔的方形火焰喷枪8，喷枪内注入燃气和助燃气，两种气体在喷枪内混合并由焰气孔喷出，混合气被点燃后形成具有方形外观的火焰。

进一步地，使用具有方形阵列密排焰气孔的方形火焰喷枪，焰气孔直径0.1~0.3毫米，焰气孔采用方形整列排布，呈均匀六角密排形式，焰气孔之间距离0.3~0.5毫米。火焰喷枪内注入燃气和助燃气，两种气体在喷枪内均匀混合后由焰气孔喷出。

由焰气孔喷出的均匀混合燃气被点燃后形成具有方形外观的火焰，该火焰温度分布均匀。

方形火焰对准方形涂层试样的正面进行火焰冲击，系统自动调节燃气和助燃气流量，当两种气体的总流量达到20L/min及以上时，方形火焰的焰流变得笔直明亮，火焰横截面呈现规则方形，实现方形试样正面的均匀加热，试样正面温度均匀度优于5℃/cm²。

S2、高精度火焰热冲击考核：通过气控系统和电控系统的联动控制，实现涂层试样内形成特定温度梯度条件下的试样加热与冷却全过程精确控制，温度控制精度优于10℃，时间控制精度优于10s，完成高精度火焰热循环考核。

在本实施例中，气控系统和电控系统的联动控制，包括：气控系统的控制是通过对燃气、助燃气流量计的控制，实现对喷枪用燃气和助燃气流量的控制；通过对各压缩空气压力阀和流量计的控制，实现对试样正面冷却和背面冷却用压缩空气气压和气量的控制；电控系统的控制是通过软件程序对系统中各传感器信号的收集、信号的反馈发送、机械部件的动作实现电器件的自动化控制。

在本实施例中，通过涂层试样内形成特定温度梯度，包括：特定温度梯度是在方形涂层试样内部形成，是系统通过对试样正面温度和背面温度的自动调控来实现。其中正面温度的调控可通过系统自动调节燃气流量或加热距离来实现。背面温度的调控是通过系统自动调节背面压缩空气的流量实现。根据试样的不同，正面与背面至少能够实现10-800℃的特定温度梯度的精确控制，温差控制精度优于10℃。

在本实施例中，试样加热与冷却全过程精确控制，包括：在试样加热和冷却过程中实现方形涂层试样正面升温时间、保温温度、保温时间、冷却时间、冷却温度的全过程精确控制，进而实现试样加热与冷却全过程精确控制。各参数精确控制方式如下：

升温时间精确控制：系统通过对燃气和助燃气流量、加热距离等参数的自动反馈调节，实现方形涂层试样正面升温时间的精确控制，控制精度优于10s；

保温温度精确控制：系统通过红外仪监测试样正面温度、程序自动反馈调节燃气/助燃气流量或加热距离，实现保温温度的精确控制，控制精度优于10℃；

保温时间精确控制：系统通过程序面板给定保温时间数值，通过自动计时方式实现保温时间的精确控制，控制精度优于10s；

冷却时间精确控制：系统通过自动调节喷枪后移速率或正面冷却气体流量，实现冷却时间的精确控制，控制精度优于10s；

冷却温度精确控制：系统通过程序面板给定冷却温度数值、红外仪监测试样正面温度信号自动反馈调节，实现冷却温度的精确控制，控制精度优于10℃。

具体地，高精度火焰热循环考核，包括：

在程序控制器上设定加热方式、保温温度、保温时间、冷却温度、冷却时间、循环次数等数值，点击程序启动键即可进行温度和时间精确可控的热循环自动化考核，具体热循环过程包括：

（1）方形火焰喷枪点火，同时试样背面冷却打开；

（2）方形火焰喷枪向前移动，同时燃气/助燃气流量加大，形成笔直明亮的方形火焰，开始对方形涂层试样正面进行均匀加热，进入升温过程，系统通过自动调节加热距离或燃气流量等参数，实现在设定保温时间内达到保温温度；

正面加热时控制燃气和助燃气的总流量20-100L/min（例如30、40、50、60、70、80、90 L/min），加热距离10-200mm（例如20、50、60、80、90、100、120、130、150、160、180、200mm）；

（3）试样正面温度达到设定的保温温度后，系统自动进行计时，在保温时间计时过程中，系统自动调节背冷气流量，使试样内会形成特定的温度梯度；

背面冷却时控制压缩空气的压力0.1-10MPa（例如0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 MPa），压缩空气的流量0.1-100L/min（例如1、2、10、20、30、40、50、60、70、80、90 L/min）；

（4）保温时间计时结束后，方形火焰喷枪自动向后移动且燃气/助燃气流量自动调小。同时试样正面冷却开启，进入冷却过程，系统根据冷却时间和温度自动调节喷枪后移速度和正面冷却气体流量，使试样正面温度在设定冷却时间内冷却至冷却温度；

正面冷却时控制火焰喷枪与试样之间的距离200-1000mm（200、300、400、500、600、800mm），压缩空气的压力0.1-10MPa（例如0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 MPa），压缩空气的流量0.1-100L/min（例如1、2、10、20、30、40、50、60、70、80、90 L/min）；

（5）当试样正面温度达到设定的冷却温度后，火焰枪再次向前移动且燃气/助燃气流量自动调大，进入下个加热循环，同时循环次数数值自动加1；

（6）重复以上（2）-（5）过程；

（7）当循环次数达到设定值或涂层失效时通过手动停止方式可结束热循环考核过程。

本发明通过使用具有方形阵列焰气孔设计的方形火焰喷枪和方形阵列冷却气孔的冷却装置，实现了对方形涂层试样的正面均匀加热及背面均匀冷却；通过调控燃气/助燃气、压缩空气的气压和气流量、加热距离等实现了方形涂层试样温度梯度精确可控；通过气控系统和电控系统的联动控制，实现了升温时间、保温时间、保温温度、冷却时间、冷却温度的全过程精确控制，使得方形涂层试样的火焰热冲击测试更能够反映出实际工况下发动机燃烧室内壁、机匣内壁等热障/封严涂层经受高温火焰热冲击环境，从而使涂层性能测试和寿命考核更加可靠和准确。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种热障涂层热冲击用的火焰喷枪，其特征在于，所述火焰喷枪的头端部具有焰气孔，所述焰气孔包括第一焰气孔和第二焰气孔，所述第一焰气孔呈矩形阵列排布，每相邻的四个所述第一焰气孔构成的矩形对角线交点处设置有第二焰气孔；相邻的两个所述第一焰气孔之间的距离、相邻的两个所述第二焰气孔之间的距离、相邻的所述第一焰气孔与所述第二焰气孔之间的距离均相同；

所述火焰喷枪内注有燃气和助燃气，所述火焰喷枪能够形成横截面为方形的火焰。

2.根据权利要求1所述的火焰喷枪，其特征在于，所述第一焰气孔和所述第二焰气孔的直径均独立地为0.1-0.3mm；

相邻的两个所述第一焰气孔之间的距离、相邻的两个所述第二焰气孔之间的距离、相邻的所述第一焰气孔与所述第二焰气孔之间的距离均独立地为0.3-0.5mm。

3.一种热障涂层热循环测试方法，其特征在于，包括：利用权利要求1或2所述的火焰喷枪对涂层试样进行热循环测试。

4.根据权利要求3所述的热障涂层热循环测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）对所述火焰喷枪点火，形成横截面为方形的火焰；

（b）对涂层试样的正面加热至预设保温温度并保温预设保温时间；

（c）在预设保温时间内，对涂层试样的背面进行冷却，使涂层试样内形成温度梯度；

（d）保温结束后，对涂层试样的正面进行冷却至预设冷却温度；

（e）冷却结束后，重复步骤（b）-步骤（e），直至循环次数达到预设值或涂层失效后停止。

5.根据权利要求4所述的热障涂层热循环测试方法，其特征在于，步骤（b）中，正面加热时控制燃气和助燃气的总流量20-100L/min，加热距离10-200mm；涂层试样的正面温差小于5℃/cm²；

步骤（c）中，通过压缩空气对涂层试样的背面进行冷却，冷却时控制压缩空气的压力0.1-10MPa，压缩空气的流量0.1-100L/min；方形涂层的正面和背面的温度差在10-800℃；

步骤（d）中，通过压缩空气对涂层试样的正面进行冷却，冷却时控制火焰喷枪与试样之间的距离200-1000mm，压缩空气的压力0.1-10MPa，压缩空气的流量0.1-100L/min。

6.一种实现权利要求3-5任一项所述的热障涂层热循环测试方法的测试系统，其特征在于，包括试验系统、气控系统和电控系统；

试验系统包括试验台，所述试验台上依次设置背冷装置、涂层试样、正冷装置和所述火焰喷枪；

所述火焰喷枪能够在所述试验台上滑动，靠近或远离所述涂层试样的正面；所述背冷装置面对所述涂层试样的背面，所述正冷装置面对所述涂层试样的正面；

所述气控系统提供压缩空气、燃气和助燃气，所述压缩空气分别与所述背冷装置和所述正冷装置独立地连通，用于控制所述背冷装置和所述正冷装置对所述涂层试样进行冷却，所述燃气和所述助燃气均与所述火焰喷枪连通，用于控制所述火焰喷枪对所述涂层试样进行加热；

所述电控系统包括程序控制器，所述程序控制器与所述气控系统和所述试验系统电连接，用于接收所述试验系统和所述气控系统的通信信号并将其转化为控制信号控制所述试验系统和所述气控系统。

7.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述试验台上安装有试样夹具，用于夹持所述涂层试样；

所述试验台上安装有滑轨，所述滑轨上安装有滑动支架，所述火焰喷枪安装于所述滑动支架上；

所述电控系统还包括：电动装置，所述电动装置与滑动支架连接，所述电动装置与程序控制器电连接，用于控制滑动支架滑动。

8.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述背冷装置具有背冷气孔，所述背冷气孔的排布方式与所述火焰喷枪的焰气孔的排布方式相同；

所述背冷气孔的孔直径为0.5~0.8mm，相邻两个所述背冷气孔之间的距离为0.5~0.8mm；

所述正冷装置斜向面对所述涂层试样的正面，所述正冷装置具有正冷气孔，所述正冷气孔呈上密下疏梯形阵列分布，每行正冷气孔数量比上一行数量少一个；

所述正冷气孔的孔直径为0.5~0.8mm。

9.根据权利要求7所述的测试系统，其特征在于，所述试验系统还包括：水冷管和点火器，所述水冷管和所述点火器均位于所述火焰喷枪的头部；

所述点火器与所述程序控制器电连接，用于控制点火器对所述火焰喷枪进行点火；

所述电控系统还包括：水冷机，所述水冷机与所述水冷管连通，所述水冷机与所述程序控制器电连接，用于控制水冷管对所述火焰喷枪进行冷却。

10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征在于，所述试验系统还包括：火焰监测器、红外测温仪和热电偶；

火焰监测器用于监测火焰状态；

红外测温仪用于监测所述涂层试样的正面温度；

热电偶用于监测所述涂层试样的背面温度；

火焰监测器、红外测温仪和热电偶均与所述程序控制器电连接；

所述气控系统包括：相连通的背冷压力阀和背冷气体流量计、相连通的正冷压力阀和正冷气体流量计、相连通的燃气压力阀和燃气气体流量计以及相连通的助燃气压力阀和助燃气气体流量计；

所述背冷压力阀和所述背冷气体流量计与所述背冷装置连通，用于控制所述背冷装置的压缩空气的压力和流量；

所述正冷压力阀和所述正冷气体流量计与所述正冷装置连通，用于控制所述正冷装置的压缩空气的压力和流量；

所述燃气压力阀和所述燃气气体流量计与所述火焰喷枪连通，所述燃气气体流量计与所述程序控制器连接，用于控制所述火焰喷枪的燃气的压力和流量；

所述助燃气压力阀和所述助燃气气体流量计与所述火焰喷枪连通，所述助燃气气体流量计与所述程序控制器电连接，用于控制所述火焰喷枪的助燃气的压力和流量。

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