CN112945766B - 高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的等效验证试验方法，将等效试验试样放置在等效试验台上，在高温高压高频工况下对涂层正向加载压应力，进行可靠性试验当涂层断裂时，实现验证；其中，等效试验试样包括基体以及设置在基体上的热防护涂层；等效试验台包括上夹具与下夹具；下夹具上设置有导轨，导轨上设置有滑块，滑块上竖直设置有用于放置试样的滚柱，滚柱上方设置有上夹具，上夹具底端设置有用于对试样施加载荷的压头。本发明从非平衡导热方程和弯曲应力公式入手进行等效弯曲试样尺寸计算，然后进行弯曲疲劳试验。本发明原理清楚，试验简单，等效性好，周期大幅度缩短，对试验条件要求较低。

Description

高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法

技术领域

本发明属于热防护涂层可靠性研究领域，具体涉及一种高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法。

背景技术

柴油发动机因为其扭矩大、经济性能好的优点，被广泛用于各种大型机械、车辆设备上。为了降低柴油机的热损失，可对其燃烧室采取隔热处理，从而大幅度减少柴油机的散热量，一方面可以增加能量的利用率，另一方面可以减小冷却系统的体积甚至取消冷却系统，对于发动机的装备更新具有极其重要的意义。在燃烧室表面制备热防护涂层是重要的隔热措施之一。热防护涂层可以保证基体材料在更高温度下工作，同时保护基体免受氧化腐蚀的破坏，从而延长基体材料的使用寿命。

柴油机燃烧室热防护涂层的工况十分恶劣，除承受高温燃气冲蚀以外，还受到高频的交变热应力作用，即热防护涂层表面经受高温、高外加压力、高频交变内应力的疲劳过程。以上工况对涂层可靠性提出了极高的要求。目前在航空发动机领域，对热防护涂层的可靠性验证手段主要是采用火焰热冲击试验，即用高温火焰灼烧涂层的表面，同时用高压的空气或水冷却基体背部，循环往复直至涂层失效。该方法的使用较为广泛，可以产生较高的试验温度，但是加热周期相对较长，且温度分布不够均匀，难以模拟高温、高压、高频传热工况。因此，提出一种新的验证高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的方法尤为必要。

发明内容

本发明针对热防护涂层在瞬时最高温度为500℃以上、涂层承受最大压力在20MPa以上、温度和压力交变频率为10Hz以上的热-力耦合的苛刻工况(如柴油发动机的燃烧室)，目的是提供一种等效疲劳试验方法高效、准确的高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法，将等效试验试样放置在等效试验台上，在高温高压高频工况下对涂层正向加载压应力，进行可靠性试验当涂层断裂时，表明涂层失效，实现验证；其中，等效试验试样包括基体以及设置在基体上的热防护涂层；等效试验台包括上夹具与下夹具；下夹具上设置有导轨，导轨上设置有滑块，滑块上竖直设置有用于放置试样的滚柱，滚柱上方设置有上夹具，上夹具底端设置有用于对试样施加载荷的压头。

本发明进一步的改进在于，滚柱之间设置有加热板。

本发明进一步的改进在于，压头两侧均设置有阻挡板。

本发明进一步的改进在于，高温高压高频工况为热防护涂层在瞬时最高温度为500℃以上、涂层承受最大压力在20MPa以上、温度和压力交变频率为10Hz以上的服役工况。

本发明进一步的改进在于，等效试验试样的尺寸通过以下过程计算得到：

等效试验试样长度为设定值，根据涂层顶面应力和底面应力分别代入到式(6)中，得到等效试验试样的宽带和高度；

其中，σ为应力，E₁为涂层弹性模量，M为弯矩，D为截面总刚度，k_u为涂层和基体的结合系数，h_s为共同中性面到涂层中部的距离，P为瞬时爆燃压力，l为压头的长度，E为涂层弹性模量，E₁为基体弹性模量；a为涂层的宽度，b为涂层的厚度，a₁为基体的宽度，b₁为基体的厚度，且a＝a₁。

本发明进一步的改进在于，涂层顶面应力和底面应力均通过下式得到：

式中，α为线膨胀系数，E为涂层弹性模量，T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数，y为厚度，c为等效试验试样涂层的半厚度。

本发明进一步的改进在于，T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数通过以下过程得到：假定涂层的内部温度分布为线性，根据涂层的顶面温度和底面温度，得涂层温度分布随厚度变化的函数T(y)。

本发明进一步的改进在于，涂层的顶面温度和底面温度均通过下式得到：

T＝θ(x,t)+T₀

式中，θ(x,t)为过余温度，T₀为活塞初始温度，x为涂层中任意截面的位置。

本发明进一步的改进在于，过余温度θ(x,t)通过下式计算得到：

式中，θ₀为参考温度，n为方程的根的阶数，i_n为超越方程的根，F₀为傅里叶数，x为涂层中任意截面的位置，t为传热时间，δ为实际涂层的半厚度。

本发明进一步的改进在于，傅里叶数F₀通过下式得到：

式中，a为热扩散率，t为传热时间，δ为涂层的半厚度；

超越方程的根i_n通过下式得到：

式中，δ为涂层的半厚度，h为换热系数，λ为热导率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明针对现有传统的热防护涂层可靠性验证方法周期长，难以高频加热，完全无法验证高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的缺点，采用全新的验证方法，在将材料力学和传热学理论相结合，从等效转化的思路出发，充分考虑到了涂层在高温高压高频条件下的实际工况，进行温度场和应力场的计算；并创新性地采用弯曲疲劳实验的方式，将高频热源引起的热应力、高压外载荷、高频周次的复合工况等效转换为机械负荷施加到试样上进行可靠性验证，试验可信性可靠性大幅度增加。同时降低试验成本，加速实验进程，有效地验证了涂层的可靠性，实现预测的目的，同时大大加速实验进程，为涂层可靠性评价提供了新思路和新方法。

附图说明

图1是本发明设计的验证高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的试验台应力计算原理示意图。

图2是本发明设计的验证高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的试验台正视图。

图3是本发明设计的验证高温高压高频工况下热防护涂层可靠性的试验台三维图。

图中，1为下夹具，2为导轨，3为滑块，4为加热板，5为试样，6为阻挡板，7为压头，8为上夹具，9为滚柱。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明做进一步详细说明，其仅在于解释而不是限定。

参见图1，本发明中，高温高压高频工况是指：热防护涂层在瞬时最高温度为500℃以上、涂层承受最大压力在20MPa以上、温度和压力交变频率为10Hz以上的服役工况，例如柴油发动机的燃烧室。

燃油燃烧时，活塞经受快速热冲击，燃气可以看作一种流体，因此涂层和流体进行热交换，可以认为属于第三类边界条件，应当用下面的非稳态导热方程描述：

式中：a为热扩散率，T为温度，t为传热时间。由于涂层为有限厚度h的平板，根据传热学教材对这类问题的分析，可以认为，在快速热冲击过程中：

其中，θ₀为参考温度，θ(x,t)为过余温度，即活塞的初始温度和柴油燃烧时缸内温度之差，n为方程的根的阶数，x为涂层中任意截面的位置。其中的i_n为下面的超越方程的根：

其中，δ为涂层的半厚度。h为换热系数，λ为热导率。

F₀为傅里叶数，定义为：

式中，a为热扩散率，t为传热时间，δ为实际涂层的半厚度，即为热防护涂层厚度的一半。

由式(3)-(4)的结果代入式(2)可以求出涂层经受热冲击后内部的温度分布。

根据热应力和热弹性的相关理论，对于两侧温度分布不均匀的平板，其热应力分布为：

其中，α为线膨胀系数，E为涂层的弹性模量，c为等效试验试样涂层的半厚度。T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数。由(2)式解得的温度分布代入(5)，即得应力σ。

参见图1，对于平板而言，热应力和弯曲变形有密切关系。假想一块平板，若给其一侧加热，则该侧为高温侧，产生膨胀。相对的另一侧为低温侧，产生压缩。也即平板两侧不均匀的温度分布使得它产生弯曲。热应力的产生实际上是抵抗弯曲的结果。因此只要反向弯曲，就可以近似等效出热应力。

在导热的初始阶段，温度是近似线性变化的，则热应力也应是近似线性变化的。在弯曲试验中，弯曲应力线性变化。因此，此式求得的热应力可以通过弯曲试验的方法近似实现。

考虑涂层相对基体较薄，

此时任意截面应力可以按下式求得：

式中，E₁为涂层弹性模量，D为截面总刚度，M为弯矩，k_u为涂层和基体的结合系数，h_s为共同中性面到涂层中部的距离。在式(5)中，表达式中的弯矩M和刚度D由试样的长宽高决定，因此可以通过调整试样的长宽高，从而改变试样中的弯矩，并使得弯曲应力的分布和式(5)中的热应力大致相同，达到模拟高频交变应力的目的。

对热防护涂层赋予可调的稳态温度场以及能在大范围频率范围内以正弦波或直线波形式周期性变化的均匀载荷。

将试样固定在相关等效试验台上，然后在稳态温度场下对试样上的热防护涂层加载以正弦波或直线波形式周期性变化的均匀载荷，进行等效验证。

参见图2和图3，等效试验台包括上夹具8(高度100-300mm)，导轨2(长度200-500mm)，滑块3(高度50-150mm)，滚柱9(直径10-20mm，长度40-80mm)，压头7(长度60-150mm，高35-60mm)，下夹具1(直径20-40mm，长度100-200mm)，试样5(长100-300mm，宽20-40mm，高15-30mm)。

其中，下夹具1上设置有导轨2，导轨2上设置有能够沿导轨2滑动的滑块3，滑块3上设置有两根竖直设置的滚柱9，两根滚柱9之间设置有加热板4，滚柱8上方设置有上夹具8，试样5放置在滚柱9上，上夹具8底端设置有压头7，压头7两侧均设置有用于防止试样5损坏后溅出的阻挡板6，压头7用于对试样5施加载荷。

试验力的正向压力为均布载荷，均匀分布在按照图1的方法计算好长宽高的长方体表面的热防护涂层上。在该载荷的作用下，热防护涂层发生了弯曲。

采用加载频率范围为10-40Hz，即正向载荷以每秒10-40次的频率在0到最大值之间进行周期变化，波形为正弦波或直线波。

外加温度指外热源对涂层加温的温度，该外热源用以构建涂层在高频交变热源作用下形成的稳态温度场。

产生的弯曲应力和高频高温工况下涂层内部热应力分布一致；外加载荷和涂层在高压工况下的载荷一致；应力交变频率和涂层在高频热力耦合工况下的应力交变频率一致。

实施例1

本实施例为下面工况的热防护涂层：涂层材料为氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)，厚度2.0mm，位于燃烧室的活塞顶面。燃气温度为1300K，瞬时爆燃压力为30MPa，发动机转速为1500r/min，燃气的换热系数为1585W/(m²·K)。

通过图1所示的传热学计算和弯曲应力计算，过程如下：

采集发动机的热防护涂层厚度、燃气温度T_∞，活塞初始温度T₀，瞬时爆燃压力P(用于进行试样尺寸计算)、发动机转速n(用于求得传热时间t，加载频率，进而求得傅里叶数)，和换热系数h，查阅资料找到8YSZ的弹性模量、热导率λ和热膨胀系数，查表得到该工况下的热扩散率a。

将热导率λ、涂层的半厚度δ以及换热系数h代入到公式(3)，得到超越方程的根i_n。

其中，δ为实际涂层的半厚度，即为热防护涂层厚度的一半。h为换热系数，λ为热导率。

将超越方程的根i_n代入到公式(4)，得到傅里叶数F₀。

式中，a为热扩散率，t为传热时间(传热时间t根据计算发动机转速n得到，本发明中采用传热时间t为0.003s)，δ为实际涂层的半厚度。

将傅里叶数F₀，再代入下式，求得过余温度θ(x，t)，

式中，θ(x,t)为过余温度，θ₀为参考温度，n为方程的根的阶数，i_n为超越方程的根，F₀为傅里叶数，x为涂层中任意截面的位置，t为传热时间，δ为实际涂层的半厚度。

进而根据温度T＝θ(x,t)+T₀，T₀为活塞初始温度，当x＝δ时，求得涂层的顶面(x＝δ)的温度为437℃，当x＝-δ时，底面(x＝-δ)的温度T为222℃。因为涂层较薄，故假定涂层的内部温度分布为线性的，根据涂层的顶面温度和底面温度，得涂层温度分布随厚度变化的函数T(y)，将函数T(y)代入式(5)，求得顶面(y＝c)的应力σ为-32MPa，底面(y＝-c)的应力σ为32MPa。

式中，α为线膨胀系数，E为涂层弹性模量，T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数，y为厚度，c为等效试验试样涂层的半厚度。

将试样长度设定为200mm，将顶面应力和底面应力分别代入到式(6)中，

其中，E₁为涂层弹性模量，M为弯矩，D为截面总刚度，k_u为涂层和基体的结合系数，h_s为共同中性面到涂层中部的距离。P为瞬时爆燃压力，l为压头的长度，此处采用l＝100mm的压头；E为涂层弹性模量，E₁为基体弹性模量；a为涂层的宽度，b为涂层的厚度，a₁为基体的宽度，b₁为基体的厚度，且a＝a₁求得：等效试验试样的尺寸为基体以及基体上涂层的总尺寸，当基体的材料为钢时，等效试验试样的尺寸为：长为200mm，宽为30mm，高为19mm。

根据求得的尺寸，制得试样，再将该试样放置在等效试验台上，正向加载压应力为30MPa，加载频率为17HZ，应力加载波形为正弦波，以此进行可靠性试验。当涂层断裂时，即表明涂层失效，从而可靠性得到验证。

本发明针对热防护涂层在瞬时最高温度为500℃以上、涂层承受最大压力在20MPa以上、温度和压力交变频率为10Hz以上的热-力耦合的苛刻工况(如柴油发动机的燃烧室)，目的是提供一种等效疲劳试验方法高效、准确的高温高压高频工况下热防护涂层可靠性等效验证试验方法。

本发明从非平衡导热方程和弯曲应力公式入手进行等效弯曲试样尺寸计算，在疲劳试验机上进行弯曲疲劳试验。本发明原理清楚，试验简单，等效性好，周期大幅度缩短，对试验条件要求较低。本发明应用在热防护材料领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，大凡依本发明专利申请范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖范围内。

Claims (4)

1.高温高压高频工况下柴油发动机燃烧室热防护涂层可靠性等效验证试验方法，其特征在于，将等效试验试样放置在等效试验台上，在高温高压高频工况下对涂层正向加载压应力，进行可靠性试验当涂层断裂时，表明涂层失效，实现验证；其中，等效试验试样包括基体以及设置在基体上的热防护涂层；等效试验台包括上夹具(8)与下夹具(1)；下夹具(1)上设置有导轨(2)，导轨(2)上设置有滑块(3)，滑块(3)上竖直设置有用于放置试样的滚柱(9)，滚柱(9)上方设置有上夹具(8)，上夹具(8)底端设置有用于对试样(5)施加载荷的压头(7)；

等效试验试样的尺寸通过以下过程计算得到：

等效试验试样长度为设定值，根据涂层顶面应力和底面应力分别代入到式(6)中，得到等效试验试样的宽度和高度；

其中，σ为应力，E₁为涂层弹性模量，M为弯矩，D为截面总刚度，k_u为涂层和基体的结合系数，h_s为共同中性面到涂层中部的距离，P为瞬时爆燃压力，l为压头的长度，E为涂层弹性模量，E₁为基体弹性模量；a为涂层的宽度，b为涂层的厚度，a₁为基体的宽度，b₁为基体的厚度，且a＝a₁；

涂层顶面应力和底面应力均通过下式得到：

式中，α为线膨胀系数，E为涂层弹性模量，T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数，y为厚度，c为等效试验试样涂层的半厚度；

T(y)为涂层温度分布随厚度变化的函数通过以下过程得到：假定涂层的内部温度分布为线性，根据涂层的顶面温度和底面温度，得涂层温度分布随厚度变化的函数T(y)；

涂层的顶面温度和底面温度均通过下式得到：

T＝θ(x,t)+T₀

式中，θ(x,t)为过余温度，T₀为柴油发动机活塞初始温度，x为涂层中任意截面的位置；

过余温度θ(x,t)通过下式计算得到：

式中，θ₀为参考温度，n为方程的根的阶数，i_n为超越方程的根，F₀为傅里叶数，x为涂层中任意截面的位置，t为传热时间，δ为实际涂层的半厚度；

傅里叶数F₀通过下式得到：

式中，a为热扩散率，t为传热时间，δ为涂层的半厚度；

超越方程的根i_n通过下式得到：

式中，δ为涂层的半厚度，h为换热系数，λ为热导率。

2.根据权利要求1所述的高温高压高频工况下柴油发动机燃烧室热防护涂层可靠性等效验证试验方法，其特征在于，滚柱(9)之间设置有加热板(4)。

3.根据权利要求1所述的高温高压高频工况下柴油发动机燃烧室热防护涂层可靠性等效验证试验方法，其特征在于，压头(7)两侧均设置有阻挡板(6)。

4.根据权利要求1所述的高温高压高频工况下柴油发动机燃烧室热防护涂层可靠性等效验证试验方法，其特征在于，高温高压高频工况为热防护涂层在瞬时最高温度为500℃以上、涂层承受最大压力在20MPa以上、温度和压力交变频率为10Hz以上的服役工况。

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