CN114199673A - 一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法及其测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及涂层热冲击测试技术领域，具体公开了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法及其测试装置，所述测试方法包括：将被测涂层样品批量安装在样品环上，对各样品表面涂层进行热冲击测试，记录各样品表面涂层剥落达到约定面积比值时的冷热循环次数；通过上述测试方法，能够实现在同种条件下，同时对批量的涂层样品进行热冲击测试，测试效率高，测试结果可靠；本申请还提出了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，包括背面喷头环、样品环、正面喷头环、燃气总管和冷气总管；通过上述测试装置，能够实现在一台装置上进行批量涂层样品的同步测试，装置中的环状设计结构紧凑，既节省了设备制造成本，又降低了测试的运行成本，值得推广应用。

Description

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法及其测试装置

技术领域

本申请涉及涂层热冲击测试技术领域，更具体地说，它涉及一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法及其测试装置。

背景技术

在航空发动机高温热障涂层热冲击测试领域，航空发动机热端叶片工作温度高，现有金属材料很难满足使用要求，需要在叶片上涂覆高温热障涂层以保证叶片的使用寿命，高温热障涂层的研发水平直接影响航空发动机热端可达的最大温度。

高温热障涂层在研制过程中需要在不同温度下进行热冲击试验，火焰热冲击是对高温热障涂层性能测试的一种重要方法。美国NASA、欧洲Julish、Volvo等研究机构均搭建了相关燃气热冲击平台。我国矿冶科技集团、北航、西交大、广州有色院等也拥有相关测试设备。在实际应用中，目前这类社备基本上都是使用一把火焰喷枪，对准一件固定涂层试样进行加热（即“一枪一样”），通过热循环时间（包括加热时间和冷热时间）、进而实现对涂层试样的火焰热冲击性能测试。

相关技术中，“一枪一样”的测试设备及测试方法，无法满足试样量巨大的测试任务，存在测试方法单一、测试效率低、测试周期长等缺陷。另外，“一枪一样”的测试设备及测试方法，还会受周围环境变化和不可预期的设备燃气流量控制不稳定等因素影响，出现测试条件不一致，导致被测试样品最终的测试结果不一致；即存在测试参数可控性差，测试结果可靠性低等问题。

发明内容

为实现测试方法可变、测试参数可控、一枪多样测试，本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法及其测试装置，通过对批量涂层样品在同种条件下，同步进行热冲击性能测试，有效提升了测试效率和测试结果的可靠性。

第一方面，本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

S1、将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环上；

S2、利用位于样品环圆周外侧的正面喷头环中的各正面喷头喷出的正面燃气和正面冷气对各样品表面涂层进行热冲击测试；

S3、记录各样品表面涂层剥落达到约定面积比值时的冷热循环次数，即可获得同等考核条件下各涂层样品抗火焰热冲击循环性能。

通过采用上述技术方案，对批量涂层样品不间断地进行燃气火焰加热与正面压缩空气冷却的热冷交变冲击，实现了所有样品在同种条件下，同步进行热冲击性能测试，在保证测试条件一致性情况下，实现了样品的高通量测试，有效提升了测试效率和测试结果的可靠性。

优选的，所述步骤S1中转速范围为20秒/转~10分钟/转。

通过采用上述技术方案，控制转速在上述范围内，既能有效保证样品加热和冷却达到预定温度，又能实现加速测试的目的；火焰热冲击测试是一种加速测试，因此，当转速低于10分钟/转时，单次循环周期较长，失去了热冲击测试的意义；而当转速高于20秒/转时，样品加热和冷却都很难达到预定温度。

优选的，所述S2中正面燃气流量范围为5~30L/min，正面冷气压力范围为0.1~2.5MPa。

通过采用上述技术方案，正面燃气实现对样品表面涂层的加热，控制正面燃气的流量在上述范围内，既能避免流量过小造成的中途熄火，又能避免流量过大造成的火焰温度过高，对样品环造成烧损，安全性和实用性高；正面冷气实现对样品表面涂层的冷却，控制正面冷气压力在上述范围内，可实现样品温度在短时间内降至目标温度。

优选的，所述步骤S2中进行热冲击测试的同时，利用位于样品环内侧的背面喷头环对样品环进行冷却。

通过采用上述技术方案，既能避免温度过高造成样品环的烧损，又能够给被测涂层样品提供一个样品表面涂层经受高温燃气热冲击，同时内部或背部冷却的复杂严苛环境。

优选的，所述步骤S2中各独立的正面喷头通过燃气支管和冷气支管既与燃气源连通，又与压缩空气源连通，且燃气支管和冷气支管上均安装有阀门。

通过采用上述技术方案，当一个正面喷头的燃气支管阀门关闭，且其冷气支管阀门打开时，该正面喷头可被作为正面冷气喷头，并朝样品环喷射压缩空气进行冷却冲击；当一个正面喷头的冷气支管阀门关闭，且其燃气支管阀门打开时，该正面喷头可被作为正面燃气喷头，并朝样品环喷射高温燃气火焰进行加热冲击；确定某个正面喷头是用燃气还是冷气，由使用者对具体热循环试验条件的设计而定。

优选的，所述S3中一次冷热循环指样品环旋转一周，且一个冷热循环周期中，加热时间和冷却时间的比值为1:（N-1）~（N-1）:1，N为正面喷头的数量。

通过采用上述技术方案，通过切换阀门确定各正面喷头是喷正面燃气还是正面冷气，进而实现对具体热循环试验条件的设计，本申请试验参数设置组合具有多样性，调节方法具有灵活性，可提供多种测试方法。

优选的，所述步骤S3中约定面积比值范围为5~30%。

通过采用上述技术方案，5%是可观察到少量剥落时的值，对涂层剥落较为严苛的评判标准，超过30%剥落后，涂层基本失去了对火焰的抵抗能力，即认为涂层不再具有保护性。

第二方面，本申请还提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，包括支撑板，所述支撑板顶面由内到外依次设置有样品环、正面喷头环；

所述样品环与支撑板转动连接，样品环的外周面沿其周向依次开设有多个样品孔；

所述正面喷头环与支撑板固定连接，正面喷头环的内周面沿其周向依次设置有多个正面喷头；

每个所述正面喷头远离样品环的一端连通有三通管，所述三通管上连通有燃气支管和冷气支管；所述支撑板上安装有燃气总管和冷气总管；燃气支管与燃气总管相连通；冷气支管与冷气总管相连通；

所述燃气总管上连通有燃气进气管；所述冷气总管上连通有冷气进气管一；燃气支管和冷气支管上均安装有阀门。

通过采用上述技术方案，通过在样品环外圆周面设置多个样品孔，在正面喷头环内圆周面设置多个正面喷头，根据具体的热循环试验条件，利用阀门控制正面喷头选择喷燃气火焰或压缩冷空气，设定样品环转速，对样品表面涂层进行火焰热冲击性能测试；本申请测试装置采用环状设计，结果简单紧凑，节省了设备制造成本，该装置可同时实现对批量样品进行性能测试，测试效率高，测试运行成本低。

优选的，所述支撑板顶面固定连接有背面喷头环，背面喷头环位于样品环内，背面喷头环的外周面沿其周向依次开设置有多个背面喷头；所述支撑板的底面贯穿连接有冷气进气管二，所述冷气进气管二与背面喷头环相连通。

通过采用上述技术方案，在样品环圆周内设置背面喷头环，利用背面喷头环上开设的多个背面喷头，可以实现在进行热冲击测试的同时，对样品环进行冷却，既能避免温度过高造成样品环的烧损，又能够给被测涂层样品提供一个样品表面涂层经受高温燃气热冲击，同时内部或背部冷却的复杂严苛环境。

优选的，所述支撑板顶面连接有两个支撑架，所述燃气总管和冷气总管分别通过支撑架安装于支撑板。

通过采用上述技术方案，利用支撑架对燃气总管和冷气总管进行支撑固定，保证了装置结构的运行稳定性。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的测试方法操作简单，通过在样品环上批量安装样品，利用位于样品环圆周外侧的正面喷头环中的各正面喷头喷出的正面燃气和正面冷气，对各样品表面涂层进行不间断高温燃气火焰加热与正面压缩空气冷却的热冷交变冲击测试；该测试方法实现了批量样品在同种条件下，同步进行热冲击性能测试，大大提高了涂层样品的测试效率，实现了涂层样品的高通量测试考核，且所得测试结果不会受外界环境的影响，可靠性高。

2、本申请测试装置包括环状结构的样品环和正面喷头环，通过在样品环外圆周面设置多个样品孔，在正面喷头环内圆周面设置多个正面喷头，根据具体的热循环试验条件，利用阀门控制正面喷头选择喷燃气火焰或压缩冷空气，设定样品环转速，对批量的样品表面涂层进行火焰热冲击性能测试；本申请测试装置结果简单紧凑，节省了设备制造成本，该装置可同时实现对批量样品进行性能测试，测试效率高，测试运行成本低。

3、本申请通过切换阀门确定各正面喷头是喷正面燃气还是正面冷气，使得火焰热冲击考核方式更加丰富和灵活，可满足更多科学研究需求。

附图说明

图1为本申请的高通量火焰热冲击涂层性能测试装置结构示意图；

图2为图1中A部分的局部放大图；

图3为实施例中显示冷气进气管二的结构示意图；

图中：1、支撑板；2、背面喷头环；21、背面喷头；3、样品环；31、样品孔；4、正面喷头环；41、正面喷头；42、三通管；5、燃气总管；51、燃气支管；52、燃气进气管；6、冷气总管；61、冷气支管；62、冷气进气管一；7、支撑架；8、阀门；9、冷气进气管二。

具体实施方式

参照附图1-3，以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环3上，调节样品环3转速为5分钟/转；

打开背面喷头环2，利用位于样品环3内侧的背面喷头环2对样品环3进行冷却；

正面喷头环4由22个正面喷头41组成，将其中9个相邻正面喷头41与压缩空气源连通，同时断开其与燃气源的连通，进而形成9个正面空冷喷头；

将另外13个相邻正面喷头41与燃气源连通，同时断开其与压缩空气源的连通，进而形成13个正面燃气喷头；

调节各正面空冷喷头内压缩空气压力为0.5MPa，进而朝样品环3喷射压缩空气形成正面冷风；调节各正面燃气喷头内燃气流量为15L/min，点燃燃气，进而朝样品环3喷射高温燃气火焰形成正面燃气；

转动着样品环3上的各样品涂层表面，在一次5分钟的冷热循环周期内，同步经历时间比例为13:9的加热与冷却；

当测试几个冷热循环周期后（样品环转动次数即为样品经历的冷热循环次数），采用可移动式红外测温仪测量位于不同加热和冷却位置处样品表面的温度，进而可获得涂层样品加热温度和冷却温度；

记录各样品表面涂层出现20%面积剥落时的热循环次数，进而获得各样品的热循环寿命次数，比较各样品热循环寿命次数，即可获得同等测试条件下各涂层抗火焰热冲击循环性能。

实施例2

本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环3上，调节样品环3转速为2分钟/转；

打开背面喷头环2，利用位于样品环3内侧的背面喷头环2对样品环3进行冷却；

正面喷头环4由22个正面喷头41组成，将其中11个相邻正面喷头41与压缩空气源连通，同时断开其与燃气源的连通，进而形成11个正面空冷喷头；

将另外11个相邻正面喷头41与燃气源连通，同时断开其与压缩空气源的连通，进而形成11个正面燃气喷头；

调节各正面空冷喷头内压缩空气压力为1MPa，进而朝样品环3喷射压缩空气形成正面冷风；调节各正面燃气喷头内燃气流量为10L/min，点燃燃气，进而朝样品环3喷射高温燃气火焰形成正面燃气；

转动着样品环3上的各样品涂层表面，在一次2分钟的冷热循环周期内，同步经历时间比例为1:1的加热与冷却；

当测试几个冷热循环周期后（样品环转动次数即为样品经历的冷热循环次数），采用可移动式红外测温仪测量位于不同加热和冷却位置处样品表面的温度，进而可获得涂层样品加热温度和冷却温度；

记录各样品表面涂层出现10%面积剥落时的热循环次数，进而获得各样品的热循环寿命次数，比较各样品热循环寿命次数，即可获得同等测试条件下各涂层抗火焰热冲击循环性能。

实施例3

本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环3上，调节样品环3转速为4分钟/转；

打开背面喷头环2，利用位于样品环3内侧的背面喷头环2对样品环3进行冷却；

正面喷头环4由22个正面喷头41组成，正面喷头41中正面冷却喷头和正面燃气喷头的数量设置依次为：1冷+1热+2冷+2热+3冷+4热+4冷+5热；正面冷却喷头与压缩空气源连通，同时断开其与燃气源的连通；正面燃气喷头与燃气源连通，同时断开其与压缩空气源的连通；

调节各正面空冷喷头内压缩空气压力为1.5MPa，进而朝样品环3喷射压缩空气形成正面冷风；调节各正面燃气喷头内燃气流量为20L/min，点燃燃气，进而朝样品环3喷射高温燃气火焰形成正面燃气；

转动着样品环3上的各样品涂层表面，在一次4分钟的冷热循环周期内，同步经历时间比例为6:5的加热与冷却；

当测试几个冷热循环周期后（样品环转动次数即为样品经历的冷热循环次数），采用可移动式红外测温仪测量位于不同加热和冷却位置处样品表面的温度，进而可获得涂层样品加热温度和冷却温度；

记录各样品表面涂层出现25%面积剥落时的热循环次数，进而获得各样品的热循环寿命次数，比较各样品热循环寿命次数，即可获得同等测试条件下各涂层抗火焰热冲击循环性能。

实施例4

本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环3上，调节样品环3转速为20秒/转；

打开背面喷头环2，利用位于样品环3内侧的背面喷头环2对样品环3进行冷却；

正面喷头环4由22个正面喷头41组成，正面喷头41中正面冷却喷头和正面燃气喷头的数量设置依次为：1冷+3热+2冷+4热+5冷+7热；正面冷却喷头与压缩空气源连通，同时断开其与燃气源的连通；正面燃气喷头与燃气源连通，同时断开其与压缩空气源的连通；

调节各正面空冷喷头内压缩空气压力为0.1MPa，进而朝样品环3喷射压缩空气形成正面冷风；调节各正面燃气喷头内燃气流量为5L/min，点燃燃气，进而朝样品环3喷射高温燃气火焰形成正面燃气；

转动着样品环3上的各样品涂层表面，在一次20秒的冷热循环周期内，同步经历时间比例为7:4的加热与冷却；

当测试几个冷热循环周期后（样品环转动次数即为样品经历的冷热循环次数），采用可移动式红外测温仪测量位于不同加热和冷却位置处样品表面的温度，进而可获得涂层样品加热温度和冷却温度；

记录各样品表面涂层出现5%面积剥落时的热循环次数，进而获得各样品的热循环寿命次数，比较各样品热循环寿命次数，即可获得同等测试条件下各涂层抗火焰热冲击循环性能。

实施例5

本申请提供了一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，采用如下的技术方案：

一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，具体包括以下步骤：

将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环3上，调节样品环3转速为10分钟/转；

打开背面喷头环2，利用位于样品环3内侧的背面喷头环2对样品环3进行冷却；

正面喷头环4由22个正面喷头41组成，正面喷头41中正面冷却喷头和正面燃气喷头依次间隔设置；正面冷却喷头与压缩空气源连通，同时断开其与燃气源的连通；正面燃气喷头与燃气源连通，同时断开其与压缩空气源的连通

调节各正面空冷喷头内压缩空气压力为2.5MPa，进而朝样品环3喷射压缩空气形成正面冷风；调节各正面燃气喷头内燃气流量为30L/min，点燃燃气，进而朝样品环3喷射高温燃气火焰形成正面燃气；

转动着样品环3上的各样品涂层表面，在一次10分钟的冷热循环周期内，同步经历时间比例为1:1的加热与冷却；

当测试几个冷热循环周期后（样品环转动次数即为样品经历的冷热循环次数），采用可移动式红外测温仪测量位于不同加热和冷却位置处样品表面的温度，进而可获得涂层样品加热温度和冷却温度；

记录各样品表面涂层出现30%面积剥落时的热循环次数，进而获得各样品的热循环寿命次数，比较各样品热循环寿命次数，即可获得同等测试条件下各涂层抗火焰热冲击循环性能。

对比例1

采用的测试方法与实施例1相同，区别仅在于样品环3转速为15秒/转，即一次冷热循环周期为15秒，结果显示，样品加热和冷却不能达到预定温度。

对比例2

采用的测试方法与实施例1相同，区别仅在于正面燃气流量为3L/min，结果导致火焰较小容易中途熄火，样品加热不能达到预定温度。

对比例3

采用的测试方法与实施例1相同，区别仅在于正面燃气流量为35L/min，结果火焰温度过高，造成样品环3烧损。

参照附图1-3，上述实施例和对比例中的测试方法所采用的高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，包括支撑板1，支撑板1顶面由内到外依次设置有样品环3、正面喷头环4；

样品环3与支撑板1转动连接，样品环3的外周面沿其周向依次开设有多个样品孔31；

正面喷头环4与支撑板1固定连接，正面喷头环4的内周面沿其周向依次设置有22正面喷头41；

每个正面喷头41远离样品环3的一端连通有三通管42，三通管42上连通有燃气支管51和冷气支管61；支撑板1上安装有燃气总管5和冷气总管6；燃气支管51与燃气总管5相连通；冷气支管61与冷气总管6相连通；

燃气总管5上连通有燃气进气管52；冷气总管6上连通有冷气进气管一62；燃气支管51和冷气支管61上均安装有阀门8；

支撑板1顶面固定连接有背面喷头环2，背面喷头环2位于样品环3内，背面喷头环2的外周面沿其周向依次设置有多个背面喷头21；支撑板1的底面贯穿连接有冷气进气管二9，冷气进气管二9与背面喷头环2相连通；

支撑板1顶面连接有两个支撑架7，燃气总管5和冷气总管6分别通过支撑架7安装于支撑板1。

上述高通量火焰热冲击涂层性能测试装置的实施原理为：将被测涂层样品安装在样品环3上的样品孔31内，样品涂层表面靠近正面喷头环4的一端；打开背面喷头环2，将压缩冷空气从冷气进气管二9输送至背面喷头环2内，通过背面喷头21对样品环3的背面进行冷却；

关闭燃气支管51上的阀门8，打开冷气支管61上的阀门8，将正面喷头环4中的正面冷气喷头与冷气进气管一62输送的压缩空气源连通；关闭冷气支管61上的阀门8，打开燃气支管51上的阀门8，将正面喷头环4中的正面燃气喷头与燃气进气管52输送的燃气源连通；

利用正面冷气喷头朝样品环3喷正面冷气，利用正面燃气喷头朝样品环3喷正面燃气火焰，实现对各样品表面涂层的热冷交变冲击测试。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、将被测涂层样品批量安装在可旋转且转速可调的样品环（3）上；

S2、利用位于样品环（3）圆周外侧的正面喷头环（4）中的各正面喷头（41）喷出的正面燃气和正面冷气对各样品表面涂层进行热冲击测试；

S3、记录各样品表面涂层剥落达到约定面积比值时的冷热循环次数，即可获得同等考核条件下各涂层样品抗火焰热冲击循环性能。

2.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S1中转速范围为20秒/转~10分钟/转。

3.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S2中正面燃气流量范围为5~30L/min，正面冷气压力范围为0.1~2.5MPa。

4.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S2中进行热冲击测试的同时，利用位于样品环（3）内侧的背面喷头环（2）对样品环（3）进行冷却。

5.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S2中各独立的正面喷头（41）通过燃气支管（51）和冷气支管（61）既与燃气源连通，又与压缩空气源连通，且燃气支管（51）和冷气支管（61）上均安装有阀门（8）。

6.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S3中一次冷热循环指样品环（3）旋转一周，且一个冷热循环周期中，加热时间和冷却时间的比值为1:（N-1）~（N-1）:1，N为正面喷头（41）的数量。

7.根据权利要求1所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法，其特征在于，所述步骤S3中约定面积比值范围为5~30%。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试方法所采用的高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，包括支撑板（1），其特征在于，所述支撑板（1）顶面由内到外依次设置有样品环（3）、正面喷头环（4）；

所述样品环（3）与支撑板（1）转动连接，样品环（3）的外周面沿其周向依次开设有多个样品孔（31）；

所述正面喷头环（4）与支撑板（1）固定连接，正面喷头环（4）的内周面沿其周向依次设置有多个正面喷头（41）；

每个所述正面喷头（41）远离样品环（3）的一端连通有三通管（42），所述三通管（42）上连通有燃气支管（51）和冷气支管（61）；所述支撑板（1）上安装有燃气总管（5）和冷气总管（6）；燃气支管（51）与燃气总管（5）相连通；冷气支管（61）与冷气总管（6）相连通；

所述燃气总管（5）上连通有燃气进气管（52）；所述冷气总管（6）上连通有冷气进气管一（62）；燃气支管（51）和冷气支管（61）上均安装有阀门（8）。

9.根据权利要求8所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，其特征在于，所述支撑板（1）顶面固定连接有背面喷头环（2），背面喷头环（2）位于样品环（3）内，背面喷头环（2）的外周面沿其周向依次设置有多个背面喷头（21）；所述支撑板（1）的底面贯穿连接有冷气进气管二（9），所述冷气进气管二（9）与背面喷头环（2）相连通。

10.根据权利要求8所述的高通量火焰热冲击涂层性能测试装置，其特征在于，所述支撑板（1）顶面连接有两个支撑架（7），所述燃气总管（5）和冷气总管（6）分别通过支撑架（7）安装于支撑板（1）。

Images