[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1699994A [43]公开日2005年11月23日
[21]申请号200510085467.1[22]申请日2005.07.21
[21]申请号200510085467.1
[71]申请人北京航空航天大学
地址100083北京市海淀区学院路37号
[72]发明人宫声凯 张春霞 徐惠彬 [74]专利代理机构北京永创新实专利事务所代理人周长琪
[51]Int.CI 7G01N 33/00G01N 35/00G01M 19/00
权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 4 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明公开了一种热障涂层服役环境模拟装置
及其模拟环境的控制方法，该装置包括材料力学性
电性能交流阻抗谱测试设备、温度采集设备和夹具，
该装置能够同时进行加热、加力和腐蚀的环境模拟，
并且可以实现温度与机械载荷同步上升、保持、同
步下降，解决了现有环境模拟装置中只能模拟单一
环境状况的缺陷；该模拟环境的控制方法，可以根
据航空发动机的工作特点控制环境模拟参数。对航
空发动机启动、巡航和关闭过程温度迅速上升，保
持在较高温度水平和温度下降过程以及在整个过程
中伴随的载荷的增加，疲劳或蠕变载荷和载荷的下
降过程进行耦合模拟，并可对腐蚀性气氛的含量进
行控制实现对热障涂层服役环境的模拟。
200510085467.1权 利 要 求 书第1/3页 1、一种热障涂层服役环境模拟装置，包括材料力学性能试验机、红外快速加热设备、声发射设备、材料电性能交流阻抗谱测试设备和温度采集设备，其特征在于：还包括夹具，所述夹具由上夹具(1)和下夹具(2)、上波纹管(103)和下波纹管(203)以及石英管(3)构成，上夹具(1)和下夹具(2)、上波纹管(103)和下波纹管(203)为一体加工成型件，且上夹具(1)和下夹具(2)结构相同，上波纹管(103)和下波纹管(203)结构相同；
所述上夹具(1)上设有凸台(102)、上波纹管(103)，凸台(102)与上波纹管(103)之间设有冷却气体排出的排气嘴(104)，与冷却气体排气嘴(104)相导通的是空心通孔(111)，空心通孔(111)端部是与试样(4)螺纹连接的试样连接端(112)，上夹具(1)与所述材料力学性能试验机通过设有外螺纹的上连接端(101)实现将试样(4)固紧于材料力学性能试验机上；所述上波纹管(103)上设有上支撑盘(109)、波纹旋管，上波纹管(103)的中心是空心通孔(111)，上波纹管(103)通过端盖固紧在上夹具(1)的支撑台(109)上实现与上夹具(1)
的连接，支撑盘(109)上设有用于腐蚀性气体排出的排出嘴(105)、实现温度采集的热电偶(403)连接的第一连接端(108)、实现交流阻抗电极(401)连接的第一连接端(106)和实现声发射的波导管(402)连接的第一连接端(107)；石英管(3)的一端密封套接在上波纹管(103)的支撑盘(109)上；
所述下夹具(2)上设有凸台(202)、下波纹管(203)，凸台(202)与下波纹管(203)之间设有冷却气体进入的进气嘴(204)，与冷却气体进气嘴(204)相导通的是空心通孔(212)，空心通孔(212)端部是与试样(4)螺纹连接的试样连接端，下夹具(2)与所述材料力学性能试验机通过设有外螺纹的下连接端(201)实现将试样(4)固紧于材料力学性能试验机上；所述下波纹管(203)上设有下支撑盘(209)、波纹旋管(210)，下波纹管(203)的中心是空心通孔(212)，下波纹管(203)通过端盖(211)固紧在下夹具(2)的支撑台(209)上实现与下夹具(2)的连接，支撑盘(209)上设有用于腐蚀性气体进入的进气嘴(205)、实现温度采集的热电偶(403)连接的第二连接端(208)、实现交流阻抗电极(401)连接的第二连接端(206)和实现声发射的波导管(402)连接的第二连接端(207)；
石英管(3)的一端密封套接在下波纹管(203)的支撑盘(209)上；
试样(4)的表面涂覆有热障涂层(5)，热障涂层(5)上安装有电极(401)和热电偶(403)，波导管(402)安装在试样(4)上。
2、根据权利要求1所述的热障涂层服役环境模拟装置，其特征在于：温度采集设备分别与两个热电偶(4
03)连接，实现隔热效果的原位测试。
3、根据权利要求1所述的热障涂层服役环境模拟装置，其特征在于：材料电性能交流阻抗谱测试设备与两个金属电极(401)连接，实现热障涂层材料微观结构性能测试。
4、根据权利要求1所述的热障涂层服役环境模拟装置，其特征在于：声发射设备与两个波导管(402)连接，实现热障涂层(5)内部裂纹的萌生与扩展及裂纹的定位的动态信息原位测试。
5、根据权利要求1所述的热障涂层服役环境模拟装置，其特征在于：模拟环境控制方法步骤有：
步骤一，连接各设备
各设备的连接组合成一个热障涂层服役环境模拟系统，在此系统中可以对各模拟参数进行设定，以及动态信号采集进行参数设定，所述的动态记录能够为改善热障涂层材料的制备工艺提供实验依据，为热障涂层材料的优化设计提供了实验参数。 步骤二，对试样进行热-力耦合模拟
(A)充入冷却气体
冷却气体通过下夹具(2)的进气嘴(204)进入通孔(111)中，并由上夹具
(1)的排气嘴(104)排出，形成一个气冷却系统；
(B)对试样进行热冲击加热，启动红外快速加热设备对试样进行加热，升温速率控制在50～150℃/s，使试样表面的温度达到1000～1800℃并保持恒定2～10min；在启动红外快速加热设备的同时启动材料力学性能试验机，在升温的过程中载荷以0～5kN/s的速度增加到0～100kN，在温度保持的过程中施加疲劳、蠕变等载荷；
(C)对试样进行热冲击冷却，调解红外快速加热设备，降低试样表面温度，将温速率控制在50～150℃/s，使试样表面温度达到室温并保持恒定2～10min；在降温的过程中以0～5kN/s的速度降低材料力学性能试验机对试样施加的载荷，试样表
面温度到达室温后，载荷减小到0；
(D)在启动红外快速加热设备与材料力学性能试验机的同时启动温度采集设备、声发射设备和材料电性能交流阻抗谱测试设备，并记录模拟过程中的载荷信号、温度信号、声发射信号和交流阻抗信号。用声发射信号对裂纹形成与扩展进行分析，用交流阻抗谱信号对热障涂层微观组织结构的演变过程进行分析； 重复(B)步骤和(C)步骤使石英管(3)中的试样(4)处于加热-冷却-再加热-再冷却的过程，完成热-力耦合试验模拟；
步骤三，腐蚀性气氛模拟
将腐蚀性气体通过设在下波纹管支撑盘(209)上的进气嘴(205)进入石英管(3)内，并由上波纹管支撑盘(109)上的排出嘴(105)导出，通过调节腐蚀性气体的流量及压力，使石英管(3)内的腐蚀性气分压达到0～0.01M P a。
6、根据权利要求5所述的热障涂层模拟环境服役控制方法，其特征在于：能够模拟热障涂层在冷热环境、腐蚀环境和机械载荷条件下的动态过程。
7、根据权利要求5所述的热障涂层模拟环境服役控制方法，其特征在于：调节冷却气体流量以及加热温区尺寸，获得径向及轴向温度梯度。
200510085467.1说 明 书第1/9页热障涂层服役环境模拟装置及模拟环境控制方法
技术领域
本发明涉及一种模拟环境状况的装置及环境模拟的控制方法，具体地说，是指一种适用于航空涡轮发动机的叶片上的热障涂层材料的服役环境模拟装置及模拟环境控制方法。本发明的服役环境模拟装置是具有快速升温、机械载荷加载、氧化腐蚀性气氛可控、具有原位测试功能的热障涂层服役环境模拟试验平台。
背景技术
到目前为止，人们对热障涂层的研究认为，热障涂层的失效是发生在粘结层与陶瓷层之间由于高温氧化所形成的热氧化生长层内，其原因主要是由于陶瓷层与粘结层之间的热不匹配热应力与热氧化层形成所产生的残余应力的共同作用所致。需要指出的是，这些结果和分析基本上是基于在平衡的热状态下，即稳定的温度场的环境中获得的，对于在热障涂层的表面以及各层之间温度梯度这一动态过程对热障涂层失效行为的影响研究的内容较少。另一方面，在失效过程的研究中，多数研究者忽略了外加载荷的影响，在航空发动机的叶片上的热障涂层的使用过程中，高温恒定载荷(蠕变)、高温下的交变载荷(高低周疲劳)对热障涂层失效行为及使用寿命的影响及作用如何进行的，对研究开发适用于航空发动机的叶片上的热障涂层提供可靠的数据，并为热障涂层材料设计与优化，生产工艺的改进与发展具有重要的指导意义。 目前国际上对热障涂层的服役性能主要采用①单管燃烧器；②高温风洞实验；③发动机试车台等方式进行评价。这几种方法虽然可以较好地模拟航空发动机的实际工作环境，但是①经济性差；②不易获得；③缺乏(甚至无法)对热障涂层试验的过程信息的获取或原位检测，因此很难用于基础研究。如何采用经济有效的方法和手段对热障涂层的服役环境行为进行表征，是该领域研究工作中直接面临的问题。 航空发动机的叶片上的热障涂层的工作环境具有如下的一些特点： 1)温度高。在现有的冷却技术条件下，发动机的叶片上的热障涂层的工作温度最高可达2000K，低温可达2000K；
2)升温速率快。航空发动机从点火到进入工作状态所需时间以秒计时，一般巡航时间为30～60min；
3)各方向的温度梯度。由于空心气流冷却，和不规则的外形，航空发动机的叶片的径向与表面存在较大
的温度梯度；
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