自制酸奶发酵剂杨丽;谭明;周文峰;周益春
【摘 要】Objective To develop experimental simulation system for the erosion service environment of thermal barrier coatings, so as to study the erosion failure mechanism.Methods An oxy-fuel burner was developed to simulate high-temperature erosion of TBCs, and a particle feeding system with controllable speed and flow of particles was designed in the burner. Meanwhile, an acoustic emission system capable of real-time monitoring crack evolution was integrated in the de-vice.Results This system realized the simulation of the erosion service environment of thermal barrier coatings, the simultane-ous collection, output and display of temperature field, crack evolution damage parameters, and accomplished the integrated de-sign of erosion service environment simulation and real-time monitoring of critical damage parameters.Conclusion This device can successfully simulate different experimental conditions such as room or high temperature, various impact angles and various particle velocities. Besides, this device can provide systematic d
amage parameters monitoring data for the understanding of ero-sion failure and the preparation optimization of TBCs.%目的：通过研制热障涂层冲蚀服役环境的模拟装置，来研究冲蚀失效机制。方法通过研制模拟热障涂层高温热冲击的燃气喷，在喷中设计速度、流量可控的颗粒送料系统，同时在装置中集成裂纹演化实时检测的声发射系统。结果该系统实现了热障涂层冲蚀服役环境的模拟，温度场、裂纹演化损伤参量的同步采集、输出与显示，从而完成了冲蚀服役环境模拟与关键损伤参量实时检测的一体化设计。结论装置能完成热障涂层常温、高温等各种服役温度、各种冲蚀角度、各种冲蚀速度等条件下的模拟试验，并提供较为系统的损伤参量检测数据，为理解热障涂层的冲蚀机理、优化其设计制备提供有效的试验数据。
【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2016(013)003
【总页数】9页(P48-56)
【关键词】热障涂层;冲蚀;无损检测;航空发动机
智能拼图【作 者】推力反向器杨丽;谭明;周文峰;周益春
【作者单位】湘潭大学 材料科学与工程学院 装备用关键薄膜材料及应用湖南省国防科技重点实验室，湖南 湘潭 411105; 湘潭大学 材料科学与工程学院 低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湖南 湘潭 411105;湘潭大学 材料科学与工程学院 装备用关键薄膜材料及应用湖南省国防科技重点实验室，湖南 湘潭 411105; 湘潭大学 材料科学与工程学院 低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湖南 湘潭 411105;湘潭大学 材料科学与工程学院 装备用关键薄膜材料及应用湖南省国防科技重点实验室，湖南 湘潭 411105; 湘潭大学 材料科学与工程学院 低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湖南 湘潭 411105;湘潭大学 材料科学与工程学院 装备用关键薄膜材料及应用湖南省国防科技重点实验室，湖南 湘潭 411105; 湘潭大学 材料科学与工程学院 低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湖南 湘潭 411105
【正文语种】中 文
热回收【中图分类】TJ04;V232.4
燃气涡轮发动机是航空飞行器的核心，发动机的关键参数是其推重比。随着推重比的提高，发动机的燃气进口温度不断提高，到第四代战斗机时，燃气进口温度已经达到了1650 ℃。目前涡轮叶片等高温部件所用的是最先进的单晶材料，其许用温度为1150 ℃。采用先进的冷却气膜技术后，仍然不能满足先进航空发动机的发展需求，发展热障涂层隔热防护技术被认为是目前提高发动机服役温度最切实可行的方法[1—5]。热障涂层由承受机械载荷的镍基高温合金基底、增强结合力且抗氧化的中间过渡层、隔热的陶瓷涂层以及制备或服役时形成的界面氧化层组成。各层成分、界面微观结构极为复杂，各层之间热力学性能差异较大，且应用有热障涂层的热端部件如涡轮叶片的几何形状极为复杂、服役环境极其恶劣，造成涂层在无法预知的情况下发生开裂、剥落而失效。经过近半个世纪的研究，人们逐渐提炼出热障涂层高温氧化、CMAS腐蚀、冲蚀是造成涂层剥落的三大关键因素。其中冲蚀是指飞行过程中杂质颗粒对热障涂层表面的反复碰撞，从而造成涂层发生减薄、密实、脱落等失效[6—12]。研究热障涂层冲蚀的破坏机制，需要有试验装置能模拟粒子在高温下的冲蚀环境，这依靠传统的冲击或静态试验装置是不能实现的，而在实际的发动机上试车不仅浪费巨大的财力、物力，同时也因为粒子速度、角度、大小的不确定而失去机制分析的基本数据。因此，研制热障涂层冲蚀服役环境的模拟装置对热障涂层冲蚀失效的研究尤为迫切和关键。
目前国际上主要通过自主研发的试验模拟系统，如特殊的风洞装置、气体喷装置或是工业燃烧装置，在某一温度下将某一种或多种硬质颗粒以一定的角度、速度喷至热障涂层的陶瓷表面，结合扫描电镜观察、称量等检测手段研究热障涂层的冲蚀破坏机制。美国 NASA研究中心研制了马赫数为 0.3～1的高速燃气模拟装置[13]，通过气体热冲击并加入颗粒注入管道实现了热障涂层冲蚀失效的模拟。德国汉堡联邦国防军大学研制了高焓风洞试验模拟装置[14]，采用高温风洞装置携带颗粒以一定的角度、速度喷至热障涂层的表面，来模拟热障涂层的高温冲蚀失效。法国研制的 Turbomeca燃烧器装置[15]也能模拟热障涂层冲蚀失效的过程。我国目前还没有关于热障涂层冲蚀失效装置的报道。北京航空航天大学、西北工业大学、中科院长春应用化学研究所、湘潭大学、上海交通大学等单位针对热障涂层的试验模拟系统开展了研究，如中科院长春应用化学研究所曹学强等人研制了可控温热障涂层自动热循环仪[16]；西北工业大学张立同等人将常压亚音速风洞和材料性能实验机相结合研制出热障涂层的热震实验系统[17]；北京航天航空大学徐惠彬等人研制的热障涂层热力耦合服役环境模拟装置[18]；上海交通大学周洪等人研制了热障涂层抗热震性能测试装置[18]；湘潭大学前期也研制出了热障涂层高温热冲击的试验模拟系统[19—20]，但这些装置中都还没有实现热障涂层冲蚀环境的模拟。我国是沙尘、雾霾非常严重的电力系统谐波分析
国家，当热障涂层广泛应用于各种型号的发动机上后，冲蚀问题将变得非常严重。因此，我国迫切需要研制出具有自主知识产权的试验模拟装置，分析热障涂层的冲蚀破坏行为，为热障涂层材料的设计与制备工艺的优化提供指导。此外，国际上热障涂层的冲蚀失效均借助于称重法、厚度测量、显微组织及表面形貌的观察来分析，缺乏实时检测手段。如果能在热障涂层的冲蚀试验模拟系统中发展和集成对其失效过程实时检测的技术和手段，将能对热障涂层的冲蚀失效研究提供直接的依据。
基于此，文中研制了能模拟热障涂层高温热冲击的燃气喷，并且在喷中设计了速度、流量可控的颗粒送料系统，通过温度、颗粒流量的调控，实现常温以及各种温度下热障涂层冲蚀服役环境的模拟。不仅如此，装置还集成了热障涂层全场温度测量的红外测温采集系统、热障涂层失效过程检测的声发射实时测试系统，实现了热障涂层温度场、裂纹演化等关键参量的同步采集、输出与显示。尽管在热障涂层广泛应用的世界发达国家已经研制出热障涂层冲蚀装置，但其核心保密且禁止向我国出售，关键研制技术也绝对是核心保密的。此外，已报道的装置并没有涉及到热障涂层失效过程的实时检测方法。因此，该装置突破了国际上对我国冲蚀模拟装置的封锁，为分析热障涂层冲蚀失效机制提供了有效的实验手段。
探针测试1.1 装置总体研制目标与整体思路
该装置主要用于模拟热障涂层的冲蚀服役环境，故需要同时实现热障涂层高温环境和颗粒冲蚀环境的模拟。根据目前航空发动机的发展现状，涂层的服役温度一般为1100 ℃左右，且随着推重比的提升不断增高。据文献报道，冲蚀颗粒的速度大多与燃气进口高温气流的速度相似，一般为 250 m/s左右。为此，装置的最高设计温度确定为1700 ℃，冲蚀粒子的速度确定为20～300 m/s[21]，粒径范围确定为20～500 μm[22]。如图1所示，高温和冲蚀环境主要通过高温燃气喷及颗粒送料管道的设计来实现，同时需要设计热障涂层试样的夹持装置、试验操作平台，且温度、粒子速度、角度的测试与控制是必要的模块，这些模块构成硬件设计的基本模块。对于冲蚀失效的实时检测，需要在装置中完成无损检测模块的放置，线路的设计，数据的同步采集、输出与显示，后者主要通过调用原无损检测系统的软件部分来完成。此外，装置的外形结构、模块布局、电路设计也是需要完成的部分。
1.2 装置整体结构与关键模块设计方案
装置的主体硬件结构如图2所示，核心的模块由服役环境加载模块、试验测试平台、实时检测模块以及试验控制与采集显示等四个部分组成，各部分的研究方案如下所述。
1）服役环境加载模块。服役环境的加载包括高温和冲蚀两个部分。其中高温服役环境主要由高速火焰的燃气加热系统模拟实现，由高温燃气喷、燃烧室、气体供给系统、自动点火装置、冷却系统及其相应的控制系统组成，模拟热障涂层长时间高温、热疲劳或热冲击的服役环境。冲蚀服役环境由硬质颗粒的加料系统、加压系统、粒子速度测量、抽风除尘系统与控制系统构成，在燃气加热系统的高温燃气喷处设置连接口，将高温、冲蚀两个模块连接构成一个整体，即喷。
2）试验测试平台。试验测试平台主要供样品安装、测试、各个模块连接、无损检测模块放置、除尘等后处理的设置，如图3所示。样品13安装在夹具14上，夹具14则通过手柄15安装在测试平台操作区的底座上，且夹具14可旋转。测试平台的底部为无损检测模块的硬件放置区、冲蚀颗粒回收区以及各个模块连接线的连接部分。除尘系统16设计在装置测试平台的上部，实现对燃烧气体、冲蚀颗粒的排放。需要指出的是，装置的试样夹持部分设计了多种形状的连接口，以方便不同形状尺寸热障涂层样品的冲蚀试验，且可旋转的试样夹具14可以通过手动或自动调节角度，以分析不同冲蚀角度对热障涂层失效的影响。
3）检测模块。主要包含温度、粒子速度的测试与调控，裂纹萌生和扩展过程的声发射检测
与实时录像等。在温度场测量方面，根据热障涂层的几何形状，在加热区域、未加热区、基底自由表面放置多个热电偶，测量各个位置的温度。这些热电偶可以 360°旋转，以便自由的移动。同时采用可以自由移动的红外测温仪对各个位置、不同时间的温度进行测量，并将测量的温度实时反馈给控制系统，以调节喷的水平位移，实现温度的自动控制。在粒子速度的调控方面，采用带有滤光镜的高速摄像机对冲蚀过程进行拍摄，通过滤光镜滤出红外辐射的干扰，结合高速摄像机拍摄粒子运动过程的一系列图片计算出粒子的速度，并反馈给控制系统，进而控制粒子的流量。在裂纹萌生和扩展过程的声发射检测方面，将铂丝镶嵌在耐高温的陶瓷管内制作损伤声发射信号传输的波导杆，通过机械装置将波导杆固定在室壁上，一端与声发射仪的传感器连接，一端焊接在基底自由面上，实现失效过程的实时检测。
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