[發(fā)明專利]用于動態(tài)循環(huán)測試熱障涂層抗熱沖擊性能的高溫焰流裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310475477.0
• 申請日: 2013-10-12
• 公開（公告）號: CN103487345B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘興華;趙華玉;陶順衍;周霞明;楊凱;劉晨光;王亮;丁傳賢
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙)31261
• 代理人: 曹芳玲,姚佳雯

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱障涂層性能測試，具體地，涉及一種用于動態(tài)循環(huán)測試熱障涂層抗熱沖擊性能的高溫焰流裝置。

背景技術(shù)

提高航空發(fā)動機(jī)、尤其指航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱效率的重要途徑之一是提高該渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪入口燃?xì)鉁囟?。隨著航空發(fā)動機(jī)向更高推重比的方向發(fā)展，其渦輪入口燃?xì)鉁囟纫搽S之不斷攀升，即使在采用高效氣膜冷卻技術(shù)的前提下，高壓渦輪導(dǎo)向葉片的工作溫度也超過了目前高溫性能最優(yōu)異的單晶高溫合金葉片的可靠服役溫度。因此，在葉片的表面采用隔熱防護(hù)涂層（即熱障涂層）已成為解決這一問題的有效措施之一。

熱障涂層能夠顯著減少高溫燃?xì)庀蚋邷睾辖鹑~片基體傳遞的熱量，降低葉片表面溫度，并利于延長葉片服役壽命。熱障涂層技術(shù)已成為航空發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)之一。美國、歐盟和我國的航空發(fā)動機(jī)推進(jìn)計(jì)劃中均將熱障涂層技術(shù)列為與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)并重的高性能航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著高推重比航空發(fā)動機(jī)研制進(jìn)程的快速推進(jìn)，對具有耐高溫、隔熱和抗熱沖擊等優(yōu)異性能的熱障涂層材料的需求愈加迫切。

其中，抗熱沖擊性能是衡量熱障涂層使役性能的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，直接關(guān)系到其可靠性和服役壽命。研制的熱障涂層材料能否滿足實(shí)際服役要求，需先期通過反復(fù)的地面臺架試車考核來驗(yàn)證。然而，研制的材料直接進(jìn)行臺架試車考核，未免成本高、周期長、風(fēng)險大。因此，為獲得熱障涂層材料使役性能的初步評價結(jié)果，亟待開展臺架試車考核前的模擬實(shí)際工況條件下的熱障涂層材料使役行為研究。

對于熱障涂層的抗熱沖擊性能測試，在高溫電爐靜態(tài)試驗(yàn)過程中，涂層和高溫合金基材處于同一溫場環(huán)境，與熱障涂層的實(shí)際服役工況條件差異較大，采用常規(guī)的氧/乙炔焰雖然可以對材料進(jìn)行高低溫循環(huán)沖擊測試，但焰流（火焰射流）徑向溫度梯度較大，不能滿足較大均恒溫場范圍的測試要求，將不可避免地造成試樣局部過熱，導(dǎo)致對涂層失效的誤判，因而不能真實(shí)反映涂層的抗熱沖擊性能。因此，亟需在能夠滿足較大均恒溫場范圍測試要求的裝置上開展模擬實(shí)際工況條件下的熱障涂層的抗熱沖擊性能測試。

目前，可進(jìn)行材料抗熱沖擊性能動態(tài)測試的設(shè)備多為自制，并無統(tǒng)一的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，不同設(shè)備的功能參數(shù)差別亦較大，且該類測試裝置用途具有特殊性，許多性能參數(shù)不予公開。目前可查到的資料顯示，國內(nèi)幾家科研院所搭建了以氧/煤氣或氧/乙炔焰流為熱源的測試裝置，煤氣、乙炔燃?xì)庋媪鞯臒犰手稻^低，加熱能力不強(qiáng)；而且，這幾家單位采用的是焰流噴嘴均為孔徑小于30 mm的單孔火焰噴嘴，火焰射流的束斑較小，且焰流徑向溫度梯度較大，所以焰流的有效測試區(qū)域直徑小于30 mm。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在的問題和不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于動態(tài)循環(huán)測試熱障涂層抗熱沖擊性能的高溫焰流裝置，可以具有較小徑向溫度梯度的均恒溫場焰流，并且能夠使多個試樣并行進(jìn)行抗熱沖擊性能動態(tài)循環(huán)測試。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于動態(tài)循環(huán)測試熱障涂層抗熱沖擊性能的高溫焰流裝置，包括：用于安裝多個試樣的可轉(zhuǎn)動的試樣安裝單元；用于對所述試樣的涂層面進(jìn)行加熱的加熱單元，所述加熱單元具備至少一個具有呈同心圓環(huán)狀布置的多個焰芯的火焰噴嘴；用于對所述試樣進(jìn)行冷卻的冷卻單元；以及控制單元，所述控制單元配置為控制所述試樣安裝單元的轉(zhuǎn)動，以使所述多個試樣交替地進(jìn)行加熱和冷卻。

根據(jù)本發(fā)明，通過使火焰噴嘴形成為具有呈同心圓環(huán)狀布置的多個焰芯，可以使產(chǎn)生的焰流呈層流狀態(tài)，以獲得徑向溫度梯度小、溫場較為均恒的火焰射流，從而可有效地對熱障涂層抗熱沖擊性能進(jìn)行動態(tài)循環(huán)測試。又，通過設(shè)置安裝多個試樣的可轉(zhuǎn)動的試樣安裝單元，并通過控制單元控制該試樣安裝單元的轉(zhuǎn)動，從而可以使所述多個試樣交替地進(jìn)行加熱和冷卻。由此，能夠有效地使多個試樣并行地自動進(jìn)行抗熱沖擊性能動態(tài)循環(huán)測試。

具體地，本發(fā)明通過控制單元使加熱單元的火焰噴嘴對多個試樣中的至少一部分試樣的涂層面進(jìn)行噴焰加熱后，通過轉(zhuǎn)動試樣安裝單元，使冷卻單元對加熱后的該至少一部分試樣的涂層面進(jìn)行冷卻，且在冷卻的同時對多個試樣中的剩余的試樣的涂層面進(jìn)行噴焰加熱。從而，本發(fā)明可以有利于在進(jìn)行模擬航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片熱障涂層材料服役工況條件下的涂層材料試樣抗熱沖擊性能的自動循環(huán)測試。

又，在本發(fā)明中也可以是，所述火焰噴嘴的孔徑為30 mm～50 mm。

根據(jù)本發(fā)明，采用直徑30 mm～50 mm的大孔徑火焰噴嘴，可以使該火焰噴嘴所產(chǎn)生的焰流的束斑較大，有利于對熱障涂層的抗熱沖擊性能進(jìn)行更有效的動態(tài)循環(huán)測試。