專利名稱：一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空工業(yè)中渦輪葉片性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在熱循環(huán)條件
下測試高溫部件熱疲勞性能和失效過程的方法，具體涉及的是一種用于航空渦輪發(fā)動機內(nèi)帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著航空發(fā)動機向高涵道比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發(fā)展，發(fā)動機的工作溫度越來越高，其渦輪進口溫度已成為衡量發(fā)動機性能好壞的一個關(guān)鍵性指標?，F(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機的渦輪進口溫度最高達到1800K甚至2000K(約1727攝氏度，超過大多數(shù)金屬材料的熔點)。為了滿足日益提高的航空渦輪發(fā)動機的工作溫度，目前主流的解決方法有第一，高溫渦輪葉片高效冷卻設(shè)計技術(shù)；第二，采用新的耐熱材料制造渦輪葉片；第三，通過改進葉片的制造工藝，挖掘現(xiàn)有葉片材料的耐熱潛力；第四，開發(fā)先進的隔熱涂層。其中開發(fā)先進的隔熱涂層技術(shù)是滿足未來航空發(fā)動機的高性能要求而需要重點解決的技術(shù)難題。研究表明鈷鉻鋁釔或鎳鈷鉻鋁釔物理氣相沉積涂層可隔離高溫燃氣，使基體避免了腐蝕、氧化和硫化作用，使渦輪實際工作溫度達1370攝氏度。陶瓷熱障涂層用于渦輪葉片的隔熱效果更好。目前已研制了兩代用于渦輪的陶瓷隔熱涂層。據(jù)報道，在普通鑄造合金制成的葉片上涂有254mm厚的氧化鋯涂層可使高溫合金表面溫度下降111-222。C，若應(yīng)用于第三代單晶合金并結(jié)合先進冷卻技術(shù)，可降溫350°C，因此發(fā)動機的渦輪進口溫度可能超過1850K。目前用于渦輪葉片的隔熱涂層有下述技術(shù)特點(l)涂層結(jié)構(gòu)采用粘結(jié)層和隔熱層復合涂層；(2)涂層成分粘結(jié)層多為MCrAlY，面層為氧化鋯涂層；(3)涂層工藝粘結(jié)層多用等離子噴涂工藝，陶瓷層用電子束物理氣相沉積工藝。 眾所周知，帶陶瓷涂層的葉片工作在航空渦輪發(fā)動機的渦輪機上，其工作環(huán)境極端惡劣，載荷大，溫度高，容易損壞。尤其是在高溫熱循環(huán)條件下，由于高溫氧化、材料參數(shù)不匹配、高溫材料變形、熱應(yīng)力等因素影響，帶涂層的葉片受到反復加載的熱應(yīng)力、高溫氧化和腐蝕的作用，通常出現(xiàn)開裂、脫落、界面分離等失效形式，大大降低了熱端部件的使用壽命，其中熱疲勞失效是影響帶涂層的葉片服役壽命和可靠性評估的重要方式。那么在高溫熱循環(huán)環(huán)境下，如何監(jiān)測帶陶瓷涂層葉片的變形分布、應(yīng)力分布、溫度場分布情況？如何觀測帶陶瓷涂層葉片的表面形貌變化、表面裂紋、界面裂紋情況？如何判定葉片上陶瓷涂層開裂、脫落的時間和位置？如何有效的評估葉片的熱疲勞性能和使用壽命？目前尚未見專門用于帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法的報道。相關(guān)類似的研究工作報道有三菱重工業(yè)株式會社弗里德里希等人提供一種用于定量評估渦輪葉片的疲勞壽命的渦輪葉片疲勞壽命評估方法(專利公開號CN1517691)。在該專利中，如果渦輪葉片縱向的蠕變伸長應(yīng)變小于初始長度的0.5%，則確定渦輪葉片在其疲勞壽命之內(nèi)；如果渦輪葉片縱向的蠕變伸長應(yīng)變?yōu)槌跏奸L度的0.5%或更大，則確定渦輪葉片超過其疲勞壽命。該專利主要對渦輪葉片的縱向容許應(yīng)變作了定義，不能測試整個葉片的變形情況，進而難以根據(jù)葉片的整體變形情況來預測其疲勞失效；同時還不能實現(xiàn)在高溫環(huán)境下實時測試葉片各個方
4向的變形情況，還沒有涉及到帶熱障涂層的葉片的熱疲勞失效。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述難題，本發(fā)明的目的是在模擬高溫熱循環(huán)加載環(huán)境下提供一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，為航空渦輪發(fā)動機內(nèi)帶涂層的葉片試樣熱疲勞失效和可靠性評估問題提供合理的解決方案。 為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是本發(fā)明涉及的測試裝置包括快速升溫和降溫系統(tǒng)、實時溫度測試采集系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)、非接觸式三維變形測試系統(tǒng)、聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)、復阻抗交流頻譜測試系統(tǒng)、試驗控制平臺等。 本發(fā)明涉及的測試方法主要包括在熱循環(huán)條件下實時測試帶熱障涂層的空心渦輪葉片試樣的溫度場(溫度梯度變化)、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴展、冷卻氣流量的方法。 本發(fā)明主要涉及一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，使用了ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)、聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)、計算機溫度采集系統(tǒng)、氧乙炔快速雙向加熱裝置，該方法包括以下關(guān)鍵步驟 (1)對帶熱障涂層的葉片試樣的陶瓷表面進行工藝處理，使被測試樣的陶瓷表面形成耐高溫的散斑場，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)的特征散斑場；
(2)設(shè)置和連接聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)將電極、波導管的一端分別焊接在所述被測試樣的陶瓷表面和兩端金屬基底上，把電極和波導管的另一端連接到聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)，然后把被測試樣固定在試驗控制臺的夾具上；
(3)調(diào)節(jié)熱電偶固定裝置，把多支熱電偶緊貼在被測試樣表面，每支熱電偶分別連接到計算機溫度采集系統(tǒng)，用來測試被測試樣不同區(qū)域的溫度，并啟動計算機和溫度采集軟件； (4)啟動ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)調(diào)節(jié)照明光源，并固定兩個呈"V"字擺放的攝像機，攝像機擺放夾角40-50° ;確定所關(guān)注被測試樣的區(qū)域；利用所述ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)配備的標定板對攝像機進行標定，確定兩個攝像機的幾何、光學參數(shù)，將空間坐標與攝像機坐標重合；標定完畢后，運行應(yīng)變測試軟件，設(shè)定ARAMIS測試軟件拍攝頻率，在線測試自動保存數(shù)據(jù)模式； (5)對所述試樣夾具和噴槍固定裝置采用水冷卻，對具有內(nèi)部冷卻通道的被測試樣通入冷卻氣流進行冷卻，對不具備冷卻通道的被測試樣忽略冷卻過程；
(6)設(shè)定被測試樣熱疲勞實驗的方式和要求； (7)啟動氧乙炔快速雙向加熱裝置，通過控制機械傳動開關(guān)，對被測試樣表面進行雙面快速加熱，升溫速率控制在IO(TC /s 300°C /s，使被測試樣表面溫度穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值，達到設(shè)定的保溫時間后；然后通過控制電機，停止加熱，使被測試樣表面冷卻，通過調(diào)節(jié)控制氧乙炔快速雙向加熱裝置的位置和時間，完成每一次"加熱_保溫_冷卻"熱循環(huán)實驗，測定其熱疲勞失效過程； (8)在熱疲勞模擬實驗過程中，實時測試和記錄的數(shù)據(jù)包括被測試樣的溫度場變化、三維變形場變化、三維位移場變化、試驗表面形貌的演變、聲發(fā)射監(jiān)測的事件數(shù)量、裂紋擴展情況；
(9)定義試樣發(fā)生熱疲勞失效的標準在熱循環(huán)試驗中，脫落的陶瓷涂層面積占總表面積的30%時，即認為該被測試樣熱疲勞失效；重復進行步驟6-8，直至試樣發(fā)生熱疲勞失效，完成熱疲勞試驗?zāi)M及監(jiān)測；模擬實驗完成后，關(guān)閉本試驗裝置的儀器和設(shè)備，同時分析和整理實驗數(shù)據(jù)，判斷被測試樣的疲勞失效機理和危險區(qū)域。 所述步驟(1)中，采用向被測試樣的陶瓷表面噴灑高溫涂料，或者在被測試樣制
備完畢之后再噴涂一層反色涂料的方法，以形成具有高反光性能的散斑場，以使得ARAMIS
非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)在高溫熱循環(huán)條件下能免受高溫影響而正常測試。 所述步驟(2)中，所述波導桿為鉑絲波導桿，其一端與試樣點焊連接，另一端通過
機械裝置以及超聲耦合介質(zhì)與聲發(fā)射傳感器連接耦合。 所述步驟(3)中，熱電偶的數(shù)量及分布為在被測試樣陶瓷表面設(shè)置4 6支熱電偶以測試葉片不同表面位置的溫度變化，并設(shè)置1 3支熱電偶測試葉片冷卻通道入口和出口的溫度。 所述步驟(4)中，在被測試樣和兩個CCD攝像機之間各設(shè)置一塊紅外濾鏡，以消除
高溫試樣紅外輻射的影響，提高ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)的精度。 所述步驟(5)中，對試樣內(nèi)部冷卻通道通以冷卻氣流來控制在熱循環(huán)條件下被測
試樣金屬基底內(nèi)部溫度，以近似模擬其服役環(huán)境下的溫度梯度分布。 所述步驟(7)中，氧乙炔快速雙向加熱裝置的加熱溫度范圍為20°C 3000°C。 所述方法能夠模擬航空發(fā)動機內(nèi)溫度交變循環(huán)的熱疲勞服役環(huán)境，并同步實現(xiàn)對
試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚
規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴展、冷卻氣流量等數(shù)據(jù)實時測試和分析。 在上述的九個步驟中，本發(fā)明涉及的主要特點有 1)高溫燃氣對試樣加熱，模擬溫度交變工作環(huán)境。本發(fā)明選用高溫燃氣作為加熱源。與紅外加熱、高溫爐等方式相比，其特點是升溫和降溫速率快，能模擬出航空發(fā)動機內(nèi)的高溫熱循環(huán)工作環(huán)境。系統(tǒng)加熱溫度可控制在20°C-3000°C 。該加熱方式是采用對稱結(jié)構(gòu)的雙向環(huán)繞加熱對試樣整體進行快速加熱、保溫、冷卻，完成溫度交變工作環(huán)境的模擬。
2)數(shù)據(jù)的實時采集與處理。本發(fā)明所提供的方法能實時監(jiān)測試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋的萌生與擴展、冷卻氣流量等。主要通過以下幾個方面來實現(xiàn)對試樣不同方面的實驗數(shù)據(jù)收集。
(a)高溫環(huán)境下三維應(yīng)變場與三維位移場實時測試方法本發(fā)明選擇的德國
ARAMIS非接觸式三維應(yīng)變測試方法，其測試原理是采用數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC法)，即對
待測物體拍攝變形前后兩幅散斑場，系統(tǒng)軟件將散斑場轉(zhuǎn)成數(shù)字散斑場進行運算，可以量
測真實物體的面內(nèi)移動、實現(xiàn)非接觸、全場性、現(xiàn)場使用、及便于自動化。
(b)葉片中多點溫度場同時測試方法，本發(fā)明選擇熱電偶測溫的方法。其優(yōu)點是
測量精度高，測溫范圍廣，使用方便。通過調(diào)整熱電偶位置，可以方便的實現(xiàn)試樣內(nèi)外表面
任一點溫度的測試。 (c)試樣熱疲勞裂紋的萌生與擴展的測試方法。本發(fā)明采用聲發(fā)射方法動態(tài)連續(xù)監(jiān)測試樣熱疲勞損傷行為，測定涂層斷裂或界面斷裂時間和位置。聲發(fā)射動態(tài)檢測儀的探頭通過耦合介質(zhì)、波導桿與被測試樣接觸，聲發(fā)射器放置在試驗臺上，采集后的數(shù)據(jù)傳輸給計算機處理。聲發(fā)射信號通過軟件運算處理實現(xiàn)對試樣熱疲勞裂紋的萌生與擴展的測試。
(d)高溫下試樣界面氧化層及其增厚規(guī)律的測試方法。本發(fā)明采用材料電性能交流阻抗譜測試系統(tǒng)實現(xiàn)界面氧化層及其增厚規(guī)律的測試。其測試原理是交流阻抗譜是一種基于對測量體系施加小幅度微擾信號(電流或電壓)，測量體系對信號的響應(yīng)信息。測量是基于頻率的，原始數(shù)據(jù)包含了施加信號電壓(或電流)對測得的信號電流(或電壓)的相位移及阻抗的模幅值，從這些數(shù)據(jù)中可以計算出阻抗的實部與虛部。根據(jù)這些參數(shù)還可以進一步計算出導納y、電容C、模的實部虛部，圓頻率叫等變量。在服役環(huán)境下利用交流阻抗譜具有對帶熱障涂層的葉片的物理性能、微觀結(jié)構(gòu)、化學組成、缺陷等非常敏感的特點，可以實現(xiàn)在熱端材料的服役過程中對上述的變化進行原位評估與監(jiān)測，尤其是對界面氧化層及其增厚規(guī)律原位監(jiān)測。 本發(fā)明專利可以解決以下幾方面的問題在模擬服役環(huán)境的高溫條件下，獲得帶陶瓷涂層的不規(guī)則幾何形狀的葉片的應(yīng)變場分布、應(yīng)力場分布和位移場分布情況，實時監(jiān)測涂層表面或界面裂紋萌生、開裂和脫落過程，并根據(jù)聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)分析可獲得涂層脫落的重要條件和依據(jù)。利用本發(fā)明提供的方法，還可以有針對性的獲得在熱疲勞模擬試驗中帶涂層的葉片不同位置(葉根、葉腹、葉背、葉片前緣等)的變形和熱疲勞失效區(qū)域，這對于評估帶陶瓷涂層的葉片的熱疲勞性能和失效提供重要的實驗數(shù)據(jù)和可視化過程，進而可為預測葉片的熱疲勞性能和服役壽命提供重要的實驗依據(jù)。
本發(fā)明所采用方法與現(xiàn)有其他類似試驗?zāi)M與測試方法相比，還具有以下優(yōu)點
1.能模擬航空發(fā)動機內(nèi)的高溫熱疲勞工作環(huán)境。 2.能夠原位測試復雜幾何形狀試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變
形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、界面裂紋萌生與擴展情況。 3.通過對真實熱端部件的模擬實驗，能夠獲得有針對性的實驗結(jié)果，直接解決實
際中遇到的某些關(guān)鍵工程問題，為預測熱端部件的服役壽命提供重要的實驗依據(jù)。 4.該方法使用溫度范圍廣，能適用模擬不同類型葉片的測試，應(yīng)用性強。 5.操作簡單，試驗設(shè)備容易實現(xiàn)，試驗成本低，并且便于實現(xiàn)與其它測試儀器一起
協(xié)調(diào)測試。


圖1是帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬和實時檢測流程 圖2是試樣陶瓷表面三個不同位置處的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測 圖3是帶熱障涂層的葉片溫度梯度(隔熱效果)測試圖； 圖4是在高溫熱循環(huán)過程中，ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)對帶熱障涂層的葉片陶瓷表面三維主應(yīng)變的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖； 圖5是在每次冷卻過程中，ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)對帶熱障涂層的葉片陶瓷表面三維主應(yīng)變的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖； 圖6為在熱循環(huán)過程中聲發(fā)射無損檢測系統(tǒng)測試葉片表面涂層的聲發(fā)射信號小波分析數(shù)據(jù)圖； 圖7交流復阻抗頻譜法測試葉片熱障涂層內(nèi)高溫界面氧化層的增長與氧化時間的關(guān)系圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及的是一種用于航空渦輪發(fā)動機內(nèi)帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，下面結(jié)合附圖，對本專利的實施方式作進一步的詳細說明。 圖1是本發(fā)明提供渦輪葉片熱疲勞失效的實時測試方法的流程圖。本實施例可按照一下步驟進行 第一步，制備試樣采用等離子噴涂工藝，在某型號空心渦輪葉片表面噴涂熱障涂層隔熱材料。其系統(tǒng)組成是過渡層材料為NiCrAIY合金，其厚度約為lOOym;陶瓷粉末材料為含8% Y203的Zr02，陶瓷層厚度約為300 y m。然后在試樣陶瓷表面噴灑一層反色的耐超高溫涂料，使試樣表面形成有較高反光性能的散斑場，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)的特征散斑場，至此試樣前期準備工作完畢。 第二步，用電焊設(shè)備把測試用的電極、波導管分別焊在第一步所完成試樣表面和兩端金屬基底上，把電極和波導管另一端連接到聲發(fā)射無損檢測儀器和復阻抗交流頻譜測試系統(tǒng)，然后把試樣固定在試驗控制臺的夾具上。然后將3支熱電偶固定在渦輪葉片陶瓷涂層表面，測得溫度變化分別用T1、T2、T3表示，再分別設(shè)置l支熱電偶固定在渦輪葉片內(nèi)表面某點、1支熱電偶固定與內(nèi)表面對應(yīng)的外表面。每支熱電偶分別連接到計算機溫度采集系統(tǒng)，測得的單次熱循環(huán)的溫度數(shù)據(jù)參見圖2、圖3。 第三步，啟動ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)。調(diào)節(jié)照明光源至合適強度，并固定兩個"V"字擺放的攝像機，攝像機擺放夾角為45。。確定所關(guān)注區(qū)域為渦輪葉片壓力面。利用系統(tǒng)配備標定板對攝像機進行標定，確定兩個攝像機內(nèi)、外參數(shù)(幾何、光學參數(shù))，將空間坐標與攝像機坐標重合。標定完畢后，運行應(yīng)變測試軟件，設(shè)定ARAMIS測試軟件拍攝頻率為1張/5秒，在線測試自動保存數(shù)據(jù)模式。 第四步，打開試樣夾具和噴槍固定裝置的冷卻水開關(guān)。打開渦輪葉片內(nèi)部通道的冷卻氣體控制開關(guān)，使冷卻氣體從渦輪葉片底部冷卻通道進入葉片內(nèi)，由頂部通孔排出，使陶瓷涂層表面至金屬基底內(nèi)表面形成高溫度梯度。 第五步，啟動氧乙炔快速雙向加熱裝置，調(diào)節(jié)燃氣氣流量，點火8 10秒后燃氣溫
度穩(wěn)定。通過控制機械傳動開關(guān)，對渦輪葉片表面進行雙面快速加熱，升溫速率約IO(TC /
s，使表面溫度穩(wěn)定在115(TC左右，并保持5分鐘。在本實施例中，每一個熱循環(huán)方式是加熱
時間10s，保溫時間為300s，冷卻時間200s。設(shè)定熱循環(huán)次數(shù)是300次。 第六步，在熱疲勞模擬實驗過程中，實時測試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣
的溫度場變化、三維變形場變化、三維位移場變化、陶瓷涂層表面形貌的演變、聲發(fā)射監(jiān)測
的事件數(shù)量、界面氧化層的生長演變規(guī)律和涂層脫落情況等。例如ARAMIS非接觸式三維變
形測試系統(tǒng)所測得的試樣三位變形場隨熱循環(huán)變化而變化，如圖5所示。聲發(fā)射無損檢測
系統(tǒng)對帶熱障涂層的葉片在熱循環(huán)過程中損傷測試數(shù)據(jù)，如圖6所示。交流復阻抗頻譜法
測試葉片熱障涂層內(nèi)高溫界面氧化層的增長與氧化時間的關(guān)系，如圖7所示。 第七步，當葉片上陶瓷涂層脫落的面積占葉片總表面積的30%時，則認為熱片已
經(jīng)發(fā)生熱疲勞失效。停止模擬實驗，分析和整理實驗數(shù)據(jù)，判斷帶熱障涂層的渦輪葉片中涂
層的失效機理和最先破壞的危險區(qū)域。 以上所述的實施例，只是本發(fā)明的一個較佳的具體實施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種修改c
權(quán)利要求
一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，使用了ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)、聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)、計算機溫度采集系統(tǒng)、氧乙炔快速雙向加熱裝置，其特征在于，該方法包括以下關(guān)鍵步驟(1)對帶熱障涂層的葉片試樣的陶瓷表面進行工藝處理，使被測試樣的陶瓷表面形成耐高溫的散斑場，以作為ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)的特征散斑場；(2)設(shè)置和連接聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)將電極、波導管的一端分別焊接在所述被測試樣的陶瓷表面和兩端金屬基底上，把電極和波導管的另一端連接到聲發(fā)射和復阻抗交流頻譜無損測試系統(tǒng)，然后把被測試樣固定在試驗控制臺的夾具上；(3)調(diào)節(jié)熱電偶固定裝置，把多支熱電偶緊貼在被測試樣表面，每支熱電偶分別連接到計算機溫度采集系統(tǒng)，用來測試被測試樣不同區(qū)域的溫度，并啟動計算機和溫度采集軟件；(4)啟動ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)調(diào)節(jié)照明光源，并固定兩個呈“V”字擺放的攝像機，攝像機擺放夾角40-50°；確定所關(guān)注被測試樣的區(qū)域；利用所述ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)配備的標定板對攝像機進行標定，確定兩個攝像機的幾何、光學參數(shù)，將空間坐標與攝像機坐標重合；標定完畢后，運行應(yīng)變測試軟件，設(shè)定ARAMIS測試軟件拍攝頻率，在線測試自動保存數(shù)據(jù)模式；(5)對所述試樣夾具和噴槍固定裝置采用水冷卻，對具有內(nèi)部冷卻通道的被測試樣通入冷卻氣流進行冷卻，對不具備冷卻通道的被測試樣忽略冷卻過程；(6)設(shè)定被測試樣熱疲勞實驗的方式和要求；(7)啟動氧乙炔快速雙向加熱裝置，通過控制機械傳動開關(guān)，對被測試樣表面進行雙面快速加熱，升溫速率控制在100℃/s～300℃/s，使被測試樣表面溫度穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值，達到設(shè)定保溫時間后；然后通過控制電機，停止加熱，使被測試樣表面冷卻，通過調(diào)節(jié)控制氧乙炔快速雙向加熱裝置的位置和時間，完成每一次“加熱-保溫-冷卻”熱循環(huán)實驗，測定其熱疲勞失效過程；(8)在熱疲勞模擬實驗過程中，實時測試和記錄的數(shù)據(jù)包括被測試樣的溫度場變化、三維變形場變化、三維位移場變化、試驗表面形貌的演變、聲發(fā)射監(jiān)測的事件數(shù)量、裂紋擴展情況；(9)定義試樣發(fā)生熱疲勞失效的標準在熱循環(huán)試驗中，脫落的陶瓷涂層面積占總表面積的30％時，即認為該被測試樣熱疲勞失效；重復進行步驟6-8，直至試樣發(fā)生熱疲勞失效，完成熱疲勞試驗?zāi)M及監(jiān)測；模擬實驗完成后，關(guān)閉本試驗裝置的儀器和設(shè)備，同時分析和整理實驗數(shù)據(jù)，判斷被測試樣的疲勞失效機理和危險區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(1)中，采用向被測試樣的陶瓷表面噴灑高溫涂料，或者在被測試樣制備完畢之后再噴涂一層反色涂料的方法，以形成具有高反光性能的散斑場，以使得ARAMIS非接觸式三維變形在線測量系統(tǒng)在高溫熱循環(huán)條件下能免受高溫影響而正常測試。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(2)中，所述波導桿為鉑絲波導桿，其一端與試樣點焊連接，另一端通過機械裝置以及超聲耦合介質(zhì)與聲發(fā)射傳感器連接耦合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(3)中，熱電偶的數(shù)量及分布為在被測試樣陶瓷表面設(shè)置4 6支熱電偶以測試葉片不同表面位置的溫度變化，并設(shè)置1 3支熱電偶測試葉片冷卻通道入口、內(nèi)表面和出口的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(4)中，在被測試樣和兩個CCD攝像機之間各設(shè)置一塊紅外濾鏡，以消除高溫試樣紅外輻射的影響，提高ARAMIS非接觸式三維變形測試系統(tǒng)的精度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(5)中，對試樣內(nèi)部冷卻通道通以冷卻氣流來控制在熱循環(huán)條件下被測試樣金屬基底內(nèi)部溫度，以近似模擬其服役環(huán)境下的溫度梯度分布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述步驟(7)中，氧乙炔快速雙向加熱裝置的加熱溫度范圍為20°C 3000°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法，其特征在于所述方法能夠模擬航空發(fā)動機內(nèi)溫度交變循環(huán)的熱疲勞服役環(huán)境，并同步實現(xiàn)對試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴展、冷卻氣流量等數(shù)據(jù)實時測試和分析。
全文摘要
本發(fā)明屬于航空工業(yè)中渦輪葉片性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶熱障涂層的葉片熱疲勞失效的模擬測試方法。該方法能夠模擬高性能航空發(fā)動機內(nèi)各類葉片的溫度交變循環(huán)的熱疲勞工作環(huán)境，并同步實現(xiàn)對帶熱障涂層的葉片試樣的溫度、溫度梯度、表面形貌圖像演變、三維變形場、三維位移場、界面氧化層及其增厚規(guī)律、熱疲勞裂紋萌生與擴展、冷卻氣流量等數(shù)據(jù)實時測試和分析，實現(xiàn)了熱疲勞實驗過程中葉片三維熱應(yīng)變和應(yīng)力的實時監(jiān)測，為預測葉片的熱疲勞破壞位置和失效時間提供一個重要手段。該方法所獲得的實驗數(shù)據(jù)可為有效評估航空發(fā)動機葉片在高溫燃氣環(huán)境下的破壞機理，以及預測陶瓷涂層脫落位置、脫落時刻和服役壽命提供重要的試驗依據(jù)。
文檔編號G01N27/04GK101776645SQ20101000015
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者吳多錦, 周益春, 楊麗, 毛衛(wèi)國 申請人:湘潭大學