專利名稱：一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，尤其涉及一種模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)固態(tài)顆粒熔化沉積到熱障涂層表面，進(jìn)而腐蝕熱障涂層的過程，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)腐蝕參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)試的試驗(yàn)裝置，屬于特殊服役環(huán)境模擬裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱障涂層(thermal barrier coatings,簡(jiǎn)稱TBCs)是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一，因其陶瓷涂層低導(dǎo)熱系數(shù)的“熱障”作用，從而使高溫合金渦輪葉片承受相同溫度時(shí)，可提高燃?xì)鉁囟?00-300 ° C，進(jìn)而提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，井延長(zhǎng)渦輪葉片的使用壽命。在美國(guó)、歐洲以及我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)計(jì)劃中，均把TBCs技術(shù)列為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且認(rèn)為，采用TBCs技術(shù)是目前大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度最切實(shí)可行的方法。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的高速發(fā)展，人們已成功的研制了 7-8(wt.)% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷層(7YSZ)、MCrAlY中間過渡層、鎳基高溫合金基底的TBCs材料設(shè)計(jì)方案，發(fā)展了大氣等離子噴涂、物理氣相沉積兩種典型的制備エ藝，并將其成功應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和燃燒室中。然而由于組成TBCs體系的各層之間存在巨大的物理、熱、力學(xué)性能差異，加上極其復(fù)雜的幾何形狀、微觀結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境，使得TBCs在無法預(yù)知的情況下發(fā)生開裂、剝落而失效。因此，研究TBCs在實(shí)際服役環(huán)境下的破壞機(jī)理，是指導(dǎo)其安全應(yīng)用、優(yōu)化其設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。飛機(jī)在服役過程中，航空燃油以及大氣環(huán)境中的Na、S、V等雜質(zhì)在高溫下會(huì)和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鹽或氧化物覆蓋在陶瓷層的表面，甚至滲透到陶瓷層中微孔洞或是裂紋中，改變陶瓷層的相結(jié)構(gòu)，減少陶瓷層的應(yīng)變?nèi)菹蓿瑥亩斐商沾蓪拥拿撀?，形成熱障涂層腐蝕失效。此外，當(dāng)熱障涂層表面溫度高于1200 ° C時(shí)，空氣中漂浮的以CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (簡(jiǎn)稱CMAS)為主要成分的沙塵或火山灰被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后，會(huì)熔化并沉積在熱障涂層表面，并沿著涂層中的氣孔、裂紋等缺陷向內(nèi)部滲透。沉積并滲透的CMAS不僅能使得氧化釔部分穩(wěn)定的ZrO2發(fā)生由穩(wěn)定的四方相(t’ )到單斜相(m)的轉(zhuǎn)變，這ー相變會(huì)在陶瓷層內(nèi)產(chǎn)生達(dá)4%的體積膨脹，使得涂層發(fā)生開裂或剝落失效；而且熔融的CMAS冷卻下來后比ZrO2陶瓷層具有更低的斷裂韌性和抗熱震穩(wěn)定性，在高溫、高離心カ等外載荷的作用下涂層的失效更容易在CMAS沉積處發(fā)生，從而加速涂層的失效。因此，研究TBCs在這些高溫沉積物腐蝕下的破壞特征和關(guān)鍵影響因素，是正確理解TBCs破壞機(jī)理的關(guān)鍵。而要找出TBCs腐蝕的特征與關(guān)鍵影響因素，研制模擬TBCs高溫沉積物腐蝕的模擬裝置是必然的要求。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于TBCs高溫沉積物腐蝕試驗(yàn)?zāi)M裝置的研制還比較少。研究人員在研究TBCs高溫沉積物腐蝕時(shí)，通常是將腐蝕介質(zhì)涂刷在陶瓷層表面，然后在高溫爐中加熱來實(shí)現(xiàn)TBCs的高溫腐蝕，并通過稱重的方式來定性的評(píng)價(jià)TBCs的腐蝕性能。李志明等人公開了ー種熱障涂層抗高溫熔鹽腐蝕的測(cè)試方法及裝置(專利申請(qǐng)公開號(hào)CN 10865814A)，采用加熱裝置使熔鹽蒸發(fā)而腐蝕TBCs，到達(dá)設(shè)定的腐蝕時(shí)間時(shí)取出樣品稱重對(duì)其腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；宮聲凱等人公開了ー種熱障涂層服役環(huán)境模擬裝置及模擬環(huán)境控制方法(專利公開號(hào)CN1699994)，采用浴槽加熱Na2SO4,NaCl等鹽類物質(zhì)獲取腐蝕性氣氛，且通過腐蝕性氣體流量和壓カ的調(diào)節(jié)使得石英管內(nèi)的腐蝕氣分壓保持在(TO. 01 MPa。在這些方法中，一方面只能通過生成腐蝕氣體的方式對(duì)TBCs的腐蝕環(huán)境進(jìn)行模擬，一方面沒有對(duì)TBCs腐蝕失效的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)或評(píng)價(jià)。因此，研制能模擬熱障涂層高溫沉積物(如CMAS)腐蝕的試驗(yàn)裝置，并能對(duì)熱障涂層腐蝕失效的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是正確理解熱障涂層破壞機(jī)理、優(yōu)化其設(shè)計(jì)的重要途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，能模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)熱ー化學(xué)耦合的工作環(huán)境，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜腐蝕環(huán)境中不同幾何形狀試樣的溫度、溫度梯度、界面氧化層及其增厚規(guī)律、腐蝕裂紋萌生與擴(kuò)展等情況的測(cè)試，為我們正確的理解熱障涂層高溫腐蝕機(jī)理、優(yōu)化其材料設(shè)計(jì)，提供重要的試驗(yàn)平臺(tái)，并可應(yīng)用于不同領(lǐng)域內(nèi)高溫部件材料熱腐蝕失效的測(cè)試。本發(fā)明采用下列技術(shù)方案所述試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，以及分別與該試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)連接的高溫腐蝕服役環(huán)境模擬模塊、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)、溫度測(cè)試采集系統(tǒng)、試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)。裝置的主要結(jié)構(gòu)是試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上安裝由樣品夾具和夾具固定裝置組成的試樣夾持裝置，試樣夾具可隨安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的夾角，而且試樣夾具上制作有不同形狀的試樣連接ロ，可對(duì)圓盤狀、平板狀、圓柱狀、實(shí)際渦輪葉片形狀四種不同形狀的試樣進(jìn)行試驗(yàn)；試樣夾持裝置放置于由耐高溫耐腐蝕的石英玻璃構(gòu)成的樣品室內(nèi)，樣品室開有孔，聲發(fā)射儀器檢測(cè)用的波導(dǎo)桿、復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)用的電極和以及測(cè)溫?zé)犭娕纪ㄟ^孔連接試樣；試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上樣品室的一側(cè)安裝有可沿著測(cè)試臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng)的噴槍固定裝置，在噴槍固定裝置上設(shè)置高溫燃?xì)鈬姌?，其噴嘴可伸入樣品室?nèi)；樣品室上方安裝有紅外測(cè)溫儀。樣品室的下方放置有復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，溫度檢測(cè)系統(tǒng)，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)熱障涂層試樣的腐蝕狀態(tài)、損傷演化以及溫度場(chǎng)變化情況，樣品室的下方還設(shè)置有控制裝置工作與顯示工作運(yùn)行狀態(tài)的試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)。所述高溫腐蝕服役環(huán)境模擬系統(tǒng)由一特制的高溫燃?xì)鈬姌尲捌漭斎胂到y(tǒng)組成，其中腐蝕顆粒存儲(chǔ)器、腐蝕顆粒通道以及高溫燃?xì)鈬姌尩膬?nèi)表面均采用耐腐蝕材料制作。所述高溫燃?xì)鈬姌屢员闉槿剂?，升溫速率快，?duì)試樣的加熱范圍為20-1700。C，不同熔點(diǎn)(V2O5熔點(diǎn)約690 ° C AaO-MgO-Al2O3-SiO2熔點(diǎn)約1240 ° C)的固態(tài)顆粒均適用，噴槍由噴槍安裝裝置固定并可由伺服電機(jī)控制在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)。所述高溫燃?xì)鈬姌尩妮斎胂到y(tǒng)包括燃?xì)廨斎胪ǖ?、氧氣輸入通道、腐蝕顆粒輸入通道，燃?xì)廨斎胪ǖ?、氧氣輸入通道分別與燃?xì)夤?、氧氣罐以及相?yīng)的流量閥連接，腐蝕顆粒輸入通道與腐蝕顆粒存儲(chǔ)器、壓カ泵、流量閥依次連接，壓カ泵將腐蝕顆粒容器中的顆粒沖入高溫燃?xì)鈬姌屩校w粒的流量由流量閥控制，顆粒在噴槍的燃燒室內(nèi)與火焰充分混合后，由高溫高速氣流帶動(dòng)迅速沉積到試樣表面。 所述腐蝕顆粒存儲(chǔ)器用隔板隔成四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，分別存儲(chǔ)NaCl，Na2O4, V2O5和CMAS等腐蝕物質(zhì)，這四種物質(zhì)可任意組合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腐蝕環(huán)境的模擬，顆粒流量為0-250 g/min。
所述冷卻系統(tǒng)有兩種冷卻方式一是對(duì)試樣的氣冷，空氣壓縮機(jī)中的冷卻氣體經(jīng)冷卻通道入口由試樣內(nèi)部冷卻通道的底部入口進(jìn)入，經(jīng)試樣內(nèi)通道，由頂部的冷卻氣體出ロ排出；ニ是對(duì)氣體噴槍的水冷，冷卻水箱中水流通過流量閥的控制經(jīng)冷卻通道入口在兩個(gè)噴槍與冷卻水箱間循環(huán)流動(dòng)。所述排氣系統(tǒng)包括懸掛于樣品室上方的吸氣罩和浄化裝置；吸氣罩用于收集樣品室中的廢氣，浄化裝置用于過濾吸收腐蝕顆粒和有毒氣體，廢氣經(jīng)浄化裝置處理后達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，便可直接排入大氣中。所述復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)采用英國(guó)Solartron公司的1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，儀器的連接線與焊接在樣品上的測(cè)試電極相連，實(shí)時(shí)或定期測(cè)量熱障涂層阻抗的變化規(guī)律，從而分析熱障涂層在高溫沉積物腐蝕服役環(huán)境電學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)的演變情況。復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)是電流范圍是200 nA 2 A ;電流分辨率是I pA;電壓范圍是±14. 5 V ;電壓分辨率是I y V ;頻率范圍是10 u IM Hz。所述聲發(fā)射檢測(cè) 系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的靈敏度在10_8 cm量級(jí)的PC1-2聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，聲發(fā)射傳感器與波導(dǎo)桿相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層內(nèi)裂紋的萌生、擴(kuò)展以及定位的原位檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)是內(nèi)置的18位A/D轉(zhuǎn)換器和處理器更適ー種用于低振幅、低門濫值(17 dB)的設(shè)置、最大信號(hào)幅度100 dB、動(dòng)態(tài)范圍> 85dB、4個(gè)高通和6個(gè)低通；PC1-2上裝有聲發(fā)射數(shù)據(jù)流量器，可將聲發(fā)射波形不斷的轉(zhuǎn)向硬盤，速度可達(dá)IOM /秒；PC1-2板上裝有2個(gè)可選參數(shù)通道，該通道有16位的A/D轉(zhuǎn)換器，速度為10000個(gè)/秒，并行多個(gè)FPGA處理器和ASIC IC芯片。所述溫度測(cè)試采集系統(tǒng)包括熱電偶和紅外測(cè)溫裝置、溫度顯示儀。熱電偶與試驗(yàn)控制平臺(tái)上的溫度顯示儀連接，測(cè)定試樣內(nèi)通道以及冷卻氣體出口處的溫度，實(shí)現(xiàn)指定位置處的溫度測(cè)試；紅外測(cè)溫裝置用于測(cè)定試樣表面的溫度場(chǎng)。所述試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)為試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)與檢測(cè)系統(tǒng)的控制與顯示裝置，用于控制所有的機(jī)械傳動(dòng)和各儀器的開啟狀態(tài)，并同步顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程與測(cè)試過程的協(xié)同操作。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置高溫燃?xì)鈬姌尲虞d系統(tǒng)以丙烷火焰作熱源，升溫和降溫速率快，采用空氣壓縮機(jī)將鋁、硫、磷等腐蝕顆粒通過顆粒加料系統(tǒng)快速的擠壓至噴槍端ロ處，被高溫燃?xì)饧訜?、反?yīng)，生成熔融的高溫沉積物，可實(shí)現(xiàn)從20-1700° C范圍的加熱，且腐蝕顆粒種類、濃度、成分可調(diào)，能模擬熱障涂層渦輪葉片高溫腐蝕的服役環(huán)境。而且試驗(yàn)裝置集成了美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PC1-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，英國(guó)Solartron公司生產(chǎn)的1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，分別用來測(cè)量裂紋的萌生與擴(kuò)展，界面形貌演化、微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分變化。裝置有2種不同類型的冷卻裝置，一種是對(duì)高溫夾具的冷卻系統(tǒng)，通以冷卻水的方式進(jìn)行冷卻；另ー種是對(duì)帶冷卻通道的試樣進(jìn)行冷卻，通以冷卻空氣的方式進(jìn)行冷卻?？梢詫?shí)現(xiàn)熱障涂層有溫度梯度存在時(shí)的高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)，進(jìn)ー步逼近熱障涂層實(shí)際的服役環(huán)境。因此，本發(fā)明能夠模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層高溫腐蝕服役環(huán)境，井能對(duì)熱障涂層腐蝕失效的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為正確的理解熱障涂層高溫腐蝕機(jī)理、優(yōu)化其材料設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)平臺(tái)。


圖1是本發(fā)明邏輯結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明試驗(yàn)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是試樣與本發(fā)明連接示意圖。圖中標(biāo)號(hào)101-樣品夾具；102_夾具固定裝置；103_試樣室；104_試樣；105_高溫燃?xì)鈬姌專?06_噴槍固定裝置；107-紅外測(cè)溫儀；108-腐蝕顆粒存儲(chǔ)器；109-腐蝕顆粒管道；110-燃?xì)夤蓿?11-氧氣罐；112-壓カ泵；113-流量閥；114-熱電偶；115-溫度測(cè)試采集系統(tǒng)；116-空氣壓縮機(jī)；117-氣流表；118_冷卻管道；119-吸氣罩；120_浄化裝置；121-復(fù)阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)；122_測(cè)試電極；123_聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)；124_波導(dǎo)桿；125_試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，下面通過

和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。(I)使用該裝置對(duì)圓筒狀熱障涂層進(jìn)行NaCl ,Na2O4或V2O5単一腐蝕介質(zhì)模擬試驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)試的步驟為第一歩將2個(gè)阻抗測(cè)試電極(122)通過點(diǎn)焊的方式焊接在試樣基底的自由表面以及鍍了鉬或金電極的陶瓷層表面，另一端接復(fù)阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)(121) ;2個(gè)聲發(fā)射波導(dǎo)管桿(124)分別點(diǎn)焊在基底的兩端，另一端接聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)的傳感器；紅外測(cè)溫儀
(107)、1支熱電偶(114)固定在試樣陶瓷層表面、I支熱電偶(114)固定在試樣基底表面、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道底部入口、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道頂部出口，所有熱電偶的另一端接溫度測(cè)試采集系統(tǒng)。第二步將試樣(104)固定在樣品夾具(101)上，試樣底端接冷卻管道(118)，調(diào)整試樣(104)與高溫燃?xì)鈬姌?105)之間的距離JfNaCl,Na2O4或V2O5等分別加入到腐蝕顆粒存儲(chǔ)器(108)的存儲(chǔ)區(qū)中。第三歩啟動(dòng)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好閾值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)；啟動(dòng)交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好頻率范圍、電壓幅值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。第四歩啟動(dòng)裝置，開啟設(shè)置軟件，設(shè)定樣品加熱溫度為900 ° C，調(diào)節(jié)顆粒流量為20 mg/s,設(shè)置樣品加載方式為姆ー個(gè)熱循環(huán)方式是加熱時(shí)間10 s,保溫時(shí)間為300 s,冷卻時(shí)間200 S。第五步,打開空氣壓縮機(jī)(116),依次開啟燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、噴槍點(diǎn)火系統(tǒng)。待火焰均勻穩(wěn)定后，打開壓カ泵(112)和腐蝕顆粒流量閥(113)，顆粒被輸送至噴槍的燃燒室中，與火焰充分混合后，熔融態(tài)腐蝕物隨火焰噴射到試樣表面。與此同時(shí)運(yùn)行溫度采集系統(tǒng)、聲發(fā)射儀、復(fù)阻抗譜檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣的溫度場(chǎng)變化；實(shí)時(shí)記錄聲發(fā)射事件數(shù)、幅值、能量、振鈴計(jì)數(shù)；定期測(cè)試和記錄不同腐蝕階段試樣的阻杭。第六步當(dāng)循環(huán)冷卻階段觀察到試樣(104)開裂或者出現(xiàn)涂層剝落時(shí)，停止試驗(yàn)，記錄下熱循環(huán)次數(shù)。第七步數(shù)據(jù)處理利用Zview軟件，用等效電路擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析TGO厚度的增長(zhǎng)規(guī)律以及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)的演變；提取熱障涂層高溫NaCl，Na204或V2O5腐蝕時(shí)不同裂紋形成時(shí)所發(fā)射出的聲波信號(hào)的頻率特征，判斷裂紋的類型，并進(jìn)行定量分析。(2)使用該裝置對(duì)圓筒狀熱障涂層進(jìn)行Na2SO4和V2O5兩者組合腐蝕模擬試驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)試的步驟為第一歩將2個(gè)阻抗測(cè)試電極(122)通過點(diǎn)焊的方式焊接在試樣基底的自由表面以及鍍了鉬或金電極的陶瓷層表面，另一端接復(fù)阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)(121) ;2個(gè)聲發(fā)射波導(dǎo)管桿(124)分別點(diǎn)焊在基底的兩端，另一端接聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)的傳感器；紅外測(cè)溫儀
(107)、1支熱電偶(114)固定在試樣陶瓷層表面、I支熱電偶(114)固定在試樣基底表面、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道底部入口、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道頂部出口，所有熱電偶的另一端接溫度測(cè)試采集系統(tǒng)。第二步將試樣(104)固定在樣品夾具(101)上，試樣底端接冷卻管道(118)，調(diào)整試樣(104)與高溫燃?xì)鈬姌?105)之間的距離；將Na2O4和V2O5加入到腐蝕顆粒存儲(chǔ)器
(108)對(duì)應(yīng)的分區(qū)中；設(shè)置好各儀器的數(shù)據(jù)采集參數(shù)。第三歩啟動(dòng)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好閾值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)；啟動(dòng)交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好頻率范圍、電壓幅值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。第四步啟動(dòng)裝置，開啟設(shè)置軟件，設(shè)定樣品加熱溫度為900 ° C，調(diào)節(jié)Na2O4與V2O5的出料質(zhì)量比為4 :6，調(diào)節(jié)顆粒流量為20 mg/s，設(shè)置樣品加載方式為每ー個(gè)熱循環(huán)方式是加熱時(shí)間10 S，保溫時(shí)間為300 S，冷卻時(shí)間200 S。第五步打開空氣壓縮機(jī)(116),依次開啟燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、噴槍點(diǎn)火系統(tǒng)，待火焰均勻穩(wěn)定后，打開壓カ泵(112)和腐蝕顆粒流量閥(113)，自動(dòng)控制Na2O4與V2O5的出料質(zhì)量比，顆粒被輸送至噴槍的燃燒室中，與火焰充分混合后，熔融態(tài)腐蝕物隨火焰噴射到試樣表面。與此同時(shí)運(yùn)行溫度采集系統(tǒng)、聲發(fā)射儀、復(fù)阻抗譜檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣的溫度場(chǎng)變化；實(shí)時(shí)記錄聲發(fā)射事件數(shù)、幅值、能量、振鈴計(jì)數(shù)；定期測(cè)試和記錄不同腐蝕階段試樣的阻杭。第六步當(dāng)循環(huán)冷卻階段觀察到試樣(104)開裂或者出現(xiàn)涂層剝落時(shí)，停止試驗(yàn)，記錄下熱循環(huán)次數(shù)。第七步數(shù)據(jù)處理利用Zview軟件，用等效電路擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析TGO厚度的增長(zhǎng)規(guī)律以及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)的演變；提取熱障涂層高溫Na204+V205腐蝕時(shí)不同裂紋形成時(shí)所發(fā)射出的聲波信號(hào)的頻率特征，判斷裂紋的類型，并進(jìn)行定量分析。(3)使用該裝置對(duì)圓筒狀熱障涂層進(jìn)行CMAS腐蝕模擬試驗(yàn)及實(shí)時(shí)測(cè)試的步驟為第一歩將2個(gè)阻抗測(cè)試電極(122)通過點(diǎn)焊的方式焊接在試樣基底的自由表面以及鍍了鉬或金電極的陶瓷層表面，另一端接復(fù)阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)(121) ;2個(gè)聲發(fā)射波導(dǎo)管桿(124)分別點(diǎn)焊在基底的兩端，另一端接聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)的傳感器；紅外測(cè)溫儀(107)、I支熱電偶(114)固定在試樣陶瓷層表面、I支熱電偶(114)固定在試樣基底表面、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道底部入口、I支熱電偶(114)固定在冷卻通道頂部出口，所有熱電偶的另一端接溫度測(cè)試采集系統(tǒng)。第二步將試樣(104)固定在樣品夾具(101)上，試樣底端接冷卻管道(118)，調(diào)整試樣(104)與高溫燃?xì)鈬姌?105)之間的距離JfCaO、Mg0、Al203和SiO2固體粉末按ー定比例混合均勻，加入到腐蝕顆粒存儲(chǔ)器(108)的CMAS存儲(chǔ)區(qū)。第三步啟動(dòng)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好閾值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)；啟動(dòng)交流復(fù)阻抗頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打開測(cè)試軟件，設(shè)置好頻率范圍、電壓幅值等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。第四歩啟動(dòng)裝置，開啟設(shè)置軟件，設(shè)定樣品加熱溫度為1250 ° C，調(diào)節(jié)顆粒流量為20 mg/s，設(shè)置樣品加載方式為保持樣品加熱溫度為1250 ° C持續(xù)加熱2 h。第五步打開空氣壓縮機(jī)(116),依次開啟燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、噴槍點(diǎn)火系統(tǒng)，待火焰均勻穩(wěn)定后，打開壓カ泵(112)和腐蝕顆粒流量閥(113)，CMAS顆粒被輸送至噴槍的燃燒室中，與火焰充分混合后，熔融態(tài)的CMAS腐蝕物隨火焰噴射到試樣表面。與此同時(shí)運(yùn)行溫度采集系統(tǒng)、聲發(fā)射儀、復(fù)阻抗譜檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)試和記錄帶熱障涂層的渦輪葉片試樣的溫度場(chǎng)變化；實(shí)時(shí)記錄聲發(fā)射事件數(shù)、幅值、能量、振鈴計(jì)數(shù)；定期測(cè)試和記錄不同腐蝕階段試樣的阻杭。第六步到達(dá)設(shè)定時(shí)間或是當(dāng)試樣(104)開裂或者出現(xiàn)涂層剝落時(shí)停止試驗(yàn)。第七步數(shù)據(jù)處理利用Zview軟件，用等效電路對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析TGO厚度的增長(zhǎng)規(guī)律以及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)的演變；分析熱障涂層高溫CMAS腐蝕的聲發(fā)射信號(hào)特征，分析熱障涂層CMAS破壞的機(jī)理。本發(fā)明能夠模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層高溫腐蝕服役環(huán)境，能真實(shí)模擬熱障涂層渦輪葉片在實(shí)際服役溫度環(huán)境下各種雜質(zhì)顆粒(如Ca、Mg、Al、Si，Na、V、S等)的高溫腐蝕，且能調(diào)節(jié)腐蝕介質(zhì)的種類、濃度和腐蝕溫度等參數(shù)，井能借助復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)定期檢測(cè)試樣腐蝕失效的損傷演化情況，為正確理解熱障涂層高溫腐蝕機(jī)理、優(yōu)化其材料設(shè)計(jì)，提供重要的試驗(yàn)平臺(tái)。
權(quán)利要求
1.一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在干，該試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，以及分別與該試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)連接的高溫腐蝕服役環(huán)境模擬模塊、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)、溫度測(cè)試采集系統(tǒng)、試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)； 所述試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上安裝由樣品夾具(101)和夾具固定裝置(102)組成的試樣夾持裝置，試樣夾具(101)可隨安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的夾角，而且試樣夾具(101)上制作有不同形狀的試樣連接ロ，可對(duì)圓盤狀、平板狀、圓柱狀、實(shí)際渦輪葉片形狀四種不同形狀的試樣(104)進(jìn)行試驗(yàn)；試樣夾持裝置放置于由耐高溫耐腐蝕的石英玻璃構(gòu)成的樣品室(103)內(nèi)，樣品室(103)開有孔，聲發(fā)射儀器檢測(cè)用的波導(dǎo)桿、復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)用的電極和以及測(cè)溫?zé)犭娕纪ㄟ^孔連接試樣(104);試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)上樣品室(103)的一側(cè)安裝有可沿著測(cè)試臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng)的噴槍固定裝置(106)，在噴槍固定裝置(106)上設(shè)置高溫燃?xì)鈬姌?105)，其噴嘴可伸入樣品室內(nèi)；樣品室(103)上方安裝有紅外測(cè)溫儀(107)。樣品室(103)的下方放置有復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)(121)、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)，溫度測(cè)試采集系統(tǒng)(115)，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)熱障涂層試樣的腐蝕狀態(tài)、損傷演化以及溫度場(chǎng)變化情況，樣品室(103)的下方還設(shè)置有控制裝置工作和顯示工作運(yùn)行狀態(tài)的試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)(125)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述高溫腐蝕服役環(huán)境模擬模塊由一高溫燃?xì)鈬姌?105)及其輸入系統(tǒng)組成，高溫燃?xì)鈬姌寖?nèi)設(shè)置腐蝕顆粒輸送通道和冷卻通道。其中，輸入系統(tǒng)包括燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、腐蝕顆粒輸入系統(tǒng)，燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)分別由燃?xì)夤?110)、氧氣罐(111)以及相應(yīng)的流量閥組成，腐蝕顆粒輸入系統(tǒng)包括腐蝕顆粒存儲(chǔ)器(108)、壓カ泵(112)、流量閥(113)，壓カ泵(112)將腐蝕顆粒存儲(chǔ)器(108)中的顆粒沖入高溫燃?xì)鈬姌?105)中，顆粒的流量由流量閥(113)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述高溫燃?xì)鈬姌?105)可由伺服電機(jī)控制安裝裝置(106)在試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)的水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的加熱范圍20-1700 ° C可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，腐蝕顆粒存儲(chǔ)器(108)用隔板隔成四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，分別存儲(chǔ)NaCl，Na2O4, V2O5和CMAS腐蝕物質(zhì)，這四種物質(zhì)可任意組合，實(shí)現(xiàn)腐蝕介質(zhì)種類可調(diào)，以模擬復(fù)雜腐蝕環(huán)境的模擬，顆粒流量為0-250 g/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)有兩種，一種對(duì)高溫燃?xì)鈬姌屵M(jìn)行冷卻，由包括空氣壓縮機(jī)(116)、氣流表(117)、冷卻管道(118);空氣壓縮機(jī)(116)中的冷卻氣體由空心試樣冷卻管道的底部流入，對(duì)試樣進(jìn)行冷卻后，從冷卻通道的頂部流出，以獲得一個(gè)涂層厚度方向的溫度梯度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述排氣系統(tǒng)包括懸掛于樣品室(103)上方的吸氣罩(119)和浄化裝置(120)，吸氣罩用于吸收樣品室(103)中的廢氣，浄化裝置用于過濾吸收腐蝕顆粒和有毒氣體，廢氣經(jīng)浄化裝置處理后達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，便可直接排入大氣中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)(121)為英國(guó)Solartron公司生產(chǎn)的1260+1296型復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，儀器的連接線通過樣品室(103)上的孔與測(cè)試電極(122)相連，獲取高溫腐蝕條件下熱障涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化以及TGO的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(123)為靈敏度在10_8 cm量級(jí)的PC1-2聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，儀器的連接線通過樣品室(103)上的孔與波導(dǎo)桿(124)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫腐蝕條件下熱障涂層內(nèi)裂紋的萌生、擴(kuò)展以及定位的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述溫度測(cè)試采集系統(tǒng)包括熱電偶(114)和紅外測(cè)溫儀(107)、溫度顯示儀(115)。熱電偶與試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)(125)上的溫度顯示儀連接，測(cè)定試樣內(nèi)通道以及冷卻氣體出口處的溫度，實(shí)現(xiàn)指定位置處的溫度測(cè)試；紅外測(cè)溫裝置用于測(cè)定試樣表面的溫度場(chǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)(125)用來控制試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)與檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行與顯示，包括所有的機(jī)械傳動(dòng)、檢測(cè)設(shè)備的開啟狀態(tài)、同步顯示實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)服役環(huán)境模擬試驗(yàn)與失效性能測(cè)試的同步操作。
全文摘要
一種模擬和實(shí)時(shí)測(cè)試熱障涂層高溫沉積物腐蝕的試驗(yàn)裝置，屬于特殊服役環(huán)境模擬裝置領(lǐng)域。試驗(yàn)裝置包括安裝有樣品夾具以及夾具固定裝置的試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)、冷卻系統(tǒng)、高溫腐蝕服役環(huán)境模擬模塊、排氣系統(tǒng)，集成的復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)以及試驗(yàn)控制與顯示平臺(tái)等。本發(fā)明能調(diào)節(jié)腐蝕介質(zhì)的種類、濃度和腐蝕溫度等參數(shù)，通過復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)定期檢測(cè)試樣腐蝕時(shí)涂層阻抗的變化與損傷聲發(fā)射信號(hào)，真實(shí)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層實(shí)際服役溫度環(huán)境下各種雜質(zhì)顆粒如Ca、Mg、Al、Si，Na的高溫腐蝕；并能對(duì)腐蝕失效過程進(jìn)行定期檢測(cè)；為正確的理解熱障涂層高溫腐蝕機(jī)理、優(yōu)化其材料設(shè)計(jì)，提供重要的試驗(yàn)平臺(tái)。
文檔編號(hào)G01N17/00GK103063563SQ20131000922
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者周益春, 楊麗, 昌盛, 蔡燦英 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)