一種熱障涂層失效的測試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層性能檢測領(lǐng)域，具體地，涉及一種熱障涂層失效的測試系統(tǒng)及方法，尤其是，涉及一種用于高溫強熱流密度循環(huán)熱沖擊條件下熱障涂層失效的原位動態(tài)無損實時在線監(jiān)測的聯(lián)合測試系統(tǒng)及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層在高溫條件下的失效一直是熱障涂層研究關(guān)注的重點命題。通過對熱障涂層失效模式與失效機制的研究，有助于判斷熱障涂層的破壞方式及服役破壞的臨界點。熱障涂層在高溫服役條件下的失效是一個高度非線性的過程。它的失效形式和破壞的臨界點是溫度，溫度梯度，材料本構(gòu)，殘余應(yīng)力，外部腐蝕性介質(zhì)，外部空氣對流系數(shù)的函數(shù)。但涂層的失效歸根結(jié)底都是涂層內(nèi)部或界面處裂紋萌生，擴展及傳播，最后發(fā)生涂層剝落。
[0003]對熱障涂層失效的檢測通常有有損的方法和無損的方法，有損的方法，通常會一定程度上破壞涂層樣品，會使得涂層內(nèi)部萌生和產(chǎn)生裂紋從而掩蓋了涂層失效的真實信息。而無損檢測方法則不需要破壞涂層樣品，更能真實地反映涂層實際破壞情況。
[0004]聲發(fā)射技術(shù)利用涂層內(nèi)部發(fā)射裂紋時，產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，以應(yīng)力波的形式對外釋放能量，通過靈敏的電子儀器能夠?qū)⒋藨?yīng)力波采集，并經(jīng)過集成放大得到聲發(fā)射信號，通過信號的反饋反推材料失效的“源”的信息。
[0005]先前對熱障涂層失效方面的無損表征，特別是聲發(fā)射方面的研究大多集中在常溫條件下，如彎曲載荷下(三點彎曲，四點彎曲，剪切)，單軸向載荷(拉伸和壓縮)等條件下的聲發(fā)射信號檢測與分析，在高溫條件下涂層失效的聲發(fā)射信號檢測主要是針對空氣爐加熱-水淬這種形式的熱震失效，主要采用波導(dǎo)桿技術(shù)將波導(dǎo)桿焊接在被測涂層樣品，通常為高溫合金或不銹鋼基體的側(cè)面或背部，從而檢測涂層的失效過程，該過程的不足之處在于由于波導(dǎo)桿長度受到實驗裝置和環(huán)節(jié)的制約，因此聲發(fā)射信號會發(fā)生一定程度上的衰減和失真，給聲發(fā)射信號的分析帶來了極大的困難，從而不容易判斷涂層失效的“源”的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上存在的問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供了一種熱障涂層失效的測試系統(tǒng)及方法，用于高溫強熱流密度循環(huán)熱沖擊條件下熱障涂層失效的原位動態(tài)無損實時在線監(jiān)測。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明所提供的熱障涂層失效的測試系統(tǒng)，包括:用于涂層熱沖擊壽命檢測的高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置，其具備:用于固定涂層試樣的固定單元，和對所述涂層試樣進(jìn)行循環(huán)加熱的加熱單元；用于涂層失效的聲發(fā)射信號檢測裝置，其具備對涂層失效過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)行檢測的聲發(fā)射傳感器，接收來自所述聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射信號并進(jìn)行處理以提前預(yù)測涂層破壞臨界時間點的聲發(fā)射信號處理單元。
[0008]本發(fā)明集成了高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置和聲發(fā)射信號檢測裝置兩大單元，一方面能夠模擬涂層在風(fēng)洞測試環(huán)境下即高馬赫數(shù)考核條件下的失效破壞，能夠近似仿真涂層失效過程，為涂層在極端苛刻條件下的失效在實驗室內(nèi)部實現(xiàn)了動態(tài)的測試。此外，在此基礎(chǔ)上搭配了聲發(fā)射信號檢測裝置，能夠?qū)υ趶姛崃髅芏妊h(huán)考核條件下涂層的失效過程進(jìn)行了原位實時動態(tài)在線監(jiān)測，為實現(xiàn)涂層臨界破壞點預(yù)測及涂層最終壽命評估了提供了一個嶄新而又有力的工具。
[0009]具體地，本發(fā)明集成了高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置和聲發(fā)射信號檢測裝置兩大單元，兩大單元相耦合，共同發(fā)揮作用，既實現(xiàn)了涂層在高溫強熱流密度考核條件下熱循環(huán)壽命的考核，同時實現(xiàn)了涂層失效過程的原位動態(tài)無損在線監(jiān)測。
[0010]通過本發(fā)明可以近似仿真涂層在實際風(fēng)洞考核條件下的熱循環(huán)壽命，還能夠通過聲發(fā)射信號的分析處理進(jìn)一步分析涂層在表面和背面存在溫度梯度情況下涂層的失效機制，為涂層工程化應(yīng)用和涂層制備工藝優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
[0011]通過本發(fā)明的聲發(fā)射信號檢測，可以提前預(yù)測涂層破壞的臨界時間點，根據(jù)此臨界時間點可以用紅外測溫儀進(jìn)一步反饋涂層表面溫度，用攝像機可有選擇的觀測涂層表面剝落破壞的情況，而不需要隨時觀測涂層表面剝落情況，省去了人力。
[0012]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述加熱單元包括用于對所述涂層試樣的表面噴射火焰的加熱器。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，可通過對涂層試樣的表面噴射火焰的加熱器實現(xiàn)對涂層試樣的高溫考核。優(yōu)選地，可以通過該加熱器對涂層試樣的表面噴射氧丙烷火焰。
[0014]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述固定單元包括用于夾持所述涂層試樣的工裝。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，通過該工裝可有利于將涂層試樣夾持固定于高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置中。
[0016]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置具有使循環(huán)加熱后的所述涂層試樣進(jìn)行冷卻的循環(huán)冷卻機構(gòu)。
[0017]例如可以是，在每個循環(huán)的加熱階段結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺做45度角旋轉(zhuǎn)，切換工位，諸如高溫氧丙烷火焰那樣的加熱器對另外的涂層試樣進(jìn)行加熱，先前加熱的涂層樣品被切換到冷卻狀態(tài)，涂層試樣表面和/或高溫合金基體背面均用諸如壓縮空氣管等構(gòu)件通入壓縮空氣對其進(jìn)行冷卻。此外，沿著聲發(fā)射工裝的軸向方向或高溫合金基體背面的法線方向，壓縮空氣管里的壓縮空氣對準(zhǔn)工裝夾具后側(cè)的螺紋孔及傳感器進(jìn)行冷卻。待每個循環(huán)的冷卻階段結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺又朝著先前的反方向再做45度角旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一個循環(huán)的加熱階段。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，在循環(huán)冷卻過程中，例如對試樣的正面即涂層的表面施加壓縮空氣流進(jìn)行冷卻，同時在試樣的背面也施加壓縮空氣流進(jìn)行冷卻。在聲發(fā)射工裝的軸線方向即高溫合金基體背面的法線方向也同時施加壓縮空氣冷卻，冷卻的效果使得涂層在每個循環(huán)的冷卻階段內(nèi)，整個試樣降到測試現(xiàn)場的室內(nèi)環(huán)境溫度。
[0019]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置具有循環(huán)切換試樣工位的切換機構(gòu)。優(yōu)選地，該切換機構(gòu)可為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，能夠保證聲發(fā)射系統(tǒng)中的聲發(fā)射傳感器得到比較好的冷卻效果。
[0021]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述聲發(fā)射信號檢測裝置可裝卸地固定在與所述高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置對應(yīng)的試樣工位上。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，聲發(fā)射信號檢測裝置比較容易方便地固定在高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置對應(yīng)的試樣工位上，具有安裝方便，拆卸簡易的特點。
[0023]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述聲發(fā)射信號檢測裝置具有聲發(fā)射信號接觸與耦合通道。該通道即是聲發(fā)射信號傳輸?shù)穆窂?，為保證發(fā)射信號傳輸路徑暢通，在聲發(fā)射信號測試工裝連接的各個界面處采用高溫傳聲膠耦合，從而保證采集到的聲發(fā)射信號不失真并且信號連續(xù)不間斷。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，涂層熱循環(huán)考核與聲發(fā)射信號檢測同步進(jìn)行，聲發(fā)射信號能實時跟蹤涂層失效的動態(tài)行為，聲發(fā)射信號檢測裝置耦合在循環(huán)熱考核裝置上，組成一個聯(lián)合測試的單元。
[0025]又，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種采用上述測試系統(tǒng)進(jìn)行的熱障涂層失效的測試方法，包括:將涂層試樣固定于高溫強熱流密度循環(huán)熱考核裝置中，并對所述涂層試樣進(jìn)行循環(huán)加熱;通過聲發(fā)射信號檢測裝置的聲發(fā)射傳感器對涂層失效過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)行檢測;通過所述聲發(fā)射信號檢測裝置的聲發(fā)射信號處理單元接收來自所述聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射信號并進(jìn)行處理