CN101762452A - 一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温部件检测设备领域，具体涉及的是一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置。装置主要包括：高温燃气双向加热***、实时温度测试采集***、冷却***、ARAMIS非接触式三维变形测试***、PCI-2声发射无损检测***、1260+1296型材料电性能交流阻抗谱测试***、试验控制平台等。该装置能够模拟高性能航空发动机内温度交变循环的热疲劳工作环境，并同步实现对试样的温度、温度梯度、表面形貌图像演变、三维变形场、三维位移场、界面氧化层及其增厚规律、热疲劳裂纹萌生与扩展、冷却气流量等数据实时测试和分析。该装置可为有效评估高温部件在高温热循环环境下的疲劳失效过程及失效机理提供重要的实验平台。
Description
技术领域
本发明属于高温部件检测设备领域，具体涉及的是一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，特别涉及的是一种用于模拟航空发动机高温合金和带热障涂层高温部件的热疲劳工作环境，并实现多个热疲劳失效参数实时测试的试验装置。
背景技术
近年来，随着航空发动机向高涵道比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，发动机高温部件的工作温度越来越高，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，如燃气压力与第一代机器相比已提高3倍，燃气温度已超过1650℃，这使得高温部件的强度、可靠性和隔热问题就显得尤为突出。为了保证发动机高温金属部件的性能，尽可能延长发动机的寿命，研发人员不断提出新的解决方法：一方面，改进高温合金的制备工艺，提高其熔点和高温强度等指标；另一方面，利用非金属高熔点高强度的特点，使用单体结构陶瓷氮化硅、碳化硅和氧化锆以及陶瓷基复合材料代替部分高温合金，或者涂覆在高温合金表面以起到隔热降温保护作用；其次是设计先进的复合冷却方式，降低高温部件的表面及内部温度，延长了高温部件的使用寿命。然而，在实际服役中，由于高温氧化、材料参数不匹配、高温材料变形、热应力等因素影响，这些高温部件(如涡轮叶片、导向叶片、叶槽、转子等)长期处于高温、高燃气冲蚀、高次热疲劳的恶劣服役环境，通常出现开裂、脱落、界面分离等热疲劳失效和断裂，降低了高温部件的使用寿命和可靠性。
热疲劳是由于温度变化引起的材料自由膨胀或收缩受到约束。其结果是在材料内部因变形受限制而产生热应力。当温度反复变化时，这种热应力也反复变化，致使材料受到损伤。航空发动机内很多高温部件(如火箭筒、气缸、发动机的进排气管道、锻模等)经常承受热应力反复加载作用而出现热疲劳裂纹。而热疲劳裂纹一般沿表面热应变最大的区域形成的，也常从应力集中处萌生。那么对于实际工作环境，我们如何监测这些具有复杂几何形状高温部件材料的热应变和热应力？如何监测判断高温部件疲劳裂纹的萌生、扩展的时刻和具***置？如何判定这些高温部件的疲劳失效时间和使用寿命？面对这些棘手的高温测试难题，目前国内外航天工作者主要通过地面模拟服役环境的地面试验，如热冲击试验、高温风洞实验、发动机试车台整机实验、单管燃烧器等。尽管这些方法能够模拟航空发动机内的某些工作环境，但是人力、物力耗费很大，实验设备要求高，而且缺乏或无法实时获得试样的关键信息，因此很难一种用于航空发动机的前期产品研发和中试试验。因此通过设计相关试验装置和模拟试验，如何经济有效地对高温部件热疲劳断裂失效行为进行表征，将是航天工作者必须直接面对的现实工程问题。
目前涉及到模拟和测试航空发动机内高温部件热疲劳性能方面的试验装置有：宫声凯等人为改善现有环境试验模拟装置中只能模拟单一环境状况的缺陷，设计和研制了一类热障涂层服役环境模拟装置(专利公开号：CN1699994)，对空心圆柱形热障涂层试样能够实现温度和机械载荷同步上升、保持和下降，能够实时测试温度分布、界面裂纹扩展情况。虽然该装置能模拟航空发动机的工作环境，主要侧重于在加载和加温条件下，测试普通涂层试样的界面氧化、裂纹扩展情况，但是还不具备实时测试高温部件的表面形貌、整体变形情况和应力分布的功能。成来飞等人公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置(专利公开号：CN1546974A)，其装置是将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合，采用氮化硅结合碳化硅陶瓷作为燃烧室内衬来提高燃烧室的耐高温水平，其试件架+转动铰链+转动手柄的结构可进行热震模拟。
发明内容
本发明的目的是解决现有实时检测高温部件热疲劳失效中存在的棘手难题，提供一种用于模拟与实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，并在试验过程中实现对多个热疲劳参数进行原位测试，为高温部件的热疲劳性能以及可靠性评估提供有效的解决办法。
本发明采用的技术方案为：所述试验装置结构包括：试验测试台，以及分别与该试验测试台连接的高温燃气双向加热***、温度测试采集***、冷却***、非接触式三维变形测试***、声发射无损检测***、交流复阻抗频谱监测***、试验控制平台。
试验测试台结构为：在试验测试平台上中间位置安装有1个用于夹持试样的夹具及夹具固定装置，夹具上下位置可调；在夹具的两侧分别设置由内定位板和外定位板支撑的移动导轨，在移动导轨上设置喷枪固定装置，在夹具的一侧、靠近夹具的位置设置一个或多个热电偶固定装置，在其中一个外定位板的外侧设置2个CCD摄像机。
所述高温燃气双向加热***包括2个特制的加热喷枪，加热范围为20℃～3000℃，用喷枪固定装置固定，由伺服电机控制喷枪移动；所述喷枪固定装置内通有冷却循环水。
所述试验控制平台控制试验测试平台上的所有机械传动以及实验数据的采集；试验控制平台上包括温度显示仪、计算机显示器、行程控制开关、电源指示灯、急停开关、工作状态显示灯、冷却***控制开关、冷却***工作指示灯、计算机。
所述温度测试采集***包括热电偶、温度显示仪、温度采集软件，所述热电偶与试验控制平台上的温度显示仪连接。
所述热电偶采用B型1600℃的铂铑热电偶，测定试样的表面、内通道、冷却气体出口六点温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试。
所述冷却***包括空气压缩机、冷却水箱、流量阀、冷却通道入口；冷却气体经冷却通道入口及冷却水箱，由试样内部冷却通道的底部入口进入，经试样内通道，由顶部的冷却气体出口排出。
所述非接触式三维变形测试***为ARAMIS非接触式三维变形在线测量***，完成在高温环境下对试样的应变场分布、应力场分布和位移场分布情况进行实时测试和分析。
所述声发射无损检测***为灵敏度在10-8cm量级的PCI-2型声发射无损检测***，实现在高温热循环条件下，对试样内部动态原位检测裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。
所述交流复阻抗频谱监测***为1260+1296型材料电性能交流阻抗频谱监测***，对带热障涂层的试样进行热障涂层内部结构、裂纹萌生以及界面氧化的实时测试。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述试验装置的高温燃气双向加热***以高速氧乙炔火焰作加热源，升温和降温速率快，可达到航空发动机内高温材料的工作温度。该加热***是采用对称结构的双向环绕加热方式，使试样表面受热较均匀，再通过机械传动装置控制加热火焰枪到试样表面的距离，可以方便地调节加热区域和加热温度，模拟高温热疲劳服役环境。加热***的特点是：加热的温度范围宽，可实现从20℃～3000℃范围的加热；操作简单，试验设备容易实现，试验成本低，并且便于实现与其它测试仪器一起协调测试。
(2)本发明所述试验装置有2种不同类型的冷却装置，一种是对高温夹具的冷却***，通以冷却水的方式进行冷却；另一种是对带冷却通道的试样进行冷却，通以冷却空气的方式进行冷却。例如以带热障涂层的空心涡轮叶片试样为例，对涡轮叶片底端做加工处理，设置内螺纹，接冷却通道，通冷却空气对涡轮叶片进行内流冷却，保证叶片内表面温度保持在设定的温度，进而实现从陶瓷表面至叶片内表面形成一个温度梯度。冷却气流量由流量阀控制和测量。通过外接热电偶，可以测量记录试样表面、试样内部、冷却气流等6点温度数据，有效评价涂层的隔热效果。
(3)本发明所述试验装置采用德国GOM公司生产的ARAMIS非接触式三维变形在线测量***作为高温环境下试样三维变形测试装置。其测试原理是采用数字图像相关方法(DIC法)，即对待测物体拍摄变形前后两幅散斑场，***软件将散斑场转成数字散斑场进行运算，可以量测真实物体的面内移动、实现非接触、全场性、现地使用、及便于自动化。该仪器的主要技术参数有：被测量试样表面温度可高达1500℃；CCD摄像机分辨率是2448×2050像素；实时数据处理，其采样频率是15-29Hz；应变测量范围：0.01％～500％；离面应变的测量最大值是140mm。
(4)本发明所述试验装置采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射动态原位检测及信号采集处理***，动态实时监测在热疲劳模拟试验过程中带隔热涂层的高温部件试样内部或表面裂纹的萌生与扩展过程。其测试原理是：当涂层内部及表面产生裂纹时，将发射出声波。采用双通道的探测器，该***能够对声波的检测来判断裂纹的位置、类型。该仪器的主要技术参数是：内置的18位A/D转换器和处理器更适一种用于低振幅、低门槛值(17dB)的设置、最大信号幅度100dB、动态范围＞85dB、4个高通和6个低通；PCI-2上装有声发射数据流量器，可将声发射波形不断的转向硬盘，速度可达10M个/秒；PCI-2板上装有2个可选参数通道，该通道有16位的A/D转换器，速度为10000个/秒，并行多个FPGA处理器和ASIC IC芯片。
(5)本发明所述试验装置选用英国Solartron公司的1260+1296型材料电性能交流阻抗谱测试***。该装置具有对带涂层高温部件的物理性能、微观结构、化学组成、缺陷等非常敏感的特点，可以实现在高温材料的服役过程中对上述的变化进行原位评估与监测。该仪器的主要技术参数是：电流范围是200nA～2A；电流分辨率是1pA；电压范围是±14.5V；电压分辨率是1μV；频率范围是10μ～1MHz。
综上所述，本发明的试验装置具有以下突出的特点：a.能模拟航空发动机内温度交变循环的热疲劳工作环境，获得有针对性的试验结果，为预测高温部件的服役寿命提供重要的实验依据。b.能够实时测试复杂几何形状试样的温度、温度梯度、表面形貌图像演变、三维变形场、三维位移场、界面氧化层及其增厚规律、热疲劳裂纹萌生与扩展情况、冷却气流量。其中本装置一个最突出的功能是：在高温环境下能实时获得高温部件的整体变形分布情况，这将对有效预测高温材料的破坏情况和可靠性提供非常重要的实验数据。目前尚未见具有这方面功能的试验装置的专利报道。c.该装置的工作温度范围宽(最高能达到3000℃)，能完成模拟不同领域内高温部件材料热疲劳失效的测试，应用性强。
附图说明
图1是所述试验装置的整体示意图；
图2是所述试验装置的试验测试台的结构示意图；
图3是所述试验装置的试验控制平台结构示意图；
图4是被测高温试样与测试装置连接关系图。
图中标号：
101-试验测试平台；2-试验控制平台；11-声发射无损检测***；12-温度测试采集***；13-交流复阻抗频谱监测***；14-冷却***；16-非接触式三维变形测试***；102-滑动轮；103-冷却水箱；104-温度计；105-冷却通道入口；106-流量阀；107-夹具固定装置；108-CCD摄像机固定装置；109-CCD摄像机；110-燃气控制开关固定基座；111-夹具；112-喷枪固定装置；113-内定位板；114-外定位板；115-热电偶固定装置；116-移动导轨；201-电源开关；202-行程控制开关；203-工作状态显示灯；204-电源指示灯；205-温度显示仪；206-计算机显示器；207-冷却***控制开关；208-冷却***工作指示灯；209-急停开关；5-试样；501-波导管；502-电极；503-热电偶；504-冷却顶部出口；505-冷却底部入口。
具体实施方式
本发明提供了一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本试验装置的结构包括：试验测试台，分别与该试验测试台连接的高温燃气双向加热***、温度测试采集***12、冷却***14、非接触式三维变形测试***16、声发射无损检测***11、交流复阻抗频谱监测***13、试验控制平台2。
如图2所示，试验测试台结构为：在试验测试平台101上中间位置安装有1个用于夹持试样5的夹具111及夹具固定装置107，夹具111上下位置可调；在夹具111的两侧分别设置由内定位板113和外定位板114支撑的移动导轨116，在移动导轨116上设置喷枪固定装置112，在夹具111的一侧、靠近夹具111的位置设置6个热电偶固定装置115，在其中一个外定位板114的外侧设置CCD摄像机109。
高温燃气双向加热***包括2个特制的加热喷枪，加热范围为20℃～3000℃，用喷枪固定装置112固定，由伺服电机控制喷枪移动；所述喷枪固定装置112内通有冷却循环水。
如图3所示，试验控制平台2控制试验测试平台101上的所有机械传动以及实验数据的采集。试验控制平台2上设有温度显示仪205、计算机显示器206、行程控制开关202、电源指示灯204、急停开关209、工作状态显示灯203、冷却***控制开关207、冷却***工作指示灯208、计算机。
如图4所示，温度测试采集***12包括热电偶503、温度显示仪205、温度采集软件，所述热电偶503与试验控制平台2上的温度显示仪205连接。所述热电偶503采用B型1600℃的铂铑热电偶，测定试样5的表面、内通道、冷却气体出口六点温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试。6只热电偶503分别通过6个自由移动的热电偶固定装置115摆放于试验测试平台101上，热电偶503与试验控制平台2上的温度显示仪205及计算机相连接；冷却空气通过冷却通道入口105，经冷却水箱103，由试样冷却底部入口505进入，经试样冷却顶部出口504排出，***通过流量阀106控制冷却空气流量及测试流量；CCD摄像机109与应变在线测试台4连接；试样5表面安装有两个电极502，分别与交流复阻抗频谱监测***13连接；试样5两端焊接两个波导管501，波导管与声发射无损检测***11连接。
冷却***14包括空气压缩机、冷却水箱103、流量阀106、冷却通道入口105；冷却气体经冷却通道入口105及冷却水箱103，由试样5内部冷却通道的冷却底部入口进入，经试样内通道，由顶部的冷却气体出口排出。
非接触式三维变形测试***16为ARAMIS非接触式三维变形在线测量***，完成在高温环境下对试样5的应变场分布、应力场分布和位移场分布情况进行实时测试和分析。
声发射无损检测***11为灵敏度在10-8cm量级的PCI-2型声发射无损检测***，实现在高温热循环条件下，对试样内部动态原位检测裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。
交流复阻抗频谱监测***13为1260+1296型材料电性能交流阻抗频谱监测***，对带热障涂层的试样5进行热障涂层内部结构、裂纹萌生以及界面氧化的实时测试。
使用所述试验装置对带热障涂层的涡轮叶片进行热疲劳模拟试验及实时测试的步骤为：
第一步，制备试样：采用等离子喷涂工艺，在某型号空心涡轮叶片表面喷涂热障涂层隔热材料。其***组成是：过渡层材料为NiCrAIY合金，其厚度约为100μm；陶瓷粉末材料为含8％Y2O3的二氧化锆，陶瓷层厚度约为300μm。最后在试样表面喷洒一层黑色耐超高温漆，使试样表面形成有较高反光性能的散斑场，以作为ARAMIS非接触式三维变形在线测量***的特征散斑场。
第二步，用电焊设备把测试用的电极502、波导管501分别焊在第一步所完成的带热障涂层的涡轮叶片试样表面和两端金属基底上，把电极502和波导管501另一端连接到声发射无损检测***11和交流复阻抗频谱监测***13，然后把带热障涂层的涡轮叶片试样5固定夹具115上。然后将4支热电偶503固定在涡轮叶片陶瓷涂层表面、1支热电偶固定在涡轮叶片冷却通道的冷却底部入口505处、1支热电偶固定在叶片冷却通道的冷却顶部出口504处。每支热电偶分别连接到温度测试采集***12，并判断各仪器是否正常工作。
第三步，启动ARAMIS非接触式三维变形测试***。调节好CCD摄像头109，确定所关注待测试样的区域，并做好前期标定工作。运行应变测试软件，设定ARAMIS测试软件拍摄频率为1张/5秒，在线测试自动保存数据模式。
第四步，打开试样夹具111和喷枪固定装置112的冷却水开关。打开涡轮叶片内部通道的冷却气体控制开关，使冷却气体从涡轮叶片底部冷却通道进入叶片内，由顶部通孔排出，使陶瓷涂层表面至金属基底内表面形成高温度梯度。
第五步，启动氧乙炔快速双向加热装置，调节燃气气流量，点火8～10秒后燃气温度稳定。通过控制机械传动开关，对涡轮叶片表面进行双面快速加热，升温速率约100℃/s，使表面温度稳定在1150℃左右，并保持5分钟。在该具体实施例中，每一个热循环方式是加热时间10s，保温时间为300s，冷却时间200s。设定热循环次数是500次。
第六步，在热疲劳模拟实验过程中，实时测试和记录带热障涂层的涡轮叶片试样的温度场变化、三维变形场变化、三维位移场变化、陶瓷涂层表面形貌的演变、声发射监测的事件数量、界面氧化层的生长演变规律和涂层脱落情况等。
第七步，待模拟实验完成后，分析和整理实验数据，判断带热障涂层的涡轮叶片中涂层的失效机理和危险区域。
Claims (9)
1.一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，该装置包括：试验测试台，以及分别与该试验测试台连接的高温燃气双向加热***、温度测试采集***(12)、冷却***(14)、非接触式三维变形测试***(16)、声发射无损检测***(11)、交流复阻抗频谱监测***(13)、试验控制平台(2)；
试验测试台结构为：在试验测试平台(101)上中间位置安装有1个用于夹持试样(5)的夹具(111)及夹具固定装置(107)，夹具(111)上下位置可调；在夹具(111)的两侧分别设置由内定位板(113)和外定位板(114)支撑的移动导轨(116)，在移动导轨(116)上设置喷枪固定装置(112)，在夹具(111)的一侧、靠近夹具(111)的位置设置一个或多个热电偶固定装置(115)，在其中一个外定位板(114)的外侧设置2个CCD摄像机(109)。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述高温燃气双向加热***包括2个特制的加热喷枪，加热范围为20℃～3000℃，用喷枪固定装置(112)固定，由伺服电机控制喷枪移动；所述喷枪固定装置(112)内通有冷却循环水。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述试验控制平台(2)控制试验测试平台(101)上的所有机械传动以及实验数据的采集。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述温度测试采集***(12)包括热电偶(503)、温度显示仪(205)、温度采集软件，所述热电偶(503)与试验控制平台(2)上的温度显示仪(205)连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述热电偶(503)采用B型1600℃的铂铑热电偶，测定试样(5)的表面、内通道、冷却气体出口六点温度，实现隔热效果及指定位置的温度测试。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述冷却***(14)包括空气压缩机、冷却水箱(103)、流量阀(106)、冷却通道入口(105)；冷却气体经冷却通道入口(105)及冷却水箱(103)，由试样(5)内部冷却通道的底部入口进入，经试样内通道，由顶部的冷却气体出口排出。
7.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述非接触式三维变形测试***(16)为ARAMIS非接触式三维变形在线测量***，完成在高温环境下对试样(5)的应变场分布、应力场分布和位移场分布情况实时测试和分析。
8.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述声发射无损检测***(11)为灵敏度在10-8cm量级的PCI-2型声发射无损检测***，实现在高温热循环条件下，对试样内部动态原位检测裂纹的萌生、扩展以及裂纹定位。
9.根据权利要求1所述的一种用于模拟和实时测试高温部件热疲劳失效的试验装置，其特征在于，所述交流复阻抗频谱监测***(13)为1260+1296型材料电性能交流阻抗频谱监测***，对带热障涂层的试样(5)进行热障涂层内部结构、裂纹萌生以及界面氧化的实时测试。
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