CN109883938A - 一种热障涂层cmas高温腐蚀的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：将腐蚀介质涂覆在具有热障涂层的样品表面；将涂覆有腐蚀介质的样品在第一预设温度下加热预设时间，使腐蚀介质烧结于样品表面；将加热后的涂覆有腐蚀介质的样品固定于预设位置；向样品表面喷射高温气流，使样品表面温度达到第二预设温度，实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态。本发明通过向涂覆有腐蚀介质的热障涂层喷射高温气流，准确模拟了航空发动机叶片热障涂层在真实使用环境中所受到的CMAS高温腐蚀影响，给热障涂层材料的设计和选择提供了可靠的依据，克服了检测过程中使用航空发动机进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了叶片热障涂层受CMAS高温腐蚀影响的检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法。
背景技术
航空发动机的发展是衡量一个国家国防实力和科技水平的重要标志，提高航空发动机的推重比与涡轮前进口温度是提高发动机性能的重要措施和必然趋势。热障涂层技术、高温单晶合金材料、冷却气膜技术列为航空发动机高温热防护的三大核心技术。然而，单晶高温合金和冷却气膜技术已基本接近材料的熔点和加工技术极限，热障涂层技术是目前提高航空发动机服役温度最切实可行的方法，并且已经在我国的XX10、XX20等型号航空发动机上得到了广泛应用，在其它型号的航空发动机上也有着良好的应用前景。热障涂层过早剥落失效极大的限制了其发展与安全应用，这种情况在我国尤为严重，成为了制约我国热障涂层安全应用的重要瓶颈。
经过半个多世纪的研究，人们逐渐提炼出热障涂层高温氧化、CMAS腐蚀、硬质颗粒冲蚀是造成涂层剥落的三大关键因素。由这三个关键因素所构成的极其恶劣的多场耦合服役环境导致服役过程中的热障涂层迅速剥落失效，暴露出合金基底，进而导致航空发动机损坏、飞机失事等严重后果。这是因为热障涂层在高温、冲蚀、腐蚀且马赫数多变的服役环境下，会发生相变、烧结、氧化、冲蚀、腐蚀等多种复杂的失效形式，并最终导致涂层的开裂、剥落失效。为了充分研究和有效预测热障涂层材料的热力化失效和可靠性问题，通过相关的试验加载装置来模拟热障涂层的热、力、化多场耦合环境对其破坏机理进行分析是热障涂层领域的研究热点和发展趋势。
造成热障涂层剥落失效的关键环境因素之一是飞行过程吸入的一些灰尘、沙粒以及火山爆发后残留的火山灰在高温下熔化粘结在涂层表面，与涂层发生反应，并最终导致剥落失效，即CMAS高温腐蚀。为研究热障涂层高温腐蚀的破坏机制，改善涂层服役寿命，就必须模拟热障涂层高温腐蚀环境，而传统的发动机试车方法耗资巨大，效率低，检测困难。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，通过向涂覆有腐蚀介质的热障涂层喷射高温气流，准确模拟了航空发动机叶片热障涂层在真实使用环境中所受到的CMAS高温腐蚀影响，给热障涂层材料的设计和选择提供了可靠的依据，克服了检测过程中使用航空发动机进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了叶片热障涂层受CMAS高温腐蚀影响的检测效率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：
S200，将腐蚀介质涂覆在具有热障涂层的样品表面；
S300，将涂覆有所述腐蚀介质的所述样品在第一预设温度下加热预设时间，使所述腐蚀介质烧结于所述样品表面；
S400，将加热后的涂覆有所述腐蚀介质的所述样品固定于预设位置；
S500，向所述样品表面喷射高温气流，使所述样品表面温度达到第二预设温度，实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态。
进一步地，热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法还包括如下步骤：
S100，对所述样品表面进行打磨去除毛刺，且使用酒精进行超声波清洗。
进一步地，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态之前，还包括如下步骤：通过冷却气体对所述样品进行冷却。
进一步地，所述样品包括：试片样品或叶片样品；所述冷却气体通过冷却通道垂直吹向所述试片样品远离所述高温气流的一侧；或，所述冷却气体垂直吹入所述叶片样品榫头的冷却通道内。
进一步地，所述腐蚀介质包括钙、镁、铝和/或硅的氧化物。
进一步地，所述腐蚀介质按照预设浓度均匀涂覆于所述样品的表面。
进一步地，步骤S500中所述使样品表面温度达到第二预设温度，包括：调整所述超音速喷枪与所述样品的距离，使所述样品表面温度达到第二预设温度；和/或，调整所述燃料气源的压力和/或流量，使所述样品表面温度达到第二预设温度。
进一步地，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态，包括：通过红外测温仪和/或热电偶采集所述样品的温度；和/或，通过CCD工业相机和/或红外热像仪采集所述样品表面的表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；和/或，通过声发射仪采集所述热障涂层内部裂纹损伤信号。
进一步地，所述红外测温仪测量所述样品靠近所述高温气流的一侧的温度；和/或，所述热电偶测量所述样品的内部温度和/或远离所述高温气流的一侧的温度。
进一步地，所述声发射仪与波导杆的一端连接；所述波导杆的另一端与烧结有所述腐蚀介质的所述样品远离所述高温气流的一侧固定连接。
进一步地，所述高温气流的生成步骤为：将煤油增压至预设压力，并进行雾化，得到雾化煤油；将所述雾化煤油与氧气混合，得到燃料气源；将所述燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到所述高温气流。
进一步地，所述氧气的流量为130-250L/min；和，所述雾化煤油的流量为3-6L/h；和，所述雾化煤油的压力为0.6-1.2MPa，所述氧气的压力比所述雾化煤油的压力高0.2MPa。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过向涂覆有腐蚀介质的热障涂层喷射高温气流，准确模拟了航空发动机叶片热障涂层在真实使用环境中所受到的CMAS高温腐蚀影响，给热障涂层材料的设计和选择提供了可靠的依据，克服了检测过程中使用航空发动机进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了叶片热障涂层受CMAS高温腐蚀影响的检测效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明实施例提供的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法流程图。
请参照图1，本发明实施例提供一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，包括：
S100，对样品表面进行打磨去除毛刺；和/或，对所述样品进行超声波清洗。将样品表面的毛刺打磨后，可以提高样品表面的平整度，在进行腐蚀检测时可以提高检测的精度，降低误差。相似的，对样品进行超声波清洗，清除样品表面所沾染的各种污物，提高样品表面的清洁度，进而提高腐蚀检测的精度，降低误差。
可选的，使用410目的金刚砂纸轻轻地打去样品表面的毛刺。
可选的，使用酒精对样品进行超声波清洗。
S200，将腐蚀介质涂覆在具有热障涂层的样品表面。
可选的，腐蚀介质包括钙、镁、铝和/或硅的氧化物。
腐蚀介质按照预设浓度均匀涂覆于样品的表面。可选的，预设浓度为13mg/cm2。可以确保在检测过程中，预设浓度的腐蚀介质可以确保始终对热障涂层进行高温腐蚀。
S300，将涂覆有腐蚀介质的样品在第一预设温度下加热预设时间，使腐蚀介质烧结于样品表面。
可选的，将涂覆有腐蚀介质的样品放入高温电阻炉内在900℃下加热0.5小时，使腐蚀介质烧结于样品的表面。
相应的，第一预设温度为900℃，预设时间为0.5小时。
S400，将加热后的涂覆有腐蚀介质的样品固定于预设位置。
在本发明实施例的一个实施方案中，使用特制夹具将样品固定于预设位置，用于高温气流的超音速喷枪的喷口垂直朝向样品一个侧面的表面。
S500，向样品表面喷射高温气流，使样品表面温度达到第二预设温度，实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态。
高温气流的生成步骤为：通过氮气对煤油进行增压，并增压至0.6MPa-1.2MPa；使用液体雾化装置对增压后的煤油进行雾化，得到雾化煤油；将雾化煤油与氧气混合，得到燃料气源；将燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到高温气流。
可选的，煤油流量的范围为3L/h-6L/h；氧气的流量为130L/min-250L/min，压力为0.8-2.4MPa；煤油为航空煤油。
在本发明实施例的一个实施方式中，高温气流是在超音速喷枪点燃雾化煤油与氧气的混合物得到，为使超音速喷枪的火焰达到超音速，需要配置相应的拉法尔喷嘴，还需要雾化煤油和氧气的压力和流量达到各自的预设值。
氧气的流量为130-250L/min；和/或，雾化煤油的流量为3-6L/h；和/或，雾化煤油的压力为0.6-1.2MPa，氧气的压力比雾化煤油的压力高0.2MPa。当氧气流量为130L/min，雾化煤油的流量为3L/h时，雾化煤油的压力为0.6-1.2MPa，满足实验装置启动要求，当氧气流量为250L/min，雾化煤油的流量为6L/h时，雾化煤油的压力为0.6-1.2MPa，可以使高温气流加热到1250℃-1300℃。
可选的，步骤S500中使样品表面温度达到第二预设温度，包括：调整超音速喷枪与样品的距离，使样品表面温度达到第二预设温度；和/或，调整燃料气源的压力和/或流量，使样品表面温度达到第二预设温度。
可选的，第二预设温度的范围为1250℃-1300℃，保证了腐蚀介质可以融化并深入样品表面的热障涂层中。
步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态之前，还包括如下步骤：
通过冷却气体对所述样品进行冷却。
可选的，冷却气体的压力为0.1MPa-1MPa，流量为0L/min-100L/min。首先，冷却气体的压力和流量处于上述数值范围时，可以使样品在高温气流冲击中具有一定的温度梯度，此时的服役环境更加接近真实的工作环境；其次，冷却气体的压力和流量处于上述数值范围时，可以在检测过程中在高温气流停止2分钟后迅速将样品表面的热障涂层降至常温，实现快速冷却。
可选的，样品包括：试片样品或叶片样品。
当样品为试片样品时，冷却气体通过冷却通道垂直吹向试片样品远离高温气流的一侧，对试片样品进行冷却，模拟航空发动机叶片的真实工作环境。
当样品为叶片样品时，冷却气体垂直吹入叶片样品榫头的冷却通道内，对试片样品进行冷却，模拟航空发动机叶片的真实工作环境。
可选的，当样品为试片样品时，试片样品为圆片状，其直径为30mm，厚度为5mm。
可选的，冷却气体的通流量为100L/h。
当样品表面的温度达到第二预设温度时，实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态，包括：通过红外测温仪和/或热电偶采集样品的温度；和/或，通过CCD工业相机和/或红外热像仪采集样品表面的表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；和/或，通过声发射仪采集热障涂层内部裂纹损伤信号。
红外测温仪测量样品靠近高温气流的一侧的温度；和/或，热电偶测量样品的内部温度和/或远离高温气流的一侧的温度。
为防止普通信号传输线被高温或氧化破坏，本发明实施例采用了高温波导杆。高温波导杆的一端与样品远离高温气流的一侧固定连接，其另一端与声发射仪连接。
在本发明的一个具体实施方式中，对热障涂层CMAS高温腐蚀的检测过程的步骤如下：
S100：将包含热障涂层的样品表面进行打磨去除毛刺，并使用酒精进行超声波清洗；其中，样品的大小为
S110：制备腐蚀介质，腐蚀介质为33CaO–9MgO–13AlO1.5–45SiO2(mol％)。
S200：将腐蚀介质按照浓度13mg/cm2均匀涂覆在样品表面。
S300：将涂覆有腐蚀介质的样品放入高温电路内，在900℃下加热0.5小时，使腐蚀介质烧结于样品表面。
S310：在烧结好的样品远离高温气流的一侧焊接一根直径为1.4mm的波导杆，用以连接声发射采集***。
S320：通过氮气对航空煤油增压至0.64MPa，利用液体雾化装置对增压航空煤油进行雾化，且与氧气合并生成燃料气源；其中，航空煤油的流量为5.7L/h，氧气的压力为1.3MPa，氧气的流量为230L/min，且氧气的压力比雾化航空煤油的压力至少大0.2MPa。
S330：对空气进行增压，得到冷却气体；其中，冷却气体的压力为0.5MPa，冷却气体的流量为50L/min。
S400:将加热后的涂覆有所述腐蚀介质的所述样品固定于预设位置。
S510：在超音速喷枪内通过电火花将燃料气源点燃，产生高温气流。
S520：调整超音速喷枪与样品的距离，并调节燃料气源的压力和流量，使样品靠近高温气流一侧的表面温度达到1250℃。
S530：将冷却气体通过冷却通道通向样品远离高温气流的一侧表面。
S540：通过红外测温仪和热电偶获取样品靠近高温气流一侧的表面温度、远离高温气流一侧的表面温度及样品内部温度；通过工业CCD相机和红外热成像仪获取样品表面、界面形貌图演变及裂纹萌生与扩展；通过PCI-2声发射采集***获取样品热障涂层内部裂纹损伤信号。
本发明实施例旨在保护一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，包括如下步骤：将腐蚀介质涂覆在具有热障涂层的样品表面；将涂覆有腐蚀介质的样品在第一预设温度下加热预设时间，使腐蚀介质烧结于样品表面；将加热后的涂覆有腐蚀介质的样品固定于预设位置；向样品表面喷射高温气流，使样品表面温度达到第二预设温度，实时采集样品的温度及热障涂层的涂层状态。上述方案具备如下有益的技术效果：
通过向涂覆有腐蚀介质的热障涂层喷射高温气流，准确模拟了航空发动机叶片热障涂层在真实使用环境中所受到的CMAS高温腐蚀影响，给热障涂层材料的设计和选择提供了可靠的依据，克服了检测过程中使用航空发动机进行测试时所带来的成体高昂的问题，提高了叶片热障涂层受CMAS高温腐蚀影响的检测效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S200，将腐蚀介质涂覆在具有热障涂层的样品表面；
S300，将涂覆有所述腐蚀介质的所述样品在第一预设温度下加热预设时间，使所述腐蚀介质烧结于所述样品表面；
S400，将加热后的涂覆有所述腐蚀介质的所述样品固定于预设位置；
S500，向所述样品表面喷射高温气流，使所述样品表面温度达到第二预设温度，实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态。
2.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS腐蚀的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S100，对所述样品表面进行打磨去除毛刺，且使用酒精进行超声波清洗。
3.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态之前，还包括如下步骤：
通过冷却气体对所述样品进行冷却。
4.根据权利要求3所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述样品包括：试片样品或叶片样品；
所述冷却气体通过冷却通道垂直吹向所述试片样品远离所述高温气流的一侧；或
所述冷却气体垂直吹入所述叶片样品榫头的冷却通道内。
5.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述腐蚀介质包括钙、镁、铝和/或硅的氧化物。
6.根据权利要求5所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述腐蚀介质按照预设浓度均匀涂覆于所述样品的表面。
7.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，步骤S500中所述使样品表面温度达到第二预设温度，包括：
调整所述超音速喷枪与所述样品的距离，使所述样品表面温度达到第二预设温度；和/或
调整所述燃料气源的压力和/或流量，使所述样品表面温度达到第二预设温度。
8.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，步骤S500中所述实时采集所述样品的温度及所述热障涂层的涂层状态，包括：
通过红外测温仪和/或热电偶采集所述样品的温度；和/或
通过工业CCD相机采集所述样品热障涂层表面形貌；和/或
通过红外热成像仪采集所述样品热障涂层表界面形貌演变及裂纹萌生与扩展；和/或
通过声发射仪采集所述样品热障涂层内部裂纹损伤信号。
9.根据权利要求8所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述红外测温仪测量所述样品靠近所述高温气流的一侧的温度；和/或
所述热电偶测量所述样品的内部温度和/或远离所述高温气流的一侧的温度。
10.根据权利要求8所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述声发射仪与波导杆的一端连接；
所述波导杆的另一端与烧结有所述腐蚀介质的所述样品远离所述高温气流的一侧固定连接。
11.根据权利要求1所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，所述高温气流的生成步骤为：
将煤油增压至预设压力，并进行雾化，得到雾化煤油；
将所述雾化煤油与氧气混合，得到燃料气源；
将所述燃料气源在超音速喷枪内点燃，得到所述高温气流。
12.根据权利要求11所述的热障涂层CMAS高温腐蚀的检测方法，其特征在于，
所述氧气的流量为130-250L/min；和/或
所述雾化煤油的流量为3-6L/h；和/或
所述雾化煤油的压力为0.6-1.2MPa，所述氧气的压力比所述雾化煤油的压力高0.2MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190614 |