CN115114733A - 一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，该方法包括：梳理航空发动机涡轮叶片的工程研制需求，将需求转化为设计输入，根据该设计输入的约束，确定涡轮叶片的涂层参数，其中，所述涂层参数包括涂层工艺、涂层厚度、涂层‑基体匹配度；开展试验影响因素敏感度分析，确定影响叶片涂层寿命的敏感参数和非敏感参数；针对敏感参数，开展带涂层的简易试验件热冲击试验，满足要求下进一步开展带涂层的单个叶片热冲击试验，满足要求下进一步开展带涂层的简易试验件隔热试验，满足要求下进一步开展带涂层的单个叶片隔热试验，满足要求下进一步开展带涂层的整机叶片隔热试验；在满足整机要求的基础上，固化涂层工艺参数。

Description

一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验技术领域，特别涉及一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法。
背景技术
近年来，随着航空发动机性能要求的提升，对涡轮叶片的承温能力有了更高的需求，传统的复合气膜冷却叶片已逼近工程设计的极限，无大幅度提升的空间，仅采用气膜冷却的涡轮叶片冷却技术已不能够满足高效率涡轮对进口温度的要求，因此叶片隔热涂层技术成为新的突破口。
目前，在叶片隔热涂层设计上主要集中在理论仿真设计和平板试片单项验证，理论仿真设计层面主要开展对涂层机理的仿真，对影响涂层功能性和耐久性的关键参数缺少梳理和甄别；在试验验证层面，主要集中在涂层的隔热效果上，缺乏对热冲击寿命的验证，忽略了对涂层耐久性的要求，且在验证时缺乏涂层影响因素敏感性分析的过程，导致诸多不敏感参数被带入验证过程，降低了验证效率，并增加了额外的不必要成本。此外，采用平板试片进行验证，严重脱离了叶片的特征结构，且涂层与基体的结合紧致性与构件的结构形式和服役环境息息相关，现有技术中缺乏涡轮叶片整机层面的试车验证，没有形成试件-构件-整机级的多层级验证流程。
因此，迫切需要一种有效的涡轮叶片涂层多层级试验验证方法，以满足隔热涂层在涡轮叶片上的工程应用。
发明内容
本申请的目的是提供了一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，所述方法包括：
步骤1、梳理航空发动机涡轮叶片的工程研制需求，将需求转化为设计输入，根据该设计输入的约束，确定涡轮叶片的涂层参数，其中，所述涂层参数包括涂层工艺、涂层厚度、涂层-基体匹配度；
步骤2、开展试验影响因素敏感度分析，确定影响叶片涂层寿命的敏感参数和非敏感参数；
步骤3、针对敏感参数，开展带涂层的简易试验件热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤4、在步骤3的基础上，开展带涂层的单个叶片热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤5、在步骤4的基础上，开展带涂层的简易试验件隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤6、在步骤5的基础上，开展带涂层的单个叶片隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤7、在步骤6的基础上，开展带涂层的整机叶片隔热试验，并判断试验结果是否满足整机要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤8、在满足整机要求的基础上，固化涂层工艺参数，形成满足工程使用需求的涂层工艺。
进一步的，所述简易试验件包括圆管试验件和/或平板试验件。
进一步的，所述带涂层的简易试验件和带涂层的单个叶片热冲击试验的试验参数及指标要求参照相应的试验标准执行。
进一步的，所述带涂层的简易试验件和带涂层的单个叶片隔热试验的试验参数及指标要求参照相应的试验标准执行。
本申请提供的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法相比于现有技术来说，经过了涂层影响因素敏感性分析，剔除了对涂层力学性能和寿命可靠性影响较低的因素，提高了试验验证效率，降低了试验成本；综合考虑了涂层隔热效果和热冲击寿命验证，在保证涂层功能性(隔热效果)的同时，进一步考虑了涂层的耐久性和可靠性(热冲击寿命)，延长了涂层使用寿命，降低了后续验证及使用风险；开展了涡轮叶片整机级试车验证，形成了试件-构件-整机级多层级、完整的试验验证流程，技术成熟度高，验证后的涂层工艺可直接进行工程应用，缩短了验证周期。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的涡轮叶片涂层寿命多层级验证方法流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法将基于工程需求的敏感参数进行甄别和筛选并纳入试验验证流程，提升验证迭代效率，开展基于涡轮叶片服役工况的热冲击试验，筛选满足涡轮叶片服役寿命需求的工艺参数，进一步契合涡轮叶片寿命设计要求，最后开展涡轮叶片挂片试车验证，建立试件-构件-整机级多层级试验验证流程；
如图1所示，本申请的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法具体过程包括：
步骤1、梳理航空发动机涡轮叶片的工程研制需求，将需求转化为设计输入，根据该设计输入的约束，确定涡轮叶片的涂层参数。
其中，涂层参数主要包括：
涂层工艺：所述涂层工艺包括涂层化学工艺和物理工艺，如等离子涂层、电子束气象沉积涂层等；
涂层厚度：所述涂层厚度为涂层喷涂厚度，涂层厚度会直接影响涂层的力学性能；
涂层-基体匹配度：喷涂过程中，涂层会进一步渗入基体，一方面对基体的力学性能产生影响，另一方面形成涂层-基体沾合层，决定了涂层与基体的结合强度。
步骤2、开展试验影响因素敏感度分析，着重分析与步骤1中需求相关的影响因素，最终确定影响叶片涂层寿命的敏感参数和非敏感参数，对敏感参数进一步开展验证工作。
在本申请中，敏感参数主要包括涂层工艺参数(例如涂层处理时的温度、浓度、保持时间等)和涂层-基体匹配度参数(例如不同的单晶、陶瓷、高温合金等基体材料与涂层的匹配能力)，非敏感参数主要包括涂层厚度。
步骤3、针对敏感参数，开展带涂层的圆管试验件热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层工艺、涂层厚度等进行调整优化；如果达到指标要求，进入下一步。
需要说明的是，热冲击试验的试验参数及指标要求等可参照相应的试验标准，本处不再赘述。
步骤4、在步骤3的基础上，开展带涂层的单个叶片热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层工艺、涂层厚度等进行调整优化；如果达到指标要求，进入下一步。
步骤5、在步骤4的基础上，开展带涂层的圆管试验件隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层工艺、涂层厚度等进行调整优化；如果达到指标要求，进入下一步。
需要说明的是，隔热试验的试验参数及指标要求等可参照相应的试验标准，本处不再赘述。
步骤6、在步骤5的基础上，开展带涂层的单个叶片隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层工艺、涂层厚度等进行调整优化；如果达到指标要求，进入下一步。
步骤7、在步骤6的基础上，开展带涂层的整机叶片隔热试验，并判断试验结果是否满足整机要求，如果未达到指标要求，则对涂层工艺、涂层厚度等进行调整优化；如果达到指标要求，进入下一步；
步骤8、在满足整机要求的基础上，固化涂层工艺参数，形成满足工程使用需求的涂层工艺。
相对现有技术，本申请提供的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法相比于现有技术来说，经过了涂层影响因素敏感性分析，剔除了对涂层力学性能和寿命可靠性影响较低的因素，提高了试验验证效率，降低了试验成本；综合考虑了涂层隔热效果和热冲击寿命验证，在保证涂层功能性(隔热效果)的同时，进一步考虑了涂层的耐久性和可靠性(热冲击寿命)，延长了涂层使用寿命，降低了后续验证及使用风险；开展了涡轮叶片整机级试车验证，形成了试件-构件-整机级多层级、完整的试验验证流程，技术成熟度高，验证后的涂层工艺可直接进行工程应用，缩短了验证周期。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、梳理航空发动机涡轮叶片的工程研制需求，将需求转化为设计输入，根据该设计输入的约束，确定涡轮叶片的涂层参数，其中，所述涂层参数包括涂层工艺、涂层厚度、涂层-基体匹配度；
步骤2、开展试验影响因素敏感度分析，确定影响叶片涂层寿命的敏感参数和非敏感参数；
步骤3、针对敏感参数，开展带涂层的简易试验件热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤4、在步骤3的基础上，开展带涂层的单个叶片热冲击试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤5、在步骤4的基础上，开展带涂层的简易试验件隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤6、在步骤5的基础上，开展带涂层的单个叶片隔热试验，并判断试验结果是否达到指标要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤7、在步骤6的基础上，开展带涂层的整机叶片隔热试验，并判断试验结果是否满足整机要求，如果未达到指标要求，则对涂层参数进行调整优化，如果达到指标要求，进入下一步；
步骤8、在满足整机要求的基础上，固化涂层工艺参数，形成满足工程使用需求的涂层工艺。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，其特征在于，所述简易试验件包括圆管试验件和/或平板试验件。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，其特征在于，所述带涂层的简易试验件和带涂层的单个叶片热冲击试验的试验参数及指标要求参照相应的试验标准执行。
4.如权利要求2所述的涡轮叶片涂层寿命多层级试验验证方法，其特征在于，所述带涂层的简易试验件和带涂层的单个叶片隔热试验的试验参数及指标要求参照相应的试验标准执行。
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