本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，是一種燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)裝置，為了更加準(zhǔn)確的研究熱障涂層在服役環(huán)境中的熱疲勞壽命。

背景技術(shù)：

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出部件，它工作在高壓(30-50個(gè)大氣壓)、高溫(1100℃)和高應(yīng)力(200-300MPa)環(huán)境中。然而，未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)要求有更高的推重比和更低的耗油率，民航高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)不斷提高增壓比和渦輪前溫度(T4)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)則要求在增加T4的同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，以提高推重比。這些對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出的更高要求使得渦輪葉片的工作環(huán)境進(jìn)一步惡化。為了降低渦輪葉片的工作溫度，需要在葉身設(shè)計(jì)氣模冷卻以及在葉片表面制備熱障涂層。熱障涂層能夠隔離高溫燃?xì)夂蜏u輪葉片基體，使用涂層材料較低的熱導(dǎo)率使得葉片溫度比燃?xì)鉁囟鹊?。有學(xué)者研究表明，厚度為0.25mm的氧化鋯熱障涂層能夠?yàn)槿~片隔熱110-170K。然而，熱障涂層在服役過(guò)程中出現(xiàn)了掉塊、剝落現(xiàn)象，失去熱障涂層保護(hù)的渦輪葉片基體會(huì)局部燒蝕，進(jìn)而縮短葉片服役壽命。因此，研究熱障涂層的氧化和熱疲勞行為是延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命的重要部分。

常用的熱障涂層系統(tǒng)由4層組成，由外到內(nèi)分別是：陶瓷隔熱層(Top Coating，TC)、熱生長(zhǎng)氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)、粘接層(Bond Coating，BC)和高溫合金基體(渦輪葉片)。TC層和高溫合金基體的物理屬性相差較大，所以需要BC層將二者結(jié)合在一起。TGO層是熱障涂層在服役過(guò)程中產(chǎn)生的，是BC層中Al元素被氧化后的產(chǎn)物，其主要成分是Al2O3。TGO是影響熱障涂層熱疲勞壽命的主要因素，當(dāng)TGO層厚度達(dá)到3～5微米時(shí)TC層就有剝落的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究熱障涂層的熱疲勞壽命主要是研究TGO的生長(zhǎng)規(guī)律和TGO附近的裂紋萌生規(guī)律；前者為熱障涂層的氧化行為，后者為熱障涂層的熱疲勞行為。

飛機(jī)的單個(gè)飛行起落包括加速起飛、巡航和減速降落三個(gè)階段。因此，熱障涂層的工作溫度相應(yīng)的包括加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，為梯形溫度載荷譜。如果溫度載荷始終為高溫，則表示熱障涂層氧化試驗(yàn)；如果溫度載荷重復(fù)變化，則表示熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種能夠研究熱循環(huán)次數(shù)與熱障涂層剝落之間關(guān)系的試驗(yàn)裝置。同時(shí)，也能夠研究氧化時(shí)間與TGO生長(zhǎng)規(guī)律的試驗(yàn)裝置。

本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)裝置，包括爐體、燃燒器、直線滑軌與試樣夾具。

所述爐體一端接燃燒器，另一端排氣。爐體底部設(shè)計(jì)有試樣夾具進(jìn)出通道；試樣夾具用來(lái)加裝試樣，安裝于直線滑軌上，通過(guò)直線滑軌控制試樣夾具豎直方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試樣由爐體底部缺口進(jìn)出爐體內(nèi)燃?xì)狻?/p>

上述試樣夾具內(nèi)設(shè)計(jì)有進(jìn)氣通道與排氣通道，同時(shí)試樣設(shè)計(jì)為筒狀試樣，由空氣壓縮機(jī)向進(jìn)氣通道內(nèi)通入冷卻氣后，進(jìn)入試樣內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行冷卻；隨后由排氣通道排出。

在應(yīng)用時(shí)，需先測(cè)量爐體內(nèi)燃?xì)獾臏囟确植家?guī)律，隨后根據(jù)燃?xì)獾臏囟葓?chǎng)和給定的載荷譜確定試樣的上下停留位置和停留時(shí)間，以及運(yùn)動(dòng)速度；由此，將試件夾具運(yùn)動(dòng)參數(shù)翻譯為直線滑軌驅(qū)動(dòng)器使用的機(jī)器語(yǔ)言，驅(qū)動(dòng)試樣夾具運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，能夠模擬高溫燃?xì)獾墓ぷ鳝h(huán)境，更加準(zhǔn)確的研究熱障涂層在服役環(huán)境中的熱疲勞壽命；

2、本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，可以通過(guò)直線滑臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)試樣的熱循環(huán)工作環(huán)境；

3、本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，提供兩種試樣夾具，可以根據(jù)需要靈活選擇合適的。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置中試樣夾具結(jié)構(gòu)1示意圖；

圖3為本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置中試樣夾具結(jié)構(gòu)2示意圖；

圖4為本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用時(shí)，溫度分布規(guī)律測(cè)量方式示意圖。

圖中：

1-爐體 2-燃燒器 3-直線滑軌

4-試樣夾具 5-支架 6-實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

7-試樣 8-空氣壓縮機(jī) 9-油箱

10-熱電偶固定架 11-S型熱電偶 12-K型熱電偶

101-排氣管道 102-觀察窗 401-進(jìn)氣道

402-進(jìn)氣管 403-排氣道 404-排氣管

405-排氣孔 406-隔層 701-固定螺栓

702-頂緊螺母

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)裝置，包括爐體1、燃燒器2、直線滑軌3與試樣夾具4，如圖1所示。

所述爐體1根據(jù)試樣夾具4和燃燒器2產(chǎn)生燃?xì)獾拇笮≡O(shè)計(jì)內(nèi)徑為φ200mm，外徑為φ240mm，具有內(nèi)外兩層殼體，兩層殼體間填充有隔熱石棉。由支架5支撐，安裝于可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架6頂層上表面。爐體1底部開(kāi)有缺口，用于供試樣夾具進(jìn)出爐體1。爐體1一端為燃?xì)舛伺c燃燒器2的火焰出口相連通，燃燒器2使用3#航空煤油作為燃料，用來(lái)向爐體1內(nèi)式樣噴射燃?xì)?；燃燒?的燃料存儲(chǔ)于油箱9內(nèi)，油箱9安裝于試驗(yàn)臺(tái)架6上。燃燒器2燃?xì)獬隹谥睆綖棣?0mm，燃?xì)庾畲笾睆郊s為φ120mm。爐體1另一端接排氣管道101，用來(lái)尾氣排放。同時(shí)，在爐體1側(cè)壁開(kāi)有觀察窗102，用來(lái)觀察爐體1內(nèi)試樣7的涂層剝落情況。

所述試樣夾具4為矩形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，試樣夾具4的底邊內(nèi)部開(kāi)有進(jìn)氣道401，進(jìn)氣道401與試樣夾具4底邊右側(cè)開(kāi)設(shè)的進(jìn)氣孔連通；試樣夾具底邊右側(cè)還安裝有垂直于底邊的進(jìn)氣管402，進(jìn)氣管402通過(guò)進(jìn)氣孔與進(jìn)氣道401連通。試樣夾具4的頂邊與左側(cè)邊上分別開(kāi)設(shè)有相互連通的氣道B，共同構(gòu)成排氣道403；其中，左側(cè)邊上的氣道與試樣夾具4底邊左側(cè)開(kāi)設(shè)的排氣孔連通；試樣夾具4底邊左側(cè)還安裝有垂直于底邊的排氣管404，排氣管404通過(guò)排氣孔與排氣道403連通。

試樣夾具4的中空部位等間距并排15mm固定安裝有3根垂直設(shè)置的試樣7，提高試驗(yàn)效率和節(jié)約燃料；試樣7根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向器葉片前緣的幾何尺寸確定為外徑φ15mm，內(nèi)徑φ11mm，高度40mm的圓管狀結(jié)構(gòu)，試件7外壁燃?xì)鉁囟茸罡邽?300℃，試件7內(nèi)壁溫度約為800-900℃。試樣7外圓柱面制備熱障涂層，熱障涂層為三層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)至外分別為150μm的粘結(jié)層(BC)、3μm的熱氧化層(TGO)與200μm的陶瓷層(TC)；試樣7內(nèi)部作為試樣冷卻氣道。試樣7兩端分別通過(guò)試樣夾具4頂邊與底邊上開(kāi)設(shè)的通氣孔與排氣道403和進(jìn)氣道401連通。

令上述結(jié)構(gòu)的式樣夾具，為結(jié)構(gòu)1試樣夾具，其冷卻通道的設(shè)計(jì)采用集中進(jìn)氣-集中排氣的方式，優(yōu)點(diǎn)是試樣7內(nèi)腔沒(méi)有被占用，有富余空間布置熱電偶，而且集中排氣減少了零件數(shù)量；但也存在試樣安裝不方便的問(wèn)題。因此本發(fā)明針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，還設(shè)計(jì)了另一種結(jié)構(gòu)的試樣夾具4，令其為結(jié)構(gòu)2試樣夾具，采用分開(kāi)進(jìn)氣-集中排氣的冷卻通道設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如下：

如圖3所示，結(jié)構(gòu)2試樣夾具為倒U型結(jié)構(gòu)，頂邊上下位置分別設(shè)計(jì)有氣道A與氣道B；左側(cè)邊與右側(cè)邊內(nèi)部分別設(shè)計(jì)有氣道C與氣道D，氣道C分別與左側(cè)邊端部設(shè)計(jì)的進(jìn)氣孔連通，進(jìn)氣管固定于左側(cè)邊端部，通過(guò)進(jìn)氣孔與進(jìn)氣道連通。氣道D與右側(cè)邊側(cè)壁設(shè)計(jì)的排氣孔連通。上述氣道A與氣道D連通，作為排氣道403，且試樣夾具4右側(cè)邊端部開(kāi)有排氣孔405，排氣孔405與氣道D連通；氣道B與氣道C連通，作為進(jìn)氣道401。3根試樣7垂直設(shè)置，等間距并排15mm安裝于試樣夾具4頂邊上，提高試驗(yàn)效率和節(jié)約燃料。試樣7通過(guò)試樣固定件與試樣夾具4固定，且內(nèi)部通過(guò)試樣夾具4頂邊上的開(kāi)孔與排氣道403連通。所述試樣固定件為固定螺栓701與頂緊螺母702；其中，頂緊螺母702固定于固定螺栓701頂端；固定螺栓701為空心結(jié)構(gòu)，穿入試樣7內(nèi)部，底端穿過(guò)排氣道403后，與試樣夾具4內(nèi)部進(jìn)氣道401和排氣道403間的隔層406上開(kāi)設(shè)的螺紋孔螺紋配合連接，使固定螺栓701內(nèi)部與進(jìn)氣道401連通，通過(guò)擰緊頂緊螺母702將試樣7壓緊固定于試樣夾具4的頂邊上；同時(shí)在頂緊螺母702內(nèi)設(shè)計(jì)有氣體流道，通過(guò)氣體流道將固定螺栓701內(nèi)部與試樣7內(nèi)部連通。上述結(jié)構(gòu)2試樣夾具便于試樣7的安裝，但試樣7內(nèi)部由于存在固定螺栓701，因此不便于布置熱電偶；由此可根據(jù)需要靈活選擇合適的試樣夾具4結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的試樣夾具，通過(guò)安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架6底層的空氣壓縮機(jī)8向進(jìn)氣道401內(nèi)通入冷卻氣，結(jié)構(gòu)1試樣夾具中，冷卻氣進(jìn)入進(jìn)氣道401內(nèi)，經(jīng)各試樣7內(nèi)部，隨后進(jìn)入排氣道403，最終由排氣管402排出。結(jié)構(gòu)2 試樣夾具中，冷卻氣進(jìn)入進(jìn)氣道401內(nèi)，經(jīng)各個(gè)固定螺栓701內(nèi)部后，由氣體流道進(jìn)入試樣7內(nèi)部冷卻試樣7，隨后進(jìn)入排氣道403，最終由排氣孔40排出。由此在試樣7的熱障涂層內(nèi)外形成溫度梯度，以更加真實(shí)的模擬熱障涂層的工作環(huán)境。根據(jù)試樣所需冷卻氣流量，空氣壓縮機(jī)8選擇功率為0.75KW，流量為120m³/h的高壓鼓風(fēng)機(jī)。

對(duì)于上述結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的試樣夾具底部安裝有熱電偶固定架10，用來(lái)安裝2根S型熱電偶11與3根K型熱電偶12，S型熱電偶11測(cè)量試樣7外壁溫度，K型熱電偶12測(cè)量試樣7內(nèi)壁溫度。結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的試樣夾具中，2根S型熱電偶11測(cè)量端位于3個(gè)試樣側(cè)壁間的空檔處；3根K型熱電偶的測(cè)量端分別與3個(gè)試樣7的內(nèi)壁貼合。上述兩根S型熱電偶11頂端位置錯(cuò)落設(shè)置，即不在同一水平面上，由此可測(cè)量試樣7不同部位的溫度，進(jìn)而計(jì)算溫度均值，減小測(cè)量誤差。

上述結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的試樣夾具通過(guò)安裝架整體固定安裝于直線滑軌3上。直線滑軌3固定安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架6上，通過(guò)直線滑軌3控制試樣夾具4豎直方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)試樣7由爐體1底部缺口進(jìn)出爐體1內(nèi)燃?xì)?，完成試樣熱疲勞功能?/p>

應(yīng)用本發(fā)明燃?xì)猸h(huán)境下的熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)裝置時(shí)，首先，測(cè)量爐體1內(nèi)燃?xì)獾臏囟确植家?guī)律，如圖4所示，方法如下：將爐體1內(nèi)燃?xì)庵行脑O(shè)置為直線滑軌3的零點(diǎn)，通過(guò)控制直線滑軌3移動(dòng)試樣夾具4在燃?xì)庵械纳舷挛恢?，并記錄?duì)應(yīng)位置的試樣7內(nèi)外壁溫度值，得到溫度分布規(guī)律。隨后，根據(jù)燃?xì)獾臏囟葓?chǎng)和給定的載荷譜確定試樣7的上下停留位置和停留時(shí)間，以及運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。由此，將試件夾具4運(yùn)動(dòng)參數(shù)翻譯為直線滑軌3驅(qū)動(dòng)器使用的機(jī)器語(yǔ)言即可驅(qū)動(dòng)試樣夾具4按照擬定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行熱障涂層熱疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要記錄熱障涂層剝落時(shí)刻的試樣7循環(huán)運(yùn)動(dòng)次數(shù)。進(jìn)行熱障涂層熱氧化試驗(yàn)時(shí)，試樣夾具4停留在直線滑軌3零點(diǎn)位置，并記錄氧化時(shí)間，然后將試樣7切開(kāi)測(cè)量TGO的厚度值。