本发明涉及一种模拟热障涂层服役环境并实时 检测其失效的试验装資， 特别涉及的是一 种模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温、 腐蚀、 冲蚀以及动态旋转或静止的服役环境， 并 对这一服役环境下热障涂层的失效参数进行同 歩实吋检测的试验装 S， 屈于特殊服役环境的 模拟装置领域。 背景技术

航空发动机被誉为飞机的"心脏"， 对航空航天工业的发展起着决定性的作用。 发动机的 关键参数是其推重比， 以第一代战斗机 F86和第四代战机 F22为例， 其发动机的推重比已从 小于 2发展到大于 10， 显然， 提高航空发动机的推 HI比是提髙发动机性能和效率的必然措施 和必然趋势。 随着推重比的提高， 发动机的燃气进口温度不断提高， 到第四代战斗机时， 航 空发动机的燃气进口温度已经达到了 1700 °C左右。 燃气进 U温度的大幅提升无疑对发动机 热端部件即涡轮叶片材料提出了 的要求。 为了满足涡轮叶片的使用要求， 各国先后研制 出一系列用于涡轮叶片的超级高温合金材料， 1 '先进镍基高温.! 品的使用极限温度为 1150 °C，显然单独使用高温金 j 合金材料技术已不能满足先进航空发动机迅速 发展的迫切要 求。 早在 1953年美国的 NASA屮心提出了热障涂层的概念， 即将耐高温、 高隔热的陶瓷材 料涂覆在基体合金表而， 以降低合金表而工作温度从而提高发动机的热 效率。 这一概念提出 以后， 立即引起了世界各 M 防部门、 ,¾校和研究机构的 , 度关注， 在美国、 欧洲以及我国 的航空发动机推进计划中， 均把热障涂层技术列为^性能航空发动机的关� �技术之一。 而且 认为， 采用热障涂层技术是目前火幅度提高航空发动 机工作温度最切实可行的方法。

热障涂层一般由隔热防护的陶瓷层， 承受机械载荷的基底^、 增强陶瓷与基底粘结力的 中间过波层以及在制备和服役过程屮形成的氧 化层组成。 应 ffl热障涂层的涡轮叶片通常是壳 体， 壳体. 而用冷却剂冷却， Π十片外表 ιίυ'热障涂层的温度 '达到 1100 ^Q C〜 1700 而基底合 金材料内表而的温度也可以达到 700 "C或者 jii髙。 在实际服役过程屮， 热障涂层通常出现开 裂、 脱落、 界而分离等失效和断裂。 影响热障涂层失效 断裂的 |大|素很多， 除了自身复杂的 几何形状、 微观结构及各 之 的性能差异等 I'l J^ 外， ¾关键的是热障涂层服役在极其 恶劣而又复 的热、 力、 化学耦合的环境。 这些复杂的服役环境包括： （1)长时间的高温环境。 在长时间的高温环境下， 热 涂g会发^界而氧化、 蜢变、 热疲劳和相变； （2)高温化学腐蚀。 航空燃气涡轮发动机使用的燃料屮含 Na， S , P， V等杂质元素， 这些杂质元素会引起化学反 应，以 N S0 ₄ 形式沉积在高温部件上，因此热隙涂层的 应用经常遇到各类硫酸盐的腐蚀问题； (3)硬质颗粒的冲蚀。 在航空发动机在服役过程中， 将不 W避免的遇到夹杂硬质颗粒的撞击， 形成冲蚀。 形成冲蚀的粒子一般在发动机内产生， 或者 111于在燃烧过程屮形成的碳颗粒， 或 者是 ώ于发动机磨损形成的粒子。 耍综合考虑热障涂 复杂的儿何结构， 复杂的热、 力、 化 学等多种载荷的耦合作用， 依靠 '规的如拉仲、 弯曲、 热力疲劳、 热冲击等力学实验方法来 研究其失效行为是不现实的。 早在 20世纪 70年代， ¾国的 NASA屮心就将热障涂层在相当 高热流密度的 J-75涡轮发动机上进行了试车， 验证了热障涂层的隔热效果， 并以此为依据调 整了陶瓷层各成分的配方。 但是， 在实际的航 ¾发动机上试 需耗费巨大的人力和物力。 因 此， 如果我们能发展热障涂层服役环境的试验模拟 技术， 对其复杂的服役环境进行模拟， 对 其失效过程中的温度场、 应变场、 变形、 ¾而形貌、 裂纹的萌生与扩展、 界面形貌的演变等 损伤参量进行实时或原位的无损检测， 即直接的"卷"损伤在制备或服役过程中形成、 演化的 过程， 则能为正确的理解其失效行为、 预测其服役寿命、 指导其优化设计与安全应用提供直 接的依据和指导。

目前涉及到模拟和测试热障涂^服役环境校拟 失效检测方而的试验装置有： 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 装 'ft (专利公开号： CN1546974A), 其 装置是将常压亚咅速风洞和材料性能试验机相 结合， ¾用¼化硅结合碳化硅陶瓷作为燃烧: ¾ 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。 周 洪等人研制了一种热障涂层抗热 性能测试装 ¾ (专利公丌 CN1818612), 加热过程和冷却 过程分别在试样的涂层面和金屈基体表而进行 ， 能较真 ¾的模拟稷盖热障涂层工件的工作情

CN 1699994) , 对空心 ^柱形热障涂 ^试样能够实现温度和机械载荷同歩上升、 保持和下降， 能够实时测试温度分布、 界而裂纹扩展情况。 在我们 ιϊίί期的工作中， 研制了一种用于模拟和 实时测试高温部件热疲^失效的试验装:' ft (专利公开 : 201010000151 ) , 能够模拟高性能航 空发动机内静态 温部件温度交变循环的热疲劳工作环境，并能 利用非接触式应变测试系统、 声发射无损检测系统、交流 S I [抗频谱监测系统等无损检测系统对其损伤参� �进行实时检测。 但这些装 在服役环境的校拟方而， 大多只能投拟热 涂 的热疲劳、 热震等单一载荷或是 热、 力简单耦合的服役环境， 没有实现热障涂 ! 温腐蚀尤其是冲蚀环境的模拟， 更没有实 现热障涂层涡轮工作叶片 ή 速旋转服役环境的校拟。 在失效过 的实时检测方面， 只有宫声 凯和我们前期设计的装¾屮涉及裂纹形成吋的� ��发射检测、 界而氧化的复阻抗谱检测等相关 工作， 但这些无损检测系统并没冇与装 W形成 -个完整的粮体， 也没有一个系统的操作软件 对各种无损检测系统进行^歩的控制， 更没有将各种无损检测的数据整体的显示、 记录与分 析。 发明内容

为了解决上述问题， 本发明提供 种模拟热障涂 服役环境并实吋检测其失效的试验装 置。 该试验装置 πί以实现热障涂 涡轮叶片 温、 冲蚀、 腐蚀以及工作叶片动态旋转或导向 叶片静止的实际服役环境， 装' 成了多种无损检测系统， 能对热障涂层在各种服役环境下 实验时的温度场、 应变场、 表而形貌、 损伤演化、 界而形貌等多个损伤参量进行实时检测， 为热障涂层破坏机制的理解、 可靠性评估以及优化设计提供有效的解决办法 。

本发明采用的技术方案为：

一种模拟热障涂层服役环境并实吋检测其火效 的试验装 'ft, 该装 H主要由 5部分组成：

(1 )试验测试台， 包括校拟热障涂 涡轮叶片屮工作叶片的动态旋转模块和模拟热 障涂层 涡轮叶片导向叶片静止静态服役投块的试样夹 持装 ¾、 验操作平台、 样 室；

(2)服役环境模块， 能税拟热障涂 涡轮叶片 温热疲 ^; 、 温度梯度、 冲蚀、 腐蚀的高温 燃气喷枪、 冲蚀或 /和腐蚀颗粒加料系统、 腐蚀 z〔体输入通逍：

(3)无损检测模块， 包括温度测试 ¾集系统、 非接触式 维变形测试系统、 声发射无损检 测系统、 复阻抗谱测试系统、 ^速 CCD扱像系统;

(4)冷却系统， 包括热障涂 样品的冷却 '；；装 的冷却循环系统；

(5)实验与无损检测系统的控制与! ώ示校块。

装置的主体结构分为实验测试 fr' ' J控制_ 柜两大块， 试验测试台、 服役环境模块、 无 损检测模块和冷却系统部分构成 ¾验测试^， 实验 损检测系统的控制 显示模块构成控 制显示柜。 装' ffi的功能结构为： 在装 试验测试台的 ' l ' 1'Hj位 ^安装有能高速旋转的动态试样 夹持装置或是静止的静态试样夹持装 W， 动态试样夹持装 W il l ,ϊ'速旋转电动机、旋转轴 (轴的 一端与电动机冋定)、 试样夹具 (安装在轴的 ·端)及^定装置组成； 静态试样夹持装置山带 有角度盘的安装轴和旋转 1 1盘试样火 及固定装 成， 将轴、 试样、 试样夹具及固定装^ 山石英玻璃封闭， 形成密封的样品 ¾。 样 ¾的两侧安装 W内定位板和外定位板支撑的移动 导轨，在移动导轨上设¾投拟热障徐¾服役环� �的喷枪的 |Vi|定装 W。在样品室内夹具的一侧， 设 S多个热电偶固定装 ¾。 在样品 ί的一侧 ¾上， ^: 冇小孔安装无损检测系统的电极、 波 导杆。 在样品室的外侧， 设 S多个 CCD 摄像机。 样品室的上方， 接除尘除湿系统， 实验操 作平台上设置有颗粒回收系统。 在试验操作平台的下方设 K各种无损检测系统的放置位置。

所述试样夹持装覽包括动态和静态两种， 动态时， 试样通过^定装置直接固定在旋转轴 上， 由电动机带动旋转轴以及夹持在轴的试样旋转 ， 转速范围为 0-12000 r/min; 静态试样夹 持装置包括一个可绕旋转轴转动的旋转盘及将 其固定在旋转轴上的 定装置， 试样沿着旋转 盘的半径方向固定在旋转盘上， 旋转盘及旋转轴上分别刻有角刻度， 能实现试样与竖直轴呈 现 0-360°的夹 ^。 圆盘上加工有平板状、 ^柱状、 涡轮叶片状热障涂层试样的夹具， 能完成 各种形状热障涂层试样的试验；

所述服役环境模拟模块的高温环境模块包括 2个特制的加热喷枪， 通过固定装置固定在 实验操作平台上， 11 1伺服屯机通过移动导轨控制喷枪的移动， 且喷枪内设置有冷却通道， 由 冷却水循环冷却。 喷枪喷射火焰的温度可达 3000 °C, 通过调节喷枪与试样的距离样品的加 热范围为 20 -1700。C;

所述服役环境模块的冲蚀颗粒加料系统 hl l分别镶嵌在 2个加热喷枪内的颗粒管道， 通过 压缩空气将冲蚀颗粒快速冲击至喷枪 1: 1， 在 温燃气的快速加热下将直径为 10-500 μηι的冲 蚀颗粒以 0-250 m/s的速度、 20-1700°C的温度、 任: ¾伯度冲蚀在试样的表面。

所述服役环境模块的腐蚀服役环境模块的实现 方式有两种， 一是利用冲蚀颗粒通道传输 腐蚀颗粒至喷枪出口处与高温燃气或空气发生 反应生成带冲蚀效应的高温腐蚀； 二是通过内 置在喷枪内的腐蚀气体 逬将腐蚀气体输送 样品 ¾。 样品¾的腐蚀气压为 l-6 atm。

所述无损检测模块中的温度采柒系统根 '；试样的动、 静服役状态， 分为红外测温仪和热 电偶两种。 包括热电偶、 红外测温仪传感器、 温度— 示仪、 温度采柒软件， 所述热电偶、 传 感器分别与试验控制平台上的温度 示仪连接。 静态实验吋， 所述热屯偶采用 B型 1600 °C 的铂铑热电偶， 测定试样的表而、 内通 ：、 冷却气体出 Π六点温度； 所述红外测温仪为 B型 1600 °C 的铂铑热电偶， 动态实验吋定期测定试样表而、 内通道、 冷却气体出口的温度， 实 现隔热效果及指定位置的温度测试。

所述无损检测模块中的非接触式三维变形测试 系统为 ARAMIS 非接触式三维变形在线 测量系统， 整个系统集成在装 H实验测试柜内， CCD 摄像头放 H在样品室的外侧， 装 ¾ 控制系统直接调用和驱动 ARAMIS非接触式 维变形在线测: 系统的测 fi软件，用以对试样 的应变场、 应力场和位移场进行实时测试和分析。

所述无损检测投块屮的声发射无损检测系统为 灵敏度在 10_ ⁸ cm 量级的 PCI-2型声发射 无损检测系统， 整个系统集成在装 W实验测试柜内， 其传感器、 波导杆装置通过样品室的小 孔与试样相连， 装 H控制系统 接调川和驱动 PCI-2型声发射无损检测系统的测量软件， 实 现试样内部裂纹的萌生、 扩展的实 I n检测与分析。

所述无损检测模块中的交流复阻抗频谱监测系 统为 1260+1296型复阻抗谱测量系统， 整 个系统集成在装 实验测试柜内， 其测 ^：电极迎过样 ¾的小孔与试样相连， 装置控制系统 直接调用和驱动 1260+1296型复阻抗谱测 系统的测 S软件， 对热障涂层试样 (6)进行界面氧 化、 损伤演化与腐蚀失效的实吋测试。

所述高速 CCD摄像系统为 AVT Manta G-504型 ¾速摄像系统， 500万像素， 最大拍摄速 率为 9 ¾ s/s。整个系统集成在整个系统 1¾成在装 验测试柜内， 其 CCD摄像头放 R在样品 室的外侧， 装： W:的软件系统: I'接调用和驱动 AVT Mama G- 504 速摄像系统的测量软件， 用 以对试样的表面形貌进行实吋拍摄。

所述冷却系统有两种冷却方式： 一 ^对试样的气冷， 空气压缩机屮的冷却气体经冷却通 道入口 ώ试样内部冷却通道的底部入 ΓΊ进入， 经试样内通道， 山顶部的冷却气体出口排出； 二是对气体喷枪的水冷， 冷却水箱屮水流通过流 阀的控制经冷却通道入 Π在两个喷枪与冷 却水箱问循环流动。

所述试验控制与显示平台控制试验测试平台上 的所有机械传动、 实验参数采集与调节以 及无损检测模块 (3)所有测: ¾软件的控制与实验数据的采 、 i己 与显示； t要包括温度显示、 声发射信号 ¾示、 ARAMIS非接触式 维变形测 结果 示、 阻抗谱测 ift结果显示、 高速 摄像显示、 实验参数显不等， 行¾控制卄关、 屯源指小—灯、 急停丌关、 丁作状态显示灯、 冷 却系统控制 ^关、 冷却系统工作指示灯。

本发明的冇益效果为：

(1)本发明所述试验装 S的高温、腐蚀与冲蚀一体化的 温燃气喷枪加载系统以丙垸火焰 作热源， 升温和降温速率快， 可达到航 发动机内 温材料的工作温皮。 采用空气)玉缩机将 铝、 硫、 磷等 ¾质与腐蚀颗粒通过冲蚀颗加料系统快速的挤 喷枪端口处， 被高温燃气加 热、 反应， 生成带硬质颗粒的强腐蚀 流， 或^ μί ¹ ;/腐蚀符道的腐蚀气体交汇， 模拟热障涂 层涡轮叶片高温、 腐蚀与冲蚀的服役环境。 而. Η.釆川对称结构的双向环绕加载方式， 使试样 表面受载较均匀， 再通过机械传动装¾控制喷枪到试样表而的距� ��， 可以方便地调节加热区 域和加热温度， 加载系统的特点足: 加热的温度范 宽， 实现从 20-1700。C范围的加热； 颗粒冲蚀的逨度范 宽， 可实现 0-250 m/s范^的冲蚀； 腐蚀环境的压力范围宽， 可实现 1-6 atm 的腐蚀。 ϋί:ϊ1 :要的 i， 加载系统屮冲蚀、 ή' ¹ ； /'腐蚀校块 πί以冋时加载， 模拟热障涂层 复杂的热、 力、 化学耦合环境； ^个投块也可以独立 1 :作或两两组合工作， 分别模拟热障涂 层单一的冲蚀、 热疲劳或热冲击或^温载化、 腐蚀； 乂或是高温冲蚀、 高温腐蚀、 冲蚀腐蚀 的服役环境。 功能强大， 操作简 - ·, 试验设各容易实现， 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的试样夹持装 ¾包括： 速屯动机、 旋转轴、 固定在旋转轴上 涡轮叶片夹具以及固定装覽， 构成即动态试样夹持装 H部分； 标有刻度的安装轴、 标有刻度 的加工有平板状、 柱状、 涡轮叶片状夹 A的旋转盘以及 定装置， 构成静态试样夹持装置部 分。 动态实验时， 试样直接通过夹』 槽固定在旋转轴上， 由屯动机带动旋转轴及试样高速旋 转， 角速度最高可以达到 12000 r/min， 接近实际热障涂层涡轮叶片的工作转速； 静态实验时， 在旋转盘的圆周平而上刻有平板状、 柱状、 实际涡轮叶片底座形状的试样槽， 可以装载各 种不同形状、大小的热障涂 试样或叶片。通过调整旋转盘刻度 4旋转轴上指示刻度的夹角， 可实现热障涂层试样与竖直轴之 W的火角， 角度范 Ι Ι 0-360°可调。 不仅可以实现工作叶片和 导向叶片旋转与静止的服役状态， 而. II.可以完成各种简 - -形状热障涂层试样、 各种不同测试 条件如冲蚀 Λ]度的实验， 分析温度、 粒子角度、 速度、 几何形状等各种因素对热障涂层破坏 机理的影响。

(3)本发叨所述试验装' ¾中¾成的无损检测系统包括德 GOM公司生产的 ARAMIS非接 触式三维变形在线测: 系统， ¾ | 物理声学公司生产的 PCI-2 型声发射检测系统， 英国 Solartron公司生产的 1260+1296型 阻抗谘测试系统，德国 AVT公司 产的 AVT Manta G-504 型高速摄像系统， 分别用来测： fi热障涂层试样的 维变形， 裂纹的荫生与扩展， 界面形貌演 化、 微观结构与化学成分变化， ¾而形貌摄像。 其中三维变形在线测量系统主要的技术参数 有： 被测量试样表而温度可髙达 2000 °C; CCD摄像机分辨率是 2448x2050 像素； 实时数据 处理， 其采样频率是 15-29 Hz; 应变测 ffi范 ： 0.01 % 〜 500 %; 离面位移的测量 S大值是 140 mm。 声发射检测系统的 ΐ耍技术参数是： 内' 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 (17 dB)的设置、 1¾人信'' 幅度 100 dB、 动态范 > 85 dB、 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 / 秒； PCI-2板上装有 2个可选参数通道， 该通道打 16位的 A/D转换器， 速度为 10000个 /秒， 并行多个 FPGA处现器和 ASIC IC芯片。 阻抗诺测: 系统的主耍技术参数是： 电流范國是 200 nA ~ 2 A; 屯流分辨率是 1 pA; 电 范 足±14.5 V； ι乜压分辨率是 1 _μ ν _; 频率范围是 10 μ ~ Ι Ηζο 高速摄像系统的主要技术参数是： ¾大拍摄速率为 9 fp _S /s， 分辨率是 2452x205 4 像素。

(4)本发明所述试验装 2种不同类型的冷却装 ， -种 对 温夹具的冷却系统， 通 以冷却水的方式进行冷却； —种足对带冷却通逍的试样进行冷却， 通以冷却空气的方式进 行冷却。 例如以带热障涂层 ( 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而形成 个温度梯度。 冷却气流量 流量阀控制和 测量。 通过外接热电偶， 可以测量记录试样表而、 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。

(5)本发明所述试验装 将各种无损检测系统 ¾成在装 W的试验测试柜内， 与环境服役模 块、 试验测试平台以及冷却系统在硬件上构成一个 整体。 ^种无损检测系统在试验测试时， 山系统自身的测试软件来进行参数的设定、 数掂的存储， 但各个无损检测系统硬件与软件的 开启与执行状态山装置的控制系统统一控制， 实现服役模拟试验与失效实时检测的同歩运行 。 装置的实验控制按钮、 参数 . 示、 温度 示以及各种无损检测系统的数据、 图形均由装置的 显示系统来完成， ¾现实验参数与实验结 的 体化 ¥示。

综上所述， 本发明 t以― 突出的特点：

a.能模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高温， 冲蚀， 腐蚀的服役环境， 实现了热疲劳、 高温腐蚀、 高温冲蚀等多种破坏过程的 ·体化模拟。 )ij 0未有专利报道这一一体化功能的 试验装置。

b.装 H既能模拟热障涂层工作叶片 速旋转的动态服役环境， 也能模拟导向叶片静止的 静态服役环境， 实现热障涂层涡轮叶 ^动、 静态服役环境的一体化校拟。 目前尚未有专利报 道热障涂层动态模拟系统的试验装 w， ¾i没有动、 静态服役环境一体化的试验装置。

c.装 S能够实时测试热障涂 j i温度场、 而形貌^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^与扩展情况、 冷却气流 itt， 实现服役环境模拟与 失效过程实时检测的一休化。 隱， 本装' 大的特色 ¾现了热 涂^高温、 冲蚀、 腐 蚀服役环境的一体化， 静态、 动态服役环境的 ·体化， 服役环境模拟与实时检测的一体化， 为正确理解热障涂层涡轮叶片的破坏机玴、 优化其设计提供了: ill要的实验平台和参考依据。

d.该装覽的工作温度范围宽 能达到 3000 °C)， 能 成模拟不冋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是本发明整体逻^结构 ^意 1 。

图 2是本发明试验测试柜结构示 阁。 3 ^本发明试验测试柜模拟热陣涂^涡轮叶片动态� ��转模块结构示意图。 图 4是本发明试验控制祀结构示 l l。

图 5是被测高温试样与本发明连接关系阁。

图 6是本发明冷却系统 (空气压缩机) 结构示: S阁。

图中标号： 101— 速旋转屯动机； 102—旋转轴； 103—动态旋转试样夹具； 104—静态 试样夹具； 105—固定装 ； 106—安装轴； 107—除尘系统； 108—实验操作平台； 109—样品 室； 110—内定位板； 11 1一外定位板； 1 12—移动 轨； 1 13—^温火焰喷枪的安装装置； 114— 热电偶； 1 15—热电偶 iA|定装 _; 1 16—红外测温仪； 1 17— CCD摄像机； 118—颗粒回收通道； 201—高温火焰喷枪； 202—冲蚀颗粒输入系统； 203—腐蚀气体输入系统； 204—燃气输入系 统； 205—氧气输入系统； 6—样品； 3— 损检测装 ¾放¾区； 3 10—非接触式三维变形测试 系统； 320—声发射无损检测系统； 330— 阻抗谱测试系统； 401—空气压缩机; 402—冷却 水箱； 403—流量阀； 404—冷却通逍入 1Ί ; 405—¾心旋转轴冷却通道入口； 501—显示器放 置区； 502—电源指示灯; 503—工作状态指小灯； 504—冷却系统指 灯: 505—数据采集指 示灯； 506—动态装¾控制开关； 507—喷漆移动控制卄关； 508—数据同歩采集开关； 509— 冷却系统开； 510— -急停丌关； 511--屯源开关； 512—温度显示仪； 513—声发射信号显示器； 514—复阻抗谱测 i¾数据显示器； 515—非接触式 维变形测 ¾结¾显示器； 601-波导杆； 602- 电极； 603-冷却通道的底部; 604-冷却气体出 ΓΊ ; 605-金 M¾底。

具体实施方式

本发明提供了一种投拟热障涂^服役环境并实� �检测其火效的试验装置， 下面通过附图 说明和具体实施方式对木发明做进 歩说明。

如图 1所示， 1 1足本发明整体逻^结构示 :ΐί Ι。 本试验装 的结构包括: 试验测试平 台， 服役环境模块、 无损检测模块、 冷却系统和 ¾验与无损检测控制平台。

如图 2所示， 1冬 本发明试验测试 结构示: ΰ;阁。 试验测试柜的结构为： 在装 S试验 测试台的中 i'nj位置安装 W试样加持装' 1 )， 包括卜 'Ί 装 (105)， ^逨旋转电动机 (101)， 旋转 轴 (102)， 动态旋转试样夹』 ^: t( 103) ; 静态试样夹 ( 104)， 安装轴 (106)和静态试样夹具 (104)上 制作有角刻度， 夹具能削绕轴心转动； 整个试样加持装置的上下位 W可调； 除了高速旋转的 电动机外， 试样加持装 装有石英玻璃， 形成密封的样品 ¾(109)， 样品室上方接除尘系统 (107)， 下方接实验操作 Y †(108) ; 样 1 ϋ9)的 侧分别设 山内定位板 ( 1 10)和外定位板 (111)支撑的移动导轨 ( 1 12)， 在移动 轨 ( 112)上设 服役环境模块 (2)的安装位 ¾和固定装置 (113)， 在夹具 (104)的一侧设 —个或多个热 I 偶 i 装 ¾(1 15)； 在样品室 (109)的一侧开有 无损检测电极、 波导杆的^； 在样^ ¾(109)的外侧设 多个 CCD摄像机 (1 17); 设置有红外 测温摄像头 (1 16)。 在试验操作平台 (108)的下方设 W. 种无损检测系统， 包拈溢 测试 系 统 (340)、 非接触式三维变形测试系统 (310)、 声发射无损检测系统 (320)、 复阻抗谱测试系统 (330)、 高速 CCD摄像系统 (350)。

图 3是本发叽试验测试柜模拟热障涂 涡轮叶片动态旋转模块结构示意图，如图 3所示， 模拟热障涂层涡轮叶片动态旋转校块 111电动机 (l Ol)' 动旋转轴 (102)高速选装，旋转轴的一端 通过动态试样夹持装 H(103)将试样 (6)固定在旋转轴上并随旋转之， 转速范围为 0-12000 r/min; 静态试样夹持装置包括一个可绕旋转轴转动的 旋转盘 (104)， 试样沿卷旋转盘的半径方 向固定在旋转盘上， 能实现试样' ¾直轴.: 现 0-360°的夹

高温燃气双向加热系统包括 2个特制的加热喷枪， 加热范 ΙΐΙ为 20 -1700 °C， 用喷枪固定 装置 (113)固定， 由伺服 ¾机控制唢枪移动； 所述喷枪内逝^冷却循环水；

模拟热障涂层涡轮叶片所述冲蚀颗粒加料系统 分包镶嵌在 2 个加热喷枪内的颗粒管 道， 冲蚀颗粒的速度为 0-250 m/s， 冲蚀颗粒的: Γ _; [径 10-500 μηι;

模拟热障涂层涡轮叶片所述腐蚀服役环境投块 的 ¾现方式有两种， 是将腐蚀颗粒加在 冲蚀颗粒屮在加热喷枪的出 1—1处与^温燃气或空气发生反 生成带冲蚀颗粒的高温腐蚀气 流。 一是通过安覽在喷枪下方的独立腐蚀气流 ¾ ^; 道将腐蚀 体输送至样品室。 样品室的腐蚀 气压为 l-6 atm。

如图 4所示， 图 4是本发明试验控制柜结构示: δ阁， 试验控制平台 (5)控制试验测试柜屮 (108)上的所有机械传动、 实验参数的设定、 实验数 ¾ '；的采¾的显示。 试验控制平台 (5)上设有 温度显示仪 (512)、 声发射信 显示器 (513)、 抗 i f测』 it数据显示器 (514)、 ARAMIS 非接 触式三维变形测遗结果显示器 (515)、 行程控制开关 (506、 507)、 源指示灯 (502)、 急停开关 (510)、 工作状态显示灯 (503)、 冷却系统控制〕1:关 (509)、 冷却系统工作指示灯 (504)。

如图 5所示， 图 5足被测高温试样与本发明连接关系图。 静态实验时， 温度测试采集系 统 (340)包括热电偶 (1 14)、 温度显示仪 (512)、 温度釆 ¾软件， 所述热电偶 (114)与试验控制平 台 (5)上的温度 ®示仪 (512)连接。所述热电偶 (1 14)采川 B型 1600。C的铂铑热电偶， 测定试样 (6)的表而、 内通道、 冷却气体出 1-1六点温度， 实现隔热效果及招定位¾的温度测试。 6只热 电偶 (114)分别通过 6个 lM多动的热 偶 1≤1定装 1 15)摆放于实验操作平台 (108)上，热电偶 (114)与试验控制平台 (5)上的温度^ [示仪 (512)及计算机相连接； 冷却空气通过冷却通道入口 (405)， 经冷却水箱 (402)， 111试样冷却底部入 Π (603)进入， 经试样冷却顶部出口 (604)排出， 系统通过流量阀 (403)控制冷却空气流 及测试流 CCD 摄像头 ( 1 17)与非接触式三维变形 测试系统 (310)、 AVT Manta G-504 速摄像系统 (350)连接； 试样 (6)表面安装有两个电极 (602)， 分别与交流复阻抗频谱监测系统 (330)连接； 试样 (6)两端^接两个波导杆 (601)， 波导 杆 （601 ) 与声发射无损检测系统 (320)连接。 热障涂层涡轮叶片或试样动态旋转实验吋， 所述温度测试采集系统 (340)包括热电偶 (114)、 红外测温仪 (116)、 温度显示仪 (512)， 所述热电偶 (114)以及红外测温仪 (116)与实验控 制平台 (5)上的温度显示仪 (512)连接。所述热电偶 (114)的类型与静态试验相同，此吋只测量空 心旋转轴与试样连接端口处的轴心位' 的温度， 实现冷却气体温度的测量。 温度显示仪 (512) 放置在样品室外， 通过平移和转动实现试样 (6)的表而、 内通道等温度的定期测量。 冷却空气 通过冷却通道入口 (405)， 经冷却水筘 (402)， 经过空心旋转轴 (102)， 由试样冷却底部入口 (603) 进入， 经试样冷却顶部出口 (604)排出， 系统通过流 闺(403)控制冷却空气流量及测试流量； CCD摄像机 (117)与 AVT Manta G-504型, 速扱像系统 (350)连接。

所述冷却系统 (4)包括空气压缩机 (401)、冷却水筘 (402)、流量阀 (403)、冷却通道入口 (404)、 空心旋转轴冷却通道入 Π (405)； 冷却气体经冷却通道入口 (405)和冷却水箱 (402)进入试样 (6) 内部冷却通道的底部 (603)， 经试样内通道， 111顶部的冷却气体出 IJ (604)排出。 图 6是本发明 冷却系统 (空气压缩机) 结构示意阁。 空气 IK缩机 (401)上有流 S阀 (403)。

非接触式三维变形测试系统 (310)为 ARAMIS 非接触式. 维变形在线测量系统， 完成在 高温环境下对试样 (6)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。

声发射无损检测系统 (320)为灵敏度在 l(T ⁸ _C m ffl级的 PCI-2型声发射无损检测系统， 实 现在热障涂层试样各种服役条件下， 对试样内部动态原位检测裂纹的 ^生、 扩展以及裂纹定 位。

交流复阻抗频谱监测系统 (330)为 1260+1296型 ϋ阻抗谱测 ft系统， 对带热障涂层的试样 (6)进行热障涂层内部结构、 裂纹 ιί/ί生以及界而轼化的实时测试。

CCD摄像系统 (350)为 AVT Manta G-504商速摄像系统， 对热障涂层表面形貌的演变进 行实时测试。

使用所述试验装置对带热障涂层涡轮叶片进行 静态模拟试验及实时测试的歩骤为： 第一歩， 制备试样： 采用等离子喷涂工艺， 在某型 空心涡轮叶片表而喷涂热障涂层隔 热材料。 其系统红 I成是： 过渡层材料为 NiCrAIY合金， M 度约为 ΙΟΟ μη ; 陶瓷粉末材料 为含 8 (wt.) % Y ₂ 0 ₃ 的二氧化锆， 陶瓷展厚度约为 300 μηι。 最后在试样表面喷洒一层黑色耐 超高温漆， 使试样表而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 线测量系统的特征散斑场。

第二歩， 用 焯设备把测试川的电极 (602)、 波导杆 (601)分别焊在第一步所完成的带热障 涂层的涡轮叶片试样¾面和两端金 底 ( 605 ) 上， 把 极 (602)和波导杆 (601)另一端连接 到复阻抗谘测量系统 (330)和声发射 损检测系统 (320)，然后把' ^; 热障涂层的涡轮叶片试样 (6) 固定夹具 (104)上， 调节旋转圆盘， I ii定试样与 : 轴之问的夹 Λ。 然后将 4 支热电偶 (114) 固定在涡轮叶片陶瓷涂层表面、 1支热电偶^定在涡轮叶片冷却通道的冷却底部� ��口 (603)处、

1支热电偶固定在叶片冷却通道的冷却顶部� �口 (604)处。 ii支热电偶分别连接到温度测试采 集系统 (34)， 并判断各仪器足否」 K常工作。

第三歩， 启动 ARAMIS非接触式. 维变形测试系统。 调节好 CCD摄像头 (117)， 确定所 关注待测试样的区域， 并做好前期标¾工作。 打开应变测试软件， 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椐校式； 动 AVT Manta G- 504高速摄像系统。 调 节好 CCD摄像头 (117)， 确定所关注待测试样的 域。 打 测试软件， 设定 AVT Manta G-504 测试软件拍摄频率为 1张 /5秒， 在线测试 动保存数据模式。

第四歩， 启动声发射无损检测系统。 打开测试软件， 设置好阈值等实验参数； 启动交流 复阻抗频谱监测系统， 打开测试软件， 设資好频率范围、 电压幅值等实验参数。

第五步， 打开试样夹具 (104)和喷枪固定装 H(113)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^底部冷却通道进入叶片� �， 山顶部通孔排出， 使陶瓷涂层表而至金 4¾底内表 lilf形成 ¾温度梯度。

第六歩， 启动丙烷快速双向加热装置、 启动颗粒加料系统、 启动腐蚀气体加载装置 (视实 验要求可选 1-3种服役环境)，调节燃气气流 :¾， Π动点火 8〜10秒后燃气温度稳定在 1000 °C。 通过控制机械传动 1 ^: 关， 对涡轮叶片表而进行双而快速加热， 升温速率约 100 °C/s, 使表面 温度稳定在 1000 °C左右， 并保持 10分钟。 在该具体实施例屮， —个热循环方式是加热时 Μ 10 s, 保温吋间为 300 s， 冷却吋间 200 s。 设定热循环次数是 500次。

第七歩， 同吋开启模拟实验和¾吋检测系统， 实吋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、 陶瓷涂层农而形貌的演变、 声发射监 测的事件数量、 界而氧化层的生长演变规徘和涂层脱落怙况等 。

第八歩， 待模拟实验完成后， 分析和整现实验数据， 判断带热障涂 的涡轮叶片中涂层 的失效机理和危险区域。 使用所述试验装置对带热障涂 ^涡轮叶片进行动态敉拟试验及实时测试的歩� �为： 第一歩， 制备试样： 采用等离子喷涂工艺， 在¾型¾ 心涡轮叶片¾面喷涂热障涂层隔 热材料。 其系统组成足： 过渡 β材料为 NiCrAIY合金， 其厚度约为 ΙΟΟ μηι ; 陶瓷粉末材料 为含 8 (wt.) % Υ ₂ 0 ₃ 的-: 化锆， 陶瓷层 度约为 300 μπι 。 1ά后在试样农面喷洒一层黑色耐 超高温漆， 使试样表而形成冇较 反光性能的散斑场， 以作为 ARAMIS非接触式三维变形在 线测量系统的特征散斑场。 第二歩，将带热障涂层的涡轮叶片试样 (6 |定夹 (103)上。将 1支热电偶 (114)固定在空 心旋转轴冷却通道入口 (405)处，将红外测温仪 (116)|ΐ|定在样品室 (109)的外侧，将热电偶与红 外热像仪分别连接到温度测试采集系统 (340)， 并判断各仪器是否正常工作。

第三歩， 启动 ARAMIS非接触式三维变形测试系统。 调节好 CCD摄像头 (117)， 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稅式。

第四歩， 启动 AVT Manta G-504高速摄像系统。 调节好 CCD摄像头 (117)， 确定所关注 待测试样的区域。 打幵测试软件， 设 AVT Manta G-504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。

第五歩， 打丌试样夹 (103)和喷枪固定装 ^(113)的冷却水开关。 打幵涡轮叶片内部通道 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， ώ顶部通孔排出， 使陶瓷涂层表而至金屈基底内表面形成高温度 梯度。

第六歩， 启动丙垸快速双向加热装置、 启动颗粒加料系统、 启动腐蚀气体加载装置 (视实 验要求可选 1-3种服役环境)， 调节燃气气流 ， 点火 8〜10秒后燃气温度稳定在 1000 °C。 通 过控制机械传动开关， 对涡轮叶片表而进行双而快速加热， 升温速率约 100 °C/s， 使表面温 度稳定在 1000 °C右， 并保持 5分钟。

第七步， 启动高速屯机旋转系统， 设定旋转转速为 10000 r/min, 设定运行吋间为 5分钊，。 第八歩， 同吋开 模拟实验和实时检测系统， 实时测试和记 ¾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、 维位移场变化、 陶瓷涂层表面形貌的演变等。

第九歩， 待极拟实验完成后， 分析和整理实验数据， 判断带热障涂层的涡轮叶片屮涂层 的失效机理和危险区域。

本发明能模拟航空发动机热障涂层涡轮叶片高 温， 冲蚀， 腐蚀的服役环境， 实现了热疲 劳、 高温腐蚀、 髙温冲蚀等多种破坏过程的 -体化模拟； 既能模拟热障涂层工作叶片高速旋 转的动态服役环境， 也能模拟导向叶片静止的静态服役环境， 实现热障涂层涡轮叶片动、 静 态服役环境的一体化模拟； 能够实时测试热陣涂层温度场、 表而形貌阁像演变、三维变形场、 三维位移场、 界而氧化^及其增厚规律、 热疲 裂纹萌生与扩展情况、 冷却气流量， 实现服 役环境模拟与失效过程实吋检测的一体化。 本发明实现了热障涂层高温、 冲蚀、 腐蚀服役环 境的一体化， 静态、 动态服役环境的一体化， 服役环境模拟与实时检测的一体化， 应用性强， 为正确理解热障涂层涡轮叶片的破坏机理、 优化 设计提供了重要的实验平台和参考依据。