楊麗，譚明，周文峰，周益春

（1.湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 裝備用關(guān)鍵薄膜材料及應(yīng)用湖南省國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105；2.湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 低維材料及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層沖蝕試驗(yàn)裝置的研制

楊麗1，2，譚明1，2，周文峰1，2，周益春1，2

（1.湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 裝備用關(guān)鍵薄膜材料及應(yīng)用湖南省國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105；2.湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 低維材料及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105）

目的 通過研制熱障涂層沖蝕服役環(huán)境的模擬裝置，來研究沖蝕失效機(jī)制。方法 通過研制模擬熱障涂層高溫?zé)釠_擊的燃?xì)鈬姌專趪姌屩性O(shè)計(jì)速度、流量可控的顆粒送料系統(tǒng)，同時(shí)在裝置中集成裂紋演化實(shí)時(shí)檢測(cè)的聲發(fā)射系統(tǒng)。結(jié)果 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱障涂層沖蝕服役環(huán)境的模擬，溫度場(chǎng)、裂紋演化損傷參量的同步采集、輸出與顯示，從而完成了沖蝕服役環(huán)境模擬與關(guān)鍵損傷參量實(shí)時(shí)檢測(cè)的一體化設(shè)計(jì)。結(jié)論 裝置能完成熱障涂層常溫、高溫等各種服役溫度、各種沖蝕角度、各種沖蝕速度等條件下的模擬試驗(yàn)，并提供較為系統(tǒng)的損傷參量檢測(cè)數(shù)據(jù)，為理解熱障涂層的沖蝕機(jī)理、優(yōu)化其設(shè)計(jì)制備提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

熱障涂層；沖蝕；無損檢測(cè)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是航空飛行器的核心，發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)是其推重比。隨著推重比的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度不斷提高，到第四代戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，燃?xì)膺M(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了1650 ℃。目前渦輪葉片等高溫部件所用的是最先進(jìn)的單晶材料，其許用溫度為1150 ℃。采用先進(jìn)的冷卻氣膜技術(shù)后，仍然不能滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，發(fā)展熱障涂層隔熱防護(hù)技術(shù)被認(rèn)為是目前提高發(fā)動(dòng)機(jī)服役溫度最切實(shí)可行的方法[1—5]。熱障涂層由承受機(jī)械載荷的鎳基高溫合金基底、增強(qiáng)結(jié)合力且抗氧化的中間過渡層、隔熱的陶瓷涂層以及制備或服役時(shí)形成的界面氧化層組成。各層成分、界面微觀結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，各層之間熱力學(xué)性能差異較大，且應(yīng)用有熱障涂層的熱端部件如渦輪葉片的幾何形狀極為復(fù)雜、服役環(huán)境極其惡劣，造成涂層在無法預(yù)知的情況下發(fā)生開裂、剝落而失效。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，人們逐漸提煉出熱障涂層高溫氧化、CMAS腐蝕、沖蝕是造成涂層剝落的三大關(guān)鍵因素。其中沖蝕是指飛行過程中雜質(zhì)顆粒對(duì)熱障涂層表面的反復(fù)碰撞，從而造成涂層發(fā)生減薄、密實(shí)、脫落等失效[6—12]。研究熱障涂層沖蝕的破壞機(jī)制，需要有試驗(yàn)裝置能模擬粒子在高溫下的沖蝕環(huán)境，這依靠傳統(tǒng)的沖擊或靜態(tài)試驗(yàn)裝置是不能實(shí)現(xiàn)的，而在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)上試車不僅浪費(fèi)巨大的財(cái)力、物力，同時(shí)也因?yàn)榱Ｗ铀俣?、角度、大小的不確定而失去機(jī)制分析的基本數(shù)據(jù)。因此，研制熱障涂層沖蝕服役環(huán)境的模擬裝置對(duì)熱障涂層沖蝕失效的研究尤為迫切和關(guān)鍵。

目前國際上主要通過自主研發(fā)的試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，如特殊的風(fēng)洞裝置、氣體噴槍裝置或是工業(yè)燃燒裝置，在某一溫度下將某一種或多種硬質(zhì)顆粒以一定的角度、速度噴至熱障涂層的陶瓷表面，結(jié)合掃描電鏡觀察、稱量等檢測(cè)手段研究熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)制。美國 NASA研究中心研制了馬赫數(shù)為 0.3～1的高速燃?xì)饽M裝置[13]，通過氣體槍熱沖擊并加入顆粒注入管道實(shí)現(xiàn)了熱障涂層沖蝕失效的模擬。德國漢堡聯(lián)邦國防軍大學(xué)研制了高焓風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M裝置[14]，采用高溫風(fēng)洞裝置攜帶顆粒以一定的角度、速度噴至熱障涂層的表面，來模擬熱障涂層的高溫沖蝕失效。法國研制的 Turbomeca燃燒器裝置[15]也能模擬熱障涂層沖蝕失效的過程。我國目前還沒有關(guān)于熱障涂層沖蝕失效裝置的報(bào)道。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、湘潭大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位針對(duì)熱障涂層的試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)開展了研究，如中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所曹學(xué)強(qiáng)等人研制了可控溫?zé)嵴贤繉幼詣?dòng)熱循環(huán)儀[16]；西北工業(yè)大學(xué)張立同等人將常壓亞音速風(fēng)洞和材料性能實(shí)驗(yàn)機(jī)相結(jié)合研制出熱障涂層的熱震實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[17]；北京航天航空大學(xué)徐惠彬等人研制的熱障涂層熱力耦合服役環(huán)境模擬裝置[18]；上海交通大學(xué)周洪等人研制了熱障涂層抗熱震性能測(cè)試裝置[18]；湘潭大學(xué)前期也研制出了熱障涂層高溫?zé)釠_擊的試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)[19—20]，但這些裝置中都還沒有實(shí)現(xiàn)熱障涂層沖蝕環(huán)境的模擬。我國是沙塵、霧霾非常嚴(yán)重的國家，當(dāng)熱障涂層廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上后，沖蝕問題將變得非常嚴(yán)重。因此，我國迫切需要研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的試驗(yàn)?zāi)M裝置，分析熱障涂層的沖蝕破壞行為，為熱障涂層材料的設(shè)計(jì)與制備工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。此外，國際上熱障涂層的沖蝕失效均借助于稱重法、厚度測(cè)量、顯微組織及表面形貌的觀察來分析，缺乏實(shí)時(shí)檢測(cè)手段。如果能在熱障涂層的沖蝕試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)中發(fā)展和集成對(duì)其失效過程實(shí)時(shí)檢測(cè)的技術(shù)和手段，將能對(duì)熱障涂層的沖蝕失效研究提供直接的依據(jù)。

基于此，文中研制了能模擬熱障涂層高溫?zé)釠_擊的燃?xì)鈬姌?，并且在噴槍中設(shè)計(jì)了速度、流量可控的顆粒送料系統(tǒng)，通過溫度、顆粒流量的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)常溫以及各種溫度下熱障涂層沖蝕服役環(huán)境的模擬。不僅如此，裝置還集成了熱障涂層全場(chǎng)溫度測(cè)量的紅外測(cè)溫采集系統(tǒng)、熱障涂層失效過程檢測(cè)的聲發(fā)射實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱障涂層溫度場(chǎng)、裂紋演化等關(guān)鍵參量的同步采集、輸出與顯示。盡管在熱障涂層廣泛應(yīng)用的世界發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研制出熱障涂層沖蝕裝置，但其核心保密且禁止向我國出售，關(guān)鍵研制技術(shù)也絕對(duì)是核心保密的。此外，已報(bào)道的裝置并沒有涉及到熱障涂層失效過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。因此，該裝置突破了國際上對(duì)我國沖蝕模擬裝置的封鎖，為分析熱障涂層沖蝕失效機(jī)制提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段。

1 設(shè)計(jì)方案與效果

1.1 裝置總體研制目標(biāo)與整體思路

該裝置主要用于模擬熱障涂層的沖蝕服役環(huán)境，故需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱障涂層高溫環(huán)境和顆粒沖蝕環(huán)境的模擬。根據(jù)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，涂層的服役溫度一般為1100 ℃左右，且隨著推重比的提升不斷增高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，沖蝕顆粒的速度大多與燃?xì)膺M(jìn)口高溫氣流的速度相似，一般為 250 m/s左右。為此，裝置的最高設(shè)計(jì)溫度確定為1700 ℃，沖蝕粒子的速度確定為20～300 m/s[21]，粒徑范圍確定為20～500 μm[22]。如圖1所示，高溫和沖蝕環(huán)境主要通過高溫燃?xì)鈬姌尲邦w粒送料管道的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要設(shè)計(jì)熱障涂層試樣的夾持裝置、試驗(yàn)操作平臺(tái)，且溫度、粒子速度、角度的測(cè)試與控制是必要的模塊，這些模塊構(gòu)成硬件設(shè)計(jì)的基本模塊。對(duì)于沖蝕失效的實(shí)時(shí)檢測(cè)，需要在裝置中完成無損檢測(cè)模塊的放置，線路的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的同步采集、輸出與顯示，后者主要通過調(diào)用原無損檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分來完成。此外，裝置的外形結(jié)構(gòu)、模塊布局、電路設(shè)計(jì)也是需要完成的部分。

圖1 熱障涂層沖蝕試驗(yàn)?zāi)M裝置的技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap of erosion test simulation equipment of thermal barrier coatings

1.2 裝置整體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)方案

裝置的主體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心的模塊由服役環(huán)境加載模塊、試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)、實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊以及試驗(yàn)控制與采集顯示等四個(gè)部分組成，各部分的研究方案如下所述。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2Schematicillustration of test platform structure

1）服役環(huán)境加載模塊。服役環(huán)境的加載包括高溫和沖蝕兩個(gè)部分。其中高溫服役環(huán)境主要由高速火焰的燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)，由高溫燃?xì)鈬姌?、燃燒室、氣體供給系統(tǒng)、自動(dòng)點(diǎn)火裝置、冷卻系統(tǒng)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，模擬熱障涂層長(zhǎng)時(shí)間高溫、熱疲勞或熱沖擊的服役環(huán)境。沖蝕服役環(huán)境由硬質(zhì)顆粒的加料系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、粒子速度測(cè)量、抽風(fēng)除塵系統(tǒng)與控制系統(tǒng)構(gòu)成，在燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)的高溫燃?xì)鈬姌屘幵O(shè)置連接口，將高溫、沖蝕兩個(gè)模塊連接構(gòu)成一個(gè)整體，即噴槍。

2）試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)主要供樣品安裝、測(cè)試、各個(gè)模塊連接、無損檢測(cè)模塊放置、除塵等后處理的設(shè)置，如圖3所示。樣品13安裝在夾具14上，夾具14則通過手柄15安裝在測(cè)試平臺(tái)操作區(qū)的底座上，且夾具14可旋轉(zhuǎn)。測(cè)試平臺(tái)的底部為無損檢測(cè)模塊的硬件放置區(qū)、沖蝕顆?；厥諈^(qū)以及各個(gè)模塊連接線的連接部分。除塵系統(tǒng)16設(shè)計(jì)在裝置測(cè)試平臺(tái)的上部，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒氣體、沖蝕顆粒的排放。需要指出的是，裝置的試樣夾持部分設(shè)計(jì)了多種形狀的連接口，以方便不同形狀尺寸熱障涂層樣品的沖蝕試驗(yàn)，且可旋轉(zhuǎn)的試樣夾具14可以通過手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，以分析不同沖蝕角度對(duì)熱障涂層失效的影響。

3）檢測(cè)模塊。主要包含溫度、粒子速度的測(cè)試與調(diào)控，裂紋萌生和擴(kuò)展過程的聲發(fā)射檢測(cè)與實(shí)時(shí)錄像等。在溫度場(chǎng)測(cè)量方面，根據(jù)熱障涂層的幾何形狀，在加熱區(qū)域、未加熱區(qū)、基底自由表面放置多個(gè)熱電偶，測(cè)量各個(gè)位置的溫度。這些熱電偶可以 360°旋轉(zhuǎn)，以便自由的移動(dòng)。同時(shí)采用可以自由移動(dòng)的紅外測(cè)溫儀對(duì)各個(gè)位置、不同時(shí)間的溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的溫度實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)噴槍的水平位移，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。在粒子速度的調(diào)控方面，采用帶有濾光鏡的高速攝像機(jī)對(duì)沖蝕過程進(jìn)行拍攝，通過濾光鏡濾出紅外輻射的干擾，結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝粒子運(yùn)動(dòng)過程的一系列圖片計(jì)算出粒子的速度，并反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)而控制粒子的流量。在裂紋萌生和擴(kuò)展過程的聲發(fā)射檢測(cè)方面，將鉑絲鑲嵌在耐高溫的陶瓷管內(nèi)制作損傷聲發(fā)射信號(hào)傳輸?shù)牟▽?dǎo)桿，通過機(jī)械裝置將波導(dǎo)桿固定在室壁上，一端與聲發(fā)射儀的傳感器連接，一端焊接在基底自由面上，實(shí)現(xiàn)失效過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

4）試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)試、控制、顯示以及無損檢測(cè)的運(yùn)行與顯示都通過系統(tǒng)的控制與顯示部分完成。

1.3 裝置整體與關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)效果

裝置的整體效果如圖3所示，裝置主要包括試驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)、氣體控制柜、送粉器、水冷裝置、試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的后面放置有氧氣杜瓦罐、氮?dú)舛磐吖蕖⒖諝鈮嚎s機(jī)，燃?xì)狻⑵鞣胖迷趯?shí)驗(yàn)室的外面。其中噴槍、夾具、樣品，聲發(fā)射檢測(cè)的傳感器放置于測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，每次試驗(yàn)時(shí)，除塵系統(tǒng)將開啟，對(duì)樣品室進(jìn)行除塵，同時(shí)冷卻系統(tǒng)打開，對(duì)噴槍進(jìn)行冷卻。通過氣體控制柜調(diào)節(jié)氣流流量，實(shí)現(xiàn)氣流速度、溫度的調(diào)節(jié)，并且通過送料系統(tǒng)，調(diào)節(jié)沖蝕顆粒的速度與質(zhì)量流量。通過聲發(fā)射傳感器，對(duì)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)上進(jìn)行顯示，其中關(guān)鍵的模塊設(shè)計(jì)效果如下所述。

1）噴槍。服役環(huán)境加載裝置即噴槍如圖4所示，其核心是高溫燃?xì)夂蜎_蝕顆粒加載兩部分。采用天然氣和氧氣作為燃燒氣體，壓縮空氣作為助燃?xì)怏w，噴槍的一端設(shè)置有這些氣體的進(jìn)入口，兩種燃燒氣體在混合室充分混合，在燃燒室內(nèi)采用自動(dòng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃并燃燒，經(jīng)過拉瓦爾噴嘴腔體對(duì)燃燒氣體進(jìn)行進(jìn)一步的體積壓縮，加速燃燒氣體的溫度、速度。沖蝕顆粒通過顆粒管道在壓縮氣體的帶動(dòng)下，經(jīng)高溫燃?xì)饧訜?、加速并隨火焰噴至樣品表面。其中，火焰速度可以通過自動(dòng)感應(yīng)與調(diào)節(jié)的氣壓閥來調(diào)節(jié)，基本的原理是，調(diào)節(jié)燃燒氣體的流量來改變?nèi)紵业膲毫?，從而調(diào)節(jié)火焰流速。顆粒的速度通過氣體流量來調(diào)節(jié)。為了保證噴槍工作在允許溫度范圍內(nèi)，采用水冷或氣冷的方式對(duì)燃?xì)鈬姌屵M(jìn)行冷卻，冷卻通道設(shè)置在噴槍的外壁。噴槍口采用螺紋與密封圈連接的方式設(shè)置有不同直徑的噴嘴，包括10，16，20，40 mm等4種，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸樣品的加熱。噴槍固定在裝置測(cè)試平臺(tái)的水平導(dǎo)軌上，水平導(dǎo)軌由伺服電機(jī)控制移動(dòng)，根據(jù)樣品表面的溫度由控制系統(tǒng)自動(dòng)移動(dòng)。噴槍固定裝置內(nèi)設(shè)置有冷卻通道，通過冷卻水循環(huán)冷卻。采用這一噴槍，樣品表面的溫度可實(shí)現(xiàn)室溫到1700 ℃可調(diào)。粒子速度在20～250 m/s可調(diào)，沖蝕顆粒的直徑可控制在30～105 μm之間。

圖3 裝置的整體外觀圖Fig.3 Overall external view of the device

圖 4 高溫沖蝕噴槍Fig.4 High-temperature erosion gun

2）樣品夾具。樣品夾持裝置主要由圓形旋轉(zhuǎn)盤、刻度盤、水平中心軸、手柄構(gòu)成。圓形旋轉(zhuǎn)盤可繞中心軸0°～90°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)樣品不同夾持角度的調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)盤的圓周上等距安裝有可夾持不同形狀試樣的夾具，可夾持條狀、盤狀、圓柱和真實(shí)渦輪葉片形狀的試樣，能實(shí)現(xiàn)不同形狀尺寸熱障涂層試樣的沖蝕試驗(yàn)。通過手柄、絲桿等結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)夾持裝置的前后移動(dòng)，從而保證樣品與火焰中心的對(duì)中，并且還可以調(diào)節(jié)出足夠的空間用來更換新的夾具，如圖5所示。

圖5 試樣夾具Fig.5Schematicillustration of specimen holder

3）試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)集成與顯示系統(tǒng)。同步采集數(shù)據(jù)和多畫面顯示的控制與顯示系統(tǒng)及其控制原理如圖6所示，系統(tǒng)包括多畫面顯示模塊、試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集模塊、儀器存放區(qū)(設(shè)置在試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上)等三部分。多畫面顯示模塊為一安裝有4臺(tái)LCD液晶顯示器的顯示柜。儀器存放區(qū)用于存放PCI-2聲發(fā)射無損檢測(cè)系統(tǒng)、溫度采集與試驗(yàn)控制系統(tǒng)等設(shè)備，各無損檢測(cè)設(shè)備均有自己獨(dú)立的操作系統(tǒng)與軟件控制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)、試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)的采集與存儲(chǔ)。首先設(shè)置好各裝置的軟件系統(tǒng)，開始試驗(yàn)時(shí)由裝置的試驗(yàn)操作系統(tǒng)即主機(jī)發(fā)送一個(gè)開始命令，聲發(fā)射等無損檢測(cè)系統(tǒng)接到指令開始采集，各設(shè)備并行工作，互不影響，并可卸下單獨(dú)使用，操作方便。

圖6 同步采集數(shù)據(jù)和多畫面顯示的控制與顯示系統(tǒng)Fig.6 Synchronized data sampling and multi-screen controlling and displaying system

1.4 其他輔助模塊

裝置的關(guān)鍵輔助模塊還包括燃?xì)饪刂乒?、氣體罐、送粉器、冷卻系統(tǒng)等。燃?xì)饪刂乒裼扇細(xì)?、氧氣、氮?dú)?、空氣壓縮機(jī)、送粉器的流量控制系統(tǒng)與工作狀態(tài)控制系統(tǒng)構(gòu)成。通過流量控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)?、氧氣、空氣壓力的控制，從而達(dá)到對(duì)火焰溫度的調(diào)節(jié)。各種繼電器、傳感器等均放置于燃?xì)饪刂乒駜?nèi)部。儲(chǔ)存氮?dú)獾臍怏w罐采用175 L的杜瓦罐，通過汽化器將杜瓦罐中液態(tài)的氮?dú)廨斔徒o裝置。由于試驗(yàn)的氣體需求量較大，燃?xì)獠捎枚鄠€(gè)氣體罐并聯(lián)的方式以滿足試驗(yàn)需求。送粉器由兩個(gè)放置不同沖蝕顆粒的儲(chǔ)料罐、壓力控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)組成，通過調(diào)節(jié)氣壓流量來控制顆粒的速度和流量等參數(shù)。冷卻系統(tǒng)包含兩個(gè)部分，一是水冷卻，用于對(duì)高溫噴槍、試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)外壁的冷卻；另一個(gè)部分是空氣冷卻系統(tǒng)，主要通過壓縮空氣來對(duì)樣品的基底面進(jìn)行冷卻，用以模擬熱障涂層陶瓷表面溫度高、基底溫度低的溫度梯度環(huán)境。此外，由于所需火焰溫度和速度較高，還需要利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣作為助燃?xì)怏w。

2 初步應(yīng)用

熱障涂層試樣的基底材料為 Ni基高溫合金GH3030。首先將基底打磨、去毛刺、超聲清洗和噴砂，隨后采用等離子噴涂工藝噴涂厚度約為100 μm的CoNiCrAlY過渡層，以及200 μm厚的 8% Y2O3-ZrO2陶瓷層。樣品的尺寸為60 mm×25 mm。

2.1 常溫沖蝕

常溫沖蝕試驗(yàn)參數(shù)：沖蝕物為Al2O3，粒子尺寸為30～105 μm，粒子速度為30～40 m/s，氮?dú)鈮毫?0.7 MPa，試驗(yàn)溫度為室溫，噴嘴直徑為 18 mm，沖蝕物密度為 3.9～4.0 g/cm3，沖蝕角度為30o，45o，60o，90o，沖蝕距離為37 mm，沖蝕時(shí)間為0，5，10，15 min。沖蝕顆粒為直徑25～105 μm 的Al2O3粒子，粒子速度通過氮?dú)鈮毫刂?。沖蝕以及失效的聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理如圖7所示，試驗(yàn)?zāi)M了不同沖蝕角度(30°～90°)和沖蝕速度(20～60 m/s)對(duì)沖蝕失效的影響。沖蝕失效過程采用美國物理聲學(xué)公司的 PCI-2型聲發(fā)射儀進(jìn)行檢測(cè)，采樣頻率設(shè)置為1 MHz，門檻值設(shè)置為30 dB，信號(hào)前段放大器幅值設(shè)置為40 dB。

圖7 沖蝕實(shí)驗(yàn)原理Fig.7 Schematic illustration of erosion experiment

通過形貌觀察、沖蝕率(稱重法)以及聲發(fā)射信號(hào)等參數(shù)來進(jìn)行沖蝕失效分析。熱障涂層在沖蝕失效過程中的表面形貌如圖 8所示，當(dāng)沖蝕顆粒以60 m/s的速度垂直于樣品表面進(jìn)行沖蝕時(shí)，涂層在5 min左右明顯出現(xiàn)沖蝕坑，且沖蝕坑的直徑隨沖蝕時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增大，15 min后涂層會(huì)完全脫落，露出基底。通過稱重法得到了沖蝕率與時(shí)間、角度的關(guān)系，如圖9和10所示。當(dāng)沖蝕角度在45°～90°時(shí)，隨著沖蝕角度的增加，沖蝕率即涂層質(zhì)量的損失越大；當(dāng)以30°的角度沖蝕時(shí)，涂層的質(zhì)量損傷出現(xiàn)了最大值，這可能與脆性涂層材料不耐剪切破壞的因素有關(guān)。

圖8 熱障涂層不同沖蝕階段的表面形貌Fig.8 Surface morphology of thermal barrier coatings at different erosion stages

沖蝕損傷信號(hào)的波形與頻譜如圖11所示。前期的工作表明，聲發(fā)射信號(hào)的頻譜與破壞模式直接關(guān)聯(lián)，并得出主頻為0.29 MHz的聲發(fā)射信號(hào)主要表現(xiàn)為界面裂紋，即涂層剝落的信號(hào)。這與熱障涂層沖蝕失效的破壞模式是一致的，說明了聲發(fā)射檢測(cè)功能的可信性。

圖9 常溫?zé)嵴贤繉淤|(zhì)量損失與沖蝕時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship of mass loss of thermal barrier coating and erosion time at room temperature

圖10 常溫?zé)嵴贤繉淤|(zhì)量損失與沖蝕角度的關(guān)系Fig.10 Relationship of mass loss of thermal barrier coating and erosion angle at room temperature

圖11 常溫沖蝕時(shí)熱障涂層損傷的聲發(fā)射信號(hào)Fig.11 Acoustic emission signal of thermal barrier coatings during erosion at room temperature

2.2 高溫沖蝕

熱障涂層的沖蝕失效一般都發(fā)生在高溫下，故高溫沖蝕服役環(huán)境模擬的實(shí)現(xiàn)是沖蝕裝置研制的核心與關(guān)鍵，通過高溫噴槍與沖蝕顆粒管道的設(shè)計(jì)可以使其很好地實(shí)現(xiàn)，而實(shí)時(shí)檢測(cè)的最大難點(diǎn)在于損傷聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)。由于聲發(fā)射傳感器只能在常溫下使用，通過波導(dǎo)桿技術(shù)可使聲發(fā)射檢測(cè)的方法能夠適用于高溫環(huán)境。利用鉑絲或高溫合金材作為波導(dǎo)桿，將波導(dǎo)桿的一端焊接在熱障涂層基底面，另一端通過機(jī)械裝置與聲發(fā)射傳感器連接，實(shí)現(xiàn)高溫下?lián)p傷聲發(fā)射信號(hào)的采集。

高溫沖蝕的試驗(yàn)參數(shù)：沖蝕物為 Al2O3；粒子尺寸為30～105 μm；氮?dú)鈮毫?.7 MPa；氧氣壓力為0.8～0.9 MPa；燃?xì)鈮毫?.6～0.7 MPa；試驗(yàn)溫度為1200 ℃；噴嘴直徑為18 mm；沖蝕角度為90o；沖蝕距離為37 mm。樣品表面溫度分布以及損傷聲發(fā)射信號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如圖 12，13所示。試驗(yàn)時(shí)，沖蝕顆粒通過高溫、高速的火焰并通過氣壓控制以設(shè)定的速度沖蝕到樣品表面。試驗(yàn)中，涂層表面溫度接近1200 ℃，基底溫度約為600 ℃，但這二者的溫度都可以通過高溫、冷卻氣流的流量來進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)樣品表面溫度最高溫度達(dá)1700 ℃的模擬。從圖13可以看出，此時(shí)特征頻率為0.32，0.47 MHz，通過前期的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)[24—26]，預(yù)測(cè)這兩類信號(hào)分別為界面處由于拉應(yīng)力(垂直于界面)、剪應(yīng)力(平行于界面)作用而產(chǎn)生的界面裂紋，詳細(xì)的分析結(jié)果將在以后熱障涂層沖蝕破壞機(jī)制的研究工作中予以分析。

圖12 試樣表面及基底溫度的變化曲線Fig.12 Variation of temperature with time on the surface and bottom of sample

圖13 高溫沖蝕時(shí)熱障涂層兩種典型界面裂紋的聲發(fā)射信號(hào)Fig.13 Two typical acoustic emission signals induced by two different interface cracks of thermal barrier coatings during erosion at high temperature

3 結(jié)論

1）根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)服役環(huán)境，提煉出服役環(huán)境與服役狀態(tài)，進(jìn)行熱障涂層服役環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M裝置總體技術(shù)路線的設(shè)計(jì)、總體方案的設(shè)計(jì)以及核心部件的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫沖蝕、高溫沖蝕的模擬，并且沖蝕顆粒加料速率8～250 g/min、沖蝕顆粒的直徑30～105 μm、粒子或焰流速率20～300 m/s可調(diào)，試件最高試驗(yàn)溫度可達(dá)1700 ℃。

2）所研制出的熱障涂層服役環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M裝置能夠?qū)⒃囼?yàn)參數(shù)的控制系統(tǒng)、信號(hào)的采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理等軟件系統(tǒng)集中輸出到控制與顯示平臺(tái)，并同步顯示，方便試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的觀察以及參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3）應(yīng)用試驗(yàn)表明，所研制出的熱障涂層服役環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M裝置能夠結(jié)合現(xiàn)有的無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)熱障涂層失效過程中的溫度場(chǎng)、聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行正常采集。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理可以判斷出熱障涂層的失效機(jī)理和危險(xiǎn)區(qū)域。另外，這些數(shù)據(jù)可為后期對(duì)熱障涂層壽命預(yù)測(cè)、可靠性評(píng)估提供良好的參考。

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Development of Erosion Equipment for Turbine Blade with Thermal Barrier Coatings in Aeroengine

YANG Li1,2,TAN Ming1,2,ZHOU Wen-feng1,2,ZHOU Yi-chun1,2

(1. Key Laboratory of Key Film Materials & Application for Equipment (Hunan Province), School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. Key Laboratory of Low Dimensional Materials and Application Technology of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

ObjectiveTo develop experimental simulation system for the erosion service environment of thermal barrier coatings, so as to study the erosion failure mechanism.MethodsAn oxy-fuel burner was developed to simulate high-temperature erosion of TBCs, and a particle feeding system with controllable speed and flow of particles was designed inthe burner. Meanwhile, an acoustic emission system capable of real-time monitoring crack evolution was integrated in the device.ResultsThis system realized the simulation of the erosion service environment of thermal barrier coatings, the simultaneous collection, output and display of temperature field, crack evolution damage parameters, and accomplished the integrated design of erosion service environment simulation and real-time monitoring of critical damage parameters.ConclusionThis device can successfully simulate different experimental conditions such as room or high temperature, various impact angles and various particle velocities. Besides, this device can provide systematic damage parameters monitoring data for the understanding of erosion failure and the preparation optimization of TBCs.

thermal barrier coatings; erosion; nondestructive testing; air engine

ZHOU Yi-chun(1963—), Male, from Hunan, Ph.D., Professor, Research focus: thin-film material and device mechanics.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.008

TJ04；V232.4

A

1672-9242(2016)03-0048-09

2016-04-06；

2016-05-06

Received：2016-04-06；Revised：2016-05-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51590891，11272275，11472237）

Foundation：Supported by the National Natural Science Foundation of China(51590891, 11272275, 11472237)

楊麗（1980—），女，湖南人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楸∧げ牧吓c器件力學(xué)。

Biography：YANG Li(1980—), Female, from Hunan, Ph.D., Professor, Research focus: thin-film material and device mechanics.

周益春（1963??），男，湖南人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楸∧げ牧吓c器件力學(xué)。