[发明专利]一种带热障涂层的叶片热疲劳失效的模拟测试方法

摘要

本发明属于航空工业中涡轮叶片性能检测技术领域，具体涉及一种带热障涂层的叶片热疲劳失效的模拟测试方法。该方法能够模拟高性能航空发动机内各类叶片的温度交变循环的热疲劳工作环境，并同步实现对带热障涂层的叶片试样的温度、温度梯度、表面形貌图像演变、三维变形场、三维位移场、界面氧化层及其增厚规律、热疲劳裂纹萌生与扩展、冷却气流量等数据实时测试和分析，实现了热疲劳实验过程中叶片三维热应变和应力的实时监测，为预测叶片的热疲劳破坏位置和失效时间提供一个重要手段。该方法所获得的实验数据可为有效评估航空发动机叶片在高温燃气环境下的破坏机理，以及预测陶瓷涂层脱落位置、脱落时刻和服役寿命提供重要的试验依据。

主权项

一种带热障涂层的叶片热疲劳失效的模拟测试方法，使用了ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统、声发射和复阻抗交流频谱无损测试系统、计算机温度采集系统、氧乙炔快速双向加热装置，其特征在于，该方法包括以下关键步骤：(1)对带热障涂层的叶片试样的陶瓷表面进行工艺处理，使被测试样的陶瓷表面形成耐高温的散斑场，以作为ARAMIS非接触式三维变形在线测量系统的特征散斑场；(2)设置和连接声发射和复阻抗交流频谱无损测试系统：将电极、波导管的一端分别焊接在所述被测试样的陶瓷表面和两端金属基底上，把电极和波导管的另一端连接到声发射和复阻抗交流频谱无损测试系统，然后把被测试样固定在试验控制台的夹具上；(3)调节热电偶固定装置，把多支热电偶紧贴在被测试样表面，每支热电偶分别连接到计算机温度采集系统，用来测试被测试样不同区域的温度，并启动计算机和温度采集软件；(4)启动ARAMIS非接触式三维变形测试系统：调节照明光源，并固定两个呈“V”字摆放的摄像机，摄像机摆放夹角40-50°；确定所关注被测试样的区域；利用所述ARAMIS非接触式三维变形测试系统配备的标定板对摄像机进行标定，确定两个摄像机的几何、光学参数，将空间坐标与摄像机坐标重合；标定完毕后，运行应变测试软件，设定ARAMIS测试软件拍摄频率，在线测试自动保存数据模式；(5)对所述试样夹具和喷枪固定装置采用水冷却，对具有内部冷却通道的被测试样通入冷却气流进行冷却，对不具备冷却通道的被测试样忽略冷却过程；(6)设定被测试样热疲劳实验的方式和要求；(7)启动氧乙炔快速双向加热装置，通过控制机械传动开关，对被测试样表面进行双面快速加热，升温速率控制在100℃/s～300℃/s，使被测试样表面温度稳定在设定的温度值，达到设定保温时间后；然后通过控制电机，停止加热，使被测试样表面冷却，通过调节控制氧乙炔快速双向加热装置的位置和时间，完成每一次“加热-保温-冷却”热循环实验，测定其热疲劳失效过程；(8)在热疲劳模拟实验过程中，实时测试和记录的数据包括：被测试样的温度场变化、三维变形场变化、三维位移场变化、试验表面形貌的演变、声发射监测的事件数量、裂纹扩展情况；(9)定义试样发生热疲劳失效的标准：在热循环试验中，脱落的陶瓷涂层面积占总表面积的30％时，即认为该被测试样热疲劳失效；重复进行步骤6-8，直至试样发生热疲劳失效，完成热疲劳试验模拟及监测；模拟实验完成后，关闭本试验装置的仪器和设备，同时分析和整理实验数据，判断被测试样的疲劳失效机理和危险区域。