[发明专利]一种测试热防护涂层表面性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面性能测试技术领域，特别是一种采用激光作为热源进行涂层表面热疲劳性能和隔热性能测试的方法。

背景技术

采用热喷涂、堆焊、熔覆等表面技术在受热零部件表面制备热防护涂覆层，是提高零部件可靠使用寿命的有效手段。采用高性能涂层既可以提高表面的热疲劳性能，又可以降低基体的工作温度，起到防热隔热的作用，适用于航空航天发动机的涡轮叶片、车用发动机的气缸盖、活塞、进排气管道、以及热锻模具、轧辊等承受高温、高压载荷条件的零部件。

表面热疲劳性能和隔热性能是热防护涂层的两项重要的指标。表面热疲劳是指材料表面受到冷热循环作用，表面温度变化引起材料膨胀或收缩受阻，产生热应力，并在热应力的循环作用下材料发生损伤，形成表面裂纹。由热源造成的温度在空间的分布不均匀性产生热应力，温度在时间上的变化导致热应力循环变化。隔热是指由于涂层与基体的热传导介质变化使单位空间内温度变化变小，从而对热传导形成阻滞作用。隔热性能表征了热防护涂层阻隔高温环境，降低基体工作温度的能力。

通常的测试热疲劳性能的方法是，通过电阻炉、感应线圈等加热试样表面，然后将试样移动到冷却介质中冷却，反复循环进行。电阻炉加热的方式使试样产生接近于均匀的温度分布，热应力水平较小，一般在反复循环很多次周期后才能出现表面疲劳裂纹，热疲劳实验的周期长、代价昂贵。移动试样到冷却介质中冷却的步骤增加了试验系统结构复杂性。感应线圈加热方式的主要缺陷是对材料比较敏感，很难对非金属材料直接加热。对隔热性能的表征目前存在不同的方式，通常的方法是将试样一侧置于高温环境中，另一侧置于低温环境，当达到热平衡状态后，测量涂层两侧的温差作为隔热性能指标。隔热性能的测试方法同样存在系统结构复杂、数据不准确、试验步骤多的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述热防护涂层表面性能检测技术试验周期长、步骤复杂、代价昂贵的缺点，提供一种能够准确、可靠、试验周期较短、可以同时测试热防护涂层热疲劳性能与隔热性能的方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种测试热防护涂层表面性能的方法，包括如下步骤：

a)加工热防护涂层试样，安装所述试样在冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道；

b)采用可变强度的激光束对所述试样的热防护涂层表面加热，再对所述试样进行冷却；如此反复进行至规定的循环次数；测量实验过程中所需各测温点的温度值；观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化；

c)评价所述试样的热疲劳性能和隔热性能。

进一步，所述步骤a)具体为按照规定要求加工所述试样，将所述试样表面研磨至抛光状态，涂层表面喷涂高温漆，增加激光吸收率；安装所述试样在所述冷却底座上，所述试样下表面与所述冷却底座形成冷却介质封闭通道。

进一步，所述步骤b)具体包括如下步骤：

激光束通过光束变换器后辐射至热防护涂层表面；

设定最高温度、最低温度、循环次数、冷却介质、冷却介质温度和冷却介质流量；当激光束将表面温度加热至最高温度值时，停止加热，对试样进行冷却，当表面温度降到最低温度时，激光束对试样加热，反复进行至规定的循环次数；

采用红外测温仪测量热防护涂层表面的温度作为温控信号；

在试样深度方向布置若干热电偶测温点，测量实验过程中各点的温度值；通过摄像装置观察实验过程中热防护涂层表面状态的变化。

进一步，所述步骤c)具体包括如下步骤：

对热防护涂层表面进行清洗，去除高温漆和表面氧化皮，利用显微镜对热防护涂层表面拍照，分析裂纹评定热疲劳性能；

对比表面温度数据和试样中的测温数据，以平均差值作为隔热性能指标。

进一步，所述试样具有两个平行面，一侧具有待测涂层，作为激光束加载表面，另一侧与冷却介质相接触，作为冷却表面。

进一步，其中至少有一个测温点在热防护涂层涂层与基体的结合界面处。

进一步，试验采用的激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、或者光纤激光器；所述激光束经光束变化后，是若干个不同能量分布的点阵光斑，用以加速表面热疲劳。

进一步，所述冷却介质为冷却气体、或者冷却液体；通过循环系统连续稳定地输送冷却介质。

进一步，所述红外测温仪、热电偶温度信号通过数据采集器采集到控制计算机中，在计算机中编制相应程序控制表面性质测试试验过程。