[发明专利]一种模拟和实时测试涡轮叶片热障涂层冲蚀的试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟和实时测试高温部件冲蚀的试验装置，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、冲蚀的服役环境，并实现多个冲蚀失效参数实时测试的试验装置，属于特殊服役环境的模拟装置领域。

背景技术

近年来，随着航空发动机的发展，发动机的关键参数推重比不断提高，发动机高温部件的工作温度越来越高，到第四代战斗机时， 燃气涡轮进口温度已达1700 °C。这对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求。目前先进单晶镍基高温合金的使用极限温度为1150 °C， 显然单独使用高温合金材料已不能满足先进航空发动机的需求。1953年美国NASA中心提出了热障涂层(thermal barrier coatings，简称TBCs)的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，以降低合金表面温度从而提高发动机的热效率。采用TBCs技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度最切实可行的方法，因此，在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中，均把TBCs技术列为高性能航空发动机的关键技术之一。然而，由于组成TBCs体系的各层之间存在巨大的物理、热、力学性能差异，加上极其复杂的几何形状、微观结构，以及航空这一工作环境的特殊性，TBCs在无法预知的情况下发生各种破坏甚至失效，降低了高温部件的使用寿命和可靠性，从而给航空带来了最致命的威胁。

由于航空发动机复杂的服役环境，TBCs服役时将不可避免的受到发动机燃烧室带硬质颗粒气流的反复撞击，从而出现了涂层厚度变薄、裂纹形成甚至剥落的现象，即发生冲蚀破坏。这些硬质颗粒的来源主要有两类，一是在发动机内产生， 或者是在燃烧过程中形成的碳颗粒，又或者是由于发动机燃烧内壁、涡轮叶片等被冲蚀形成的粒子；另一类是来自被吸入燃气轮机的外界物体，如沙粒、灰尘、铝等金属粒子。且随着科技的发展，TBCs面对着服役温度越来越高、硬质颗粒越来越复杂的冲蚀环境。因此，在众多引起TBCs失效的因素中，冲蚀被列为影响TBCs失效的第二个关键因素，越来越受到国内外科研工作者的关注。甚至在很多TBCs材料设计与制备工艺优化的研究中，TBCs的隔热性能和抗冲蚀性能被列为评价TBCs性能的标准。为了提高TBCs的抗冲蚀性能，科研工作者们进行了一系列的探索。如美国NASA中心， 德国能源研究中心， 著名学者Nicholls、Wellman、 Fleck、Pature、陈曦等人，对各种TBCs的冲蚀性能及其与材料成分、制备工艺的关系进行了广泛的研究，指出TBCs的冲蚀性能很大程度上决定于TBCs的材料设计及其制备工艺，并在此基础上分析了等离子喷涂、物理气相沉积TBCs的冲蚀破坏特征。这些工作极大的提升了人们对TBCs冲蚀破坏行为的理解。我国实现TBCs应用在航空发动机上的部门——中航工业沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司指出，目前我国实现TBCs安全应用的最大瓶颈就在于TBCs的冲蚀破坏，试车时TBCs还来不及发生氧化就已因为冲蚀产生了大量的裂纹、出现减薄甚至出现大面积的脱落。然而，我们目前对TBCs冲蚀破坏行为的认识还不全面，更找不到提高TBCs冲蚀性能的材料设计、制备工艺优化方案。更遗憾的是，在还没有完全实现TBCs安全应用的我国，还几乎没有开展TBCs冲蚀方面的研究工作。更不知道冲蚀性能与材料设计、制备工艺这两者之间的联系是什么，又可以用什么物理量来描述两者之间的联系？

要解决这一关键问题，就要弄清楚TBCs的冲蚀破坏机理，即弄清楚TBCs在带硬质颗粒的高温气流反复作用下，发生什么形式、什么程度的破坏，并找出它们与粒子、陶瓷层性质之间的关系。因此，需要大量的冲蚀测试才能得到可靠的结果。面对这些棘手的冲蚀测试难题，目前国内外从事相关研究者主要通过地面模拟服役环境的地面试验，如热冲击试验、高温风洞实验、发动机试车台整机实验等。这些方法能够模拟出航空发动机内一部分的工作环境，但是很耗费人力、物力，并且无法实时获得或者缺乏试验时试样的关键信息，很难得知TBCs与冲蚀颗粒之间的具体关联。因此通过设计相关试验装置和模拟试验，如何经济有效地对高温部件冲蚀失效行为进行表征，将是航天工作者必须直接面对的现实工程问题。国外涉及到与冲蚀装置类似的只有NASA的高速燃气模拟装置、英国Cranfield大学的某燃烧设备等少数设备，而国内涉及到模拟和测试航空发动机内涡轮叶片冲蚀性能方面的试验装置还没有，更没有实现热障涂层涡轮叶片高温冲蚀环境的模拟。

发明内容