[发明专利]一种熔融CMAS侵蚀热障涂层润湿性能的测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料性能的测试装置及测试方法，尤其涉及一种熔融CMAS侵蚀热障涂层润湿性能的测试装置及测试方法。

背景技术

航空发动机是衡量一个国家国防实力和科技水平的重要标志，推重比的提升是航空发动机发展的永恒追求。随着推重比的提高，涡轮前燃气进口温度也会大幅度的提高，到第四代战斗机时，燃气进口温度已经达到了1650℃，单纯依靠高温单晶技术已经很难满足航空发动机发展的需要。后来，美国NASA提出了热障涂层的概念，即在高温合金基底的表面喷涂一层耐高温、高隔热的防护涂层，以降低合金表面温度从而提高发动机的热效率。

飞机在飞行过程中会不可避免的遇到灰尘、沙粒以及发动机内的残骸等外界物体的撞击，这些颗粒大多为钙镁铝硅的氧化物(calcium-magnesium-alumino-silicate,简称CMAS)，当服役温度达到1200℃以上时，CMAS会熔融并渗透到热障涂层中。CMAS在渗透时会与陶瓷层发生化学反应、诱发相变，会极大降低TBCs的应变容限；另一方面，CMAS的热膨胀系数要明显地低于热障涂层，因而孔隙和裂纹处渗透有CMAS的陶瓷层在冷却时会产生额外的压应力，这一压应力累积到足够大时会导致热障涂层发生剥落。CMAS腐蚀已被广泛的认为是热障涂层脱落的主要因素。因此，研究热障涂层的CMAS侵蚀机理，并找出其防止措施是今后航空发动机发展所必须解决的关键问题。此外，CMAS在热障涂层中的渗入与熔融的CMAS在热障涂层表面的润湿性如接触角、表面张力有直接的关系。如果能测量出熔融的CMAS侵蚀热障涂层时的接触角与表面张力，并找到这些关键参数与涂层微观结构、表面形貌以及外界环境如CMAS成分与配比的关系，则能为研究热障涂层的CMAS侵蚀机理、找出防止CMAS渗入的方法提供依据。

测量液体在固体表面的接触角与表面张力，通常是在室温下进行，对常温下是固体的CMAS是不适用的。国际上对热障涂层CMAS侵蚀时的润湿性的研究中，将CMAS粉末堆积在热障涂层表面置于高于CMAS熔点的环境中反应一段时间，待热障涂层随炉冷却后镶样抛光，并通过扫描电镜图像测得接触角。此方法的缺点是：反应时间长，缺乏对CMAS熔融以及熔融的CMAS与热障涂层表面接触时形貌的实时观察而不准确，且还需额外制备扫描电镜的样品，处理过程较为繁琐。CMAS的熔点大多在1200℃以上，且熔融后的CMAS是一种粘度高、腐蚀性强的熔融物，很难找到能够不被CMAS腐蚀的容器，其熔融物的滴落极难通过容器通道或开关来控制。目前关于接触角的高温测量装置大多针对粘度较低的液体，且温度远低于CMAS熔点。现有技术中，有2种常用的技术方案，方案1将固体材料做成毛细管，毛细管的一端注入液体，另一端注入气体，通过摄像机记录气液液面的形貌来实现液固接触角的测量。这一方法不适用于对热障涂层的CMAS润湿性表征，这是因为高粘度的CMAS极易粘附、堵塞毛细管，严重影响装置的重复使用，且将热障涂层加工成毛细管存在一定的技术难度。方案2在高温高压环境下通过毛细管将液体注入至基底表面，通过成像系统获得所需图像数据，多用于石油等液体和固体表面接触角的测量，所能达到的最高温度为200℃，远低于CMAS的熔点，方案2同样存在毛细管堵塞的问题。可见，现有的设备均无法满足1200℃以上、高粘度CMAS侵蚀热障涂层时接触角和表面张力的测量要求。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种熔融CMAS侵蚀热障涂层润湿性能的测试装置，本发明通过绕曲状的铂丝对CMAS液滴进行导流，使得CMAS液滴能够沿着铂丝滴落到热障涂层样品上，解决了高粘度熔融态CMAS吸附并堵塞毛细管的问题，同时通过成像系统对侵蚀全过程的形貌进行采集，从而可以实现分析计算出熔融CMAS侵蚀热障涂层的接触角及表面张力，为热障涂层CMAS润湿性以及破坏机制的研究提供重要的实验平台。

根据本发明的一个方面，提供了一种熔融CMAS侵蚀热障涂层润湿性能的测试装置，包括：高温加热系统，用于提供高温实验环境以让块状CMAS熔融；CMAS承载系统包括铂丝，所述铂丝的一端为绕曲状且末端成锥形，用于固定块状CMAS，并牵引熔融后的CMAS液滴滴落到热障涂层样品表面；测试平台，用于承载所述热障涂层样品；温度控制系统，用于控制所述高温加热系统的实验温度和升温速率；成像系统，用于采集块状CMAS形成液滴到其滴落到所述热障涂层样品表面的图像，并对采集到的所述图像进行分析，计算出熔融CMAS侵蚀热障涂层的接触角及表面张力。