一種塗層高溫蠕變變形的測量裝置的製作方法
2023-06-07 16:18:51 1
專利名稱：一種塗層高溫蠕變變形的測量裝置的製作方法
技術領域：
一種塗層高溫蠕變變形的測量裝置技術領域本發明涉及一種高溫環境下塗層蠕變變形的長時測量裝置，屬於材料性能測試技術領域。
技術背景燃氣輪機、航空發動機等燃燒系統中工作的許多零部件需經受高溫、高應力、熱衝擊、 燃氣腐蝕、粒子衝蝕等因素作用。例如，當前先進發動機的渦輪進口溫度已超過165(TC，而 現代高溫合金的使用溫度是100(TC， Ni， Al單晶的耐溫極限也只有115(TC。為此需在這些 零部件表面覆蓋熱絕緣塗層即熱障塗層(TBCs)，以起到隔熱、抗氧化、防腐蝕的作用。熱障 塗層在高溫下，即使所受應力低於該溫度下的屈服點，長時間作用不可避免會發生緩慢連續 的高溫變形——蠕變， 一旦其蠕變變形增加到一定程度就會發生功能失效，從而導致事故的 發生。因此，研究塗層在高溫環境下的蠕變變形顯得尤為重要。傳統的蠕變測量方法和裝置 均是基於接觸式測量原理和方案，在試樣尺寸和結果精度方面都不能滿足要求。另一方面， 現有塗層性能測試方法需要把塗層從基體上剝離，這一要求不僅使得試樣製備困難，而且模 擬試驗條件與實際工作環境有較大差異。高溫環境對測試裝備和材料的特殊要求，更是增大 了塗層蠕變變形測量的難度和複雜性。高溫雲紋幹涉法其光柵與試件表面容易脫落，而且僅能獲取單一材料的蠕變變形；發明 專利98115367.4針對微米尺度微小型工件變形測量的困難，發明了光纖測杆三維觸測適應性 的優化幾何結構，利用觸測球體在光軸方法上離焦距離的測量方法，但未解決高溫環境的問 題，不能用於塗層的高溫蠕變測量；中國專利89107018. 4提供了一種高溫陶瓷蠕變試驗機， 基於對比消除原理採用了雙試樣方式，但主要針對陶瓷塊體材料，不能用於塗層低維試樣； 實用新型200520127714. 5的目標是傳統砝碼蠕變試驗機的改進，可實現金屬材料在不同溫度 和拉應力下蠕變變形的數據自動採集，仍然基於了接觸式變形測量原理，無法滿足塗層低維 試樣的蠕變測量要求；中國專利200420080166. 0可以對電子封裝材料的高溫蠕變變形進行測 試，但其採用了紅外熱板加熱方式，溫度局限於15(TC，還不能滿足塗層試驗高溫實驗的要 求(一般60(TC以上)。發明內容為了獲取塗層在高溫條件下的蠕變變形，本發明提供了一套實驗裝置，該實驗裝置基於 非接觸光學測量原理，能夠較好的獲取高溫環境下塗層的局部和全場蠕變變形。本發明技術方案如下-一種塗層高溫蠕變變形測量裝置，其特徵在於，所述裝置包括加載機構l，帶開孔16的 對開式高溫加熱爐2，惰性氣體瓶4， CCD攝像機5，三維移動三腳支架8，白熾光源9，數 據採集卡6，數字散斑相關計算系統7，所述的高溫加熱爐2與加載機構1連接，塗層試件置 於加熱爐2內，惰性氣體瓶4通過一根連通管與加熱爐2相連，在加熱爐開孔前方設置一白 熾光源9，並設置一帶有三維移動三腳支架8的CCD攝像機5，調整三維三腳移動支架，使 通過加熱爐開孔觀測到的塗層試件的法向垂直於CCD攝像機的軸線，CCD攝像機5的由數 據線連接到數字散斑相關計算系統7的數據採集卡6上；所說的數字散斑相關計算系統7為帶有數字散斑相關計算軟體的計算機。 所述的高溫加熱爐2上設置耐高溫玻璃3封住開孔16,開孔16處擋圈15通過六角螺栓10與高溫加熱爐連接；耐高溫玻璃3與擋圈15之間採用耐高溫石棉11密封，耐高溫玻璃3上鍍一層抗反射膜。所說的加載裝置及高溫加熱爐可基於常規商業蠕變試驗機。加載機構和加熱爐的連接關 系如下所述的高溫加熱爐設有三個獨立的加熱區，每個加熱區裝有獨立的電阻絲；加熱爐 的兩個對開半圓筒形爐體分別通過一個連接元件14與加載裝置的一側立柱12懸臂連接；連 接元件14 一端與一側立柱12轉動連接，另一端固定在加熱爐的對開半圓筒形爐體上；所述 的連接元件14由一個圓環套筒和一塊方形連接板焊接而成，圓環套筒套在一側立柱上與立柱 轉動連接，方形連接板固定在電加熱爐上；圓環套筒下方立柱上裝有止滑圓環套13，由兩個 半圓環組成，兩個半圓環由斜削釘連接，並由一正銷釘固定在立柱上。有益效果本裝置是基於數字散斑相關原理開發的方法和實施機構，塗層試樣可直接採用與金屬基 體的連接狀態，不需從基體上剝離，試樣的表面也不需加工處理。採用惰性氣體作保護氣以 防止試件表面被氧化；在耐高溫玻璃上鍍一層抗反射膜以減少耐高溫玻璃對光線的反射；在 高溫加熱爐和耐高溫玻璃之間採用耐高溫石棉密封以保證爐內溫度穩定；採用LEG光源作白 熾光源以增加試件表面反射光強度；調整白熾光源和CCD攝像機以得到高溫環境下高質量的 試件表面視頻信號；調整三維三腳移動支架使被測試件的法向垂直於CCD攝像機的軸線；由 CCD攝像機攝取高溫環境下試件變形前後或不同時刻變形的圖像，攝取的視頻信號傳入數據 採集卡，通過數據採集卡將視頻信號轉換為數位訊號並存儲在電子計算機上；通過數字散斑 相關計算系統即可實現塗層的微區蠕變變形。塗層的全場蠕變變形可通過加載裝置上的位移 傳感器獲取。本發明能夠較好實現塗層在高溫環境下的局部和全場蠕變變形的長時測量。
圖1為本發明的測量系統裝置圖。圖中l一加載機構；2 —高溫加熱爐；3 —耐高溫玻璃；4 一惰性氣體瓶；5 — CCD攝像機；6 —數據採集卡；7 —數字散斑相關計算系統；8 —三維三腳 移動架；9一白熾光源。圖2為加載機構與高溫爐的連接圖。圖中12 —立柱；13 —止滑圓環套；14一連接元件。圖3為高溫爐的開孔示意圖，圖中10—六角螺栓。圖4為圖3的A-A剖面圖，圖中ll一耐高溫石棉；15—擋圈；16—加熱爐開孔。 圖5為實施案例測試試樣圖。圖6為實施案例塗層界面示意圖，圖中A—基體材料(2.25CrlMo);B—基體材料與MCrAlY 粘結界層；C一Zr02表層。圖7為實施案例塗層高溫蠕變的塗層界面應力一時間圖。圖8為實施案例塗層高溫蠕變後塗層界面各個點的應力圖。
具體實施方式
如圖l所示，打開加載機構1的計算機控制系統、高溫加熱爐2及其溫度控制系統，設 定試驗參數，啟動高溫加熱爐2;打開惰性氣體瓶4闊門，調節氣體流量，讓試件表面有穩 定的惰性氣體流；打開白熾光源9，讓白光照射到試件表面，反射回來的光線透過耐高溫玻 璃3被CCD攝像機5捕捉；CCD攝像機5攝取的視頻信號通過數據線傳輸到數據採集卡6， 數據採集卡6將其轉換成數字圖像，然後存儲在電子計算機上；啟動加載機構l對試件進行 加載；穩定後，對試件表面的圖像進行採集；隨後，每隔一段時間採集一幅圖像，直至試驗 終止。通過運用數字散斑相關系統7即可獲得塗層在高溫環境下的微區蠕變變形。塗層全場 蠕變變形可通過加載機構上的位移傳感器獲得。實施案例在本案例中，採用沉積在基體材料為2.25CrlMo的NiCrAlY金屬粘結層與Zr02陶瓷頂 層雙層結構塗層作為測試試件(如圖5、圖6),在溫度為873K、拉伸力100MPa的條件下， 按照上述的實施方式，對試件進行高溫微區蠕變變形測量和全場蠕變變形測量，經過112.5 小時的長時拉伸，測試試件被拉斷，試驗終止。試驗結果表明，我們較好的獲得了塗層在高 溫條件下的微區蠕變變形和全場蠕變變形(如圖7、圖8)。
權利要求1. 一種塗層高溫蠕變變形測量裝置，其特徵在於，所述裝置包括加載機構(1)，帶開孔(16)的對開式高溫加熱爐(2)，惰性氣體瓶(4)，CCD攝像機(5)，三維移動三腳支架(8)，白熾光源(9)，數據採集卡(6)，數字散斑相關計算系統(7)，所述的高溫加熱爐(2)與加載機構(1)連接，塗層試件置於加熱爐(2)內，惰性氣體瓶(4)通過一根連通管與加熱爐(2)相連，在加熱爐開孔前方設置一白熾光源(9)，並設置一帶有三維移動三腳支架(8)的CCD攝像機(5)，調整三維三腳移動支架，使通過加熱爐開孔觀測到的塗層試件的法向垂直於CCD攝像機的軸線，CCD攝像機(5)的由數據線連接到數字散斑相關計算系統(7)的數據採集卡(6)上；其中，所說的數字散斑相關計算系統(7)為帶有數字散斑相關計算軟體的計算機。
2、 如權利要求1所述的一種塗層高溫蠕變變形測量裝置，其特徵在於，所 述的高溫加熱爐(2)上設置耐高溫玻璃(3)封住開孔(16)，開孔(16)處擋 圈(15)通過六角螺栓(10)與高溫加熱爐連接；耐高溫玻璃(3)與擋圈(15) 之間採用耐高溫石棉(11)密封，耐高溫玻璃(3)上鍍一層抗反射膜。
專利摘要本實用新型涉及一種塗層高溫蠕變變形的測量裝置，結構為高溫加熱爐2與加載機構1連接，塗層試件置於加熱爐2內，惰性氣體瓶4通過一根連通管與加熱爐2相連，在加熱爐開孔前方設置一白熾光源9，並設置一帶有三維移動三腳支架8的CCD攝像機5，調整三維三腳移動支架，使通過加熱爐開孔觀測到的塗層試件的法向垂直於CCD攝像機的軸線，CCD攝像機5的由數據線連接到數字散斑相關計算系統7的數據採集卡6上。該測量裝置採用惰性氣體作保護氣，塗層試樣直接與金屬基體相連接，能夠獲得塗層在高溫環境下的全場和微區蠕變變形，具有數字圖像幹涉測量模式，其位移測量精度可達到微米級。
文檔編號G01B11/16GK201096733SQ20072006907
公開日2008年8月6日 申請日期2007年4月19日 優先權日2007年4月19日
發明者張宏宇, 塗善東, 軒福貞, 陳建鈞 申請人:華東理工大學