一种热循环考核装备及基于其的热循环测试的方法

本发明属于热喷涂涂层特殊服役环境模拟装备，具体涉及一种热循环考核装备及基于其的热循环测试的方法。

背景技术：

1、航空航天发动机在实际工作中通常会遭遇极为复杂的环境，包括极高温度和显著的温度梯度。当前，一般采用热喷涂技术在航空发动机涡轮叶片表面喷涂一层陶瓷热障涂层，提供优异的抗腐蚀和高温氧化能力，用来抵御高温气流和腐蚀性介质，降低涡轮叶片的磨损和损坏程度，从而延长航空发动机的使用寿命。在航空发动机的制造过程中，通常需要通过模拟试验来评估涡轮叶片表面的热喷涂涂层在实际工况下的热循环性能，以确定其在热循环服役条件下的寿命，进而确定航空发动机的使用寿命。

2、目前，涂层热循环测试的主要方法是运用火焰喷枪将涂层表面加热至预定温度，然后维持一段时间的保温，并随后通过空冷等方式进行周期性的加热冷却循环，以评估涂层的性能。尽管这种方法简便易行，但由于无法准确控制涂层试样的基体温度，与涂层的实际工作环境存在显著差异，因而无法精确评估涂层在实际应用中的性能表现。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热循环考核装备及基于其的热循环测试的方法，解决传统热循环装备无法实现对涂层试样超高温度梯度进行准确控制的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明的第一个方面，公开了一种热循环考核装备，包括多功能控制系统、冷却系统、测温系统和热源系统，测温系统连接多功能控制系统；

4、冷却系统，包括冷却剂供应单元、冷却喷嘴移动部件和冷却喷嘴，冷却剂供应单元连接冷却喷嘴，冷却喷嘴连接冷却喷嘴移动部件，冷却喷嘴移动部件连接多功能控制系统；

5、热源系统，包括火焰喷枪、喷枪移动部件和燃料供应单元，燃料供应单元连接火焰喷枪，火焰喷枪连接喷枪移动部件，喷枪移动部件连接多功能控制系统。

6、优选地，冷却喷嘴移动部件和喷枪移动部件均包括旋转基座和若干个移动关节，各个移动关节均配有电机与传动单元，旋转基座与各移动关节通过齿轮、连杆和传动单元连接。

7、优选地，冷却剂供应单元包括冷却剂、冷却气路和冷却水路，冷却剂分别通过冷却气路和冷却水路连接冷却喷嘴。

8、进一步优选地，冷却剂为不与涂层试样发生化学反应的介质，冷却气路中的冷却剂为空气、氮气或氩气，冷却水路中的冷却剂为水。

9、进一步优选地，冷却气路包括气管，气管上设置有冷却气调压阀和冷却气流量计，冷却水路包括水管，水管上设置有冷却液调压阀和冷却液流量计。

10、优选地，冷却喷嘴上设有气体接口和液体接口，冷却喷嘴通过气体接口连接冷却气路，通过液体接口连接冷却水路。

11、优选地，测温系统包括测温仪和热电偶，测温仪设置于涂层试样正面，热电偶设置于涂层试样背面。

12、优选地，热源系统中还包括助燃剂供应单元，助燃剂供应单元连接火焰喷枪。

13、优选地，多功能控制系统包括燃料和助燃剂流量监控组件、喷枪移动控制组件、冷却剂流量监控组件、冷却喷嘴移动控制组件和温度数据采集反馈组件；温度数据采集反馈组件监测涂层试样正面和背面的温度并对比预设温度，将升温/降温信号反馈至燃料和助燃剂流量监控制组件、喷枪移动控制组件、冷却剂流量监控制组件和冷却喷嘴移动控制组件。

14、优选地，还包括试样夹持系统，试样夹持系统包括固定支架和试样夹具，试样夹具固定于固定支架上，试样夹具能够夹持涂层试样。

15、本发明的第二个方面，公开了上述热循环考核装备进行热循环测试的方法，通过多功能控制系统控制冷却系统，根据试验温度梯度选择冷却剂和冷却管路，通过冷却喷嘴移动部件调节冷却喷嘴距离涂层试样的位置；随后开启测温系统监测涂层试样正面和背面的温度；打开热源系统，通过喷枪移动部件调节火焰喷枪距离涂层试样的位置，设置冷却剂和燃料的流量，启动火焰喷枪及冷却喷嘴，根据涂层试样正面和背面的温度反馈数据，调节燃料和冷却剂的流量，以及焰喷枪和冷却喷嘴距离涂层试样的距离，使涂层试样正面和背面的温度达到规定温度，持续加热涂层试样至规定时间后，关闭热源系统，冷却喷嘴将涂层试样降温至规定温度，如此反复循环，检测涂层试样的热循环性能。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明提供的一种热循环考核装备，1、火焰喷枪移动部件和冷却喷嘴移动部件具备在三维空间内位置及角度自由控制的功能，实现不同角度和位置需要的热循环考核要求。通过对热源系统的功率和加热喷枪至试样距离的精准控制，实现对涂层试样表面加热温度的精确控制。2、多功能控制系统将冷却系统、测温系统、热源系统进行联动，能自动接收热源系统、冷却系统和测温系统反馈信号，并能根据设定考核参数(如试样背面温度、试样正面温度)，发出指令自动调节各系统部件，调整火焰喷枪距试样的距离、冷却喷嘴距离试样的距离、调整燃料、冷却剂的流量大小，进而实现对涂层试样正面、涂层试样背面温度的控制，使温度满足考核要求，实现热循环过程的全自动控制。3、热循环考核装备的各系统间即可自动控制也可手动控制，实现对涂层试样正面温度、背面温度、保温时间、循环次数的精准控制。因此，该热循环考核装备通过多功能控制系统联动的热源系统和冷却系统对涂层试样基体进行精确的温度控制，能实现超高温度梯度下的超高温热循环，以模拟真实的工况环境，从而更精准地评估涂层试样的热循环性能，提供更可靠的研究结果。

18、进一步地，冷却系统具备两种冷却方式，冷却系统可选用气体或液体作为冷却剂，第一种为气体冷却，采用空气、氮气、氩气等作为气源，对涂层试样背部进行冷却，气体冷却降温能力弱，适用于对温度梯度要求不大的热循环考核(冷却能力＜400℃)。第二种为液体冷却，采用水等作为冷却剂，利用冷却喷嘴将冷却剂雾化，并对涂层试样进行冷却，其冷却能力远大于气体冷却，能对涂层试样背部进行大幅度降温，具有超高温度梯度的考核能力，适用于极高温度梯度需求的热循环考核(冷却能力＞800℃)。

19、进一步地，采用测温仪测量涂层试样正面的温度，能够耐火焰冲击；采用热电偶测量涂层试样背面的温度，测量精度高；两种测温仪器的配合使用，能够实时获取涂层试样两侧的准确温度。

技术特征：

1.一种热循环考核装备，其特征在于，包括多功能控制系统(500)、冷却系统(100)、测温系统(300)和热源系统(400)，测温系统(300)连接多功能控制系统(500)；

2.根据权利要求1所述的一种热循环考核装备，其特征在于，冷却喷嘴移动部件(2)和喷枪移动部件(8)均包括旋转基座和若干个移动关节，各个移动关节均配有电机与传动单元，旋转基座与各移动关节通过齿轮、连杆和传动单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种热循环考核装备，其特征在于，冷却剂供应单元(1)包括冷却剂、冷却气路和冷却水路，冷却剂分别通过冷却气路和冷却水路连接冷却喷嘴(3)。

4.根据权利要求3所述的一种热循环考核装备，其特征在于，冷却剂为不与涂层试样(5)发生化学反应的介质，冷却气路中的冷却剂为空气、氮气或氩气，冷却水路中的冷却剂为水。

5.根据权利要求4所述的一种热循环考核装备，其特征在于，冷却气路包括气管，气管上设置有冷却气调压阀(105)和冷却气流量计(106)，冷却水路包括水管，水管上设置有冷却液调压阀(102)和冷却液流量计(103)。

6.根据权利要求3所述的一种热循环考核装备，其特征在于，冷却喷嘴(3)上设有气体接口和液体接口，冷却喷嘴(3)通过气体接口连接冷却气路，通过液体接口连接冷却水路。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种热循环考核装备，其特征在于，测温系统(300)包括测温仪(6)和热电偶(4)，测温仪(6)设置于涂层试样(5)正面，热电偶(4)设置于涂层试样(5)背面。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的一种热循环考核装备，其特征在于，热源系统(400)中还包括助燃剂供应单元(10)，助燃剂供应单元(10)连接火焰喷枪(7)。

9.根据权利要求1～6任意一项所述的一种热循环考核装备，其特征在于，多功能控制系统(500)包括燃料和助燃剂流量监控组件、喷枪移动控制组件、冷却剂流量监控组件、冷却喷嘴移动控制组件和温度数据采集反馈组件；温度数据采集反馈组件监测涂层试样(5)正面和背面的温度并对比预设温度，将升温/降温信号反馈至燃料和助燃剂流量监控制组件、喷枪移动控制组件、冷却剂流量监控制组件和冷却喷嘴移动控制组件。

10.利用权利要求1～9任意一项所述的热循环考核装备进行热循环测试的方法，其特征在于，通过多功能控制系统(500)控制冷却系统(100)，根据试验温度梯度选择冷却剂和冷却管路，通过冷却喷嘴移动部件(2)调节冷却喷嘴(3)距离涂层试样(5)的位置；随后开启测温系统(300)监测涂层试样(5)正面和背面的温度；打开热源系统(400)，通过喷枪移动部件(8)调节火焰喷枪(7)距离涂层试样(5)的位置，设置冷却剂和燃料(401)的流量，启动火焰喷枪(7)及冷却喷嘴(3)，根据涂层试样(5)正面和背面的温度反馈数据，调节燃料(401)和冷却剂的流量，以及焰喷枪(7)和冷却喷嘴(3)距离涂层试样(5)的距离，使涂层试样(5)正面和背面的温度达到规定温度，持续加热涂层试样(5)至规定时间后，关闭热源系统(400)，冷却喷嘴(3)将涂层试样(5)降温至规定温度，如此反复循环，检测涂层试样(5)的热循环性能。

技术总结本发明公开了一种热循环考核装备及基于其的热循环测试的方法，属于热喷涂涂层特殊服役环境模拟装备技术领域。该装备包括多功能控制系统，多功能控制系统连接有冷却系统、试样夹持系统、测温系统和热源系统；冷却系统，包括冷却剂供应单元、冷却喷嘴移动部件和冷却喷嘴，冷却剂供应单元能为冷却喷嘴提供冷却剂；热源系统，包括火焰喷枪、喷枪移动部件和燃料供应单元，燃料供应单元能够为火焰喷枪提供燃料。通过控制火焰喷枪移动部件和冷却喷嘴移动部件在三维空间内的位置、角度以及与涂层试样间的距离，能够解决无法对涂层试样超高温度梯度进行准确控制的问题。技术研发人员：陈林,卢文斌,杨冠军,孟国辉受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25