專利名稱：一種熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種測試技術領域的裝置，特別是一種熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置。
背景技術：
熱障涂層一般是由表層陶瓷涂層與中間金屬粘結層組成的涂層系統(tǒng)。采用火焰噴涂、等離子噴涂、電子束物理氣相沉積等技術，在高溫受熱部件表面制備熱障涂層，利用熱障涂層優(yōu)良的熱障作用來保護受熱部件基體材料，進而提高受熱部件工作溫度。熱障涂層技術在航空航天、燃氣發(fā)電等領域廣泛應用，目前，熱障涂層技術在超高溫成形模具方面的應用也有較大進展。國內(nèi)外文獻所述的熱導率、結合強度、顯微硬度等靜態(tài)常溫理化檢測指標，不能真實反映受熱部件在高溫服役工況下的情況。與之相比，涂層的熱障性能可以反映熱障涂層對部件金屬基體的隔熱效果，保證金屬基體在可耐受溫度范圍內(nèi)工作；涂層的熱震性能可以直觀反映涂層與金屬基體結合強度及涂層自身在冷熱交替作用下不破壞的循環(huán)次數(shù)。熱障性能和熱震性能是評價熱障涂層的重要指標。熱障涂層的熱障性能是基于表層陶瓷涂層熱導率低，能夠有效阻礙服役工況下的高溫熱能傳遞給部件金屬基體，從而保證金屬基體溫度相對較低，避免出現(xiàn)金屬基體過熱而引發(fā)早期失效，熱障性能通常以涂層表面溫度與金屬基體溫度差值作為判定條件。熱障涂層的熱震性能是從熱彈性理論出發(fā)，以涂層中的熱應力和材料固有強度之間的平衡條件作為涂層熱震斷裂依據(jù)，以抵抗熱應力而不破壞的熱循環(huán)次數(shù)作為判定條件。通過熱障涂層的熱障性能試驗，可深入了解熱障涂層的隔熱效果，進而結合部件工作溫度，確定熱障涂層是否可滿足實際工況熱障需求。通過熱障涂層的熱震性能試驗，可考察熱障涂層的失效特點及失效機理，對熱障涂層的壽命預測提供依據(jù)。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻檢索發(fā)現(xiàn)，熱障涂層的熱障性能測試試驗和熱震性能測試試驗，都是單獨進行的，通常需要兩套以上試驗裝置才能完成試驗，不僅耗費更多的時間精力，而且試樣熱震性能試驗過程的溫度波動也未能實時記錄，對深入分析試樣熱震失效機理不利。現(xiàn)有技術測試熱障涂層熱震性能常采用火焰或加熱爐加熱，冷卻方式為試樣急速淬水、氣冷或空冷，但冷卻方式僅限試樣涂層表面冷卻方式或試樣金屬基體冷卻方式的一種。對用于超高溫成形模具上的熱障涂層，除采用金屬基體冷卻外，開模時對模具型腔噴脫模劑時，對涂層表面也有冷卻作用?，F(xiàn)有技術測試熱障涂層熱障性能的試驗方法，不能完全模擬超高溫成形模具熱障涂層的服役工況。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的技術問題在于克服已有技術熱障涂層熱障性能與熱震性能不能同時測試以及熱震測試試驗冷卻方式單一的技術不足，克服已有技術不能有效模擬超高溫成形模具金屬基體和表面涂層均有介質(zhì)冷卻的服役工況，提供一種能高效率完成簡單試樣熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試試驗裝置，用于實現(xiàn)熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試，包括加熱爐、表面冷卻裝置、陶瓷堵頭、進給機構推桿、測溫裝置、進給機構主機、基體冷卻裝置以及控制系統(tǒng)，其特征在于所述加熱爐加熱管與所述試樣端部的陶瓷堵頭的均為水平方向且同軸；所述表面冷卻裝置固定在試樣在加熱爐外試樣停止位置的正上方；所述陶瓷堵頭設有內(nèi)部導流孔，用于導流通過試樣的冷卻介質(zhì)；所述試樣一端安裝了陶瓷堵頭，另一端插在進給機構推桿上；試樣橫斷面冷卻孔為通孔，并試樣橫截面中心區(qū)陣列分布；試樣橫斷面測溫孔設置為半徑方向均勻分布； 所述進給機構推桿通過壓板固定在進給機構主機的左側(cè)；所述測溫裝置通過外接熱電偶插入所述試樣基體內(nèi)部；所述進給機構主機設置在基體冷卻裝置的上面；所述基體冷卻裝置上表面設有冷卻液體溢流槽；所述控制系統(tǒng)集成在所述加熱爐控制面板上。進一步地，所述的進給機構推桿和進給機構主機設有心部管路，心部管路個數(shù)、直徑及位置與所述試樣的冷卻孔和測溫孔的個數(shù)、直徑及位置相一致。進一步地，所述的進給機構主機還裝有統(tǒng)計試樣進出加熱爐次數(shù)的計數(shù)器。進一步地，所述的測溫裝置是外接熱電偶的溫度記錄儀，外接的熱電偶穿過所述進給機構推桿的心部管路插入所述試樣基體內(nèi)部，熱電偶的個數(shù)和直徑與所述試樣測溫孔的個數(shù)和直徑相一致。進一步地，所述的控制系統(tǒng)為PLC控制器。本實用新型可同時獲得熱障涂層熱障性能和熱震性能，并且對試樣熱震性能測試過程的溫度變化能夠詳細記錄，有利于更深入分析試樣熱震失效機理。本實用新型能按需設定對試樣加熱和冷卻方式，從而較真實的模擬熱障涂層部件的服役工況，可以更精確的測試熱障涂層的質(zhì)量和預估熱障涂層的壽命，從而對高溫工況下服役部件的噴涂效果進行有效評估。

圖I是本實用新型熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置示意圖；圖2是本實用新型測試熱障涂層熱障性能與熱震性能所需試樣圓棒橫斷面示意圖。其中，附圖標記I一加熱爐，2—表面冷卻裝置，3—陶瓷堵頭，4一試樣，5一進給機構推桿，6—測溫裝置，7—進給機構主機，8—基體冷卻裝置，9一控制系統(tǒng)，10、13、14、17—試樣測溫孔，11、12、15、16—試樣冷卻孔
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步更詳細的描述。在圖I中，加熱爐I為管式電爐，可精確設定加熱區(qū)溫度，加熱管與所述試樣4及陶瓷堵頭3均為水平方向且同軸，從而保證試驗時試樣順利進入加熱管并均勻受熱。[0027]表面冷卻裝置2固定在試樣在加熱爐外試樣停止位置的正上方，可根據(jù)需要通冷卻水或壓縮空氣等不同冷卻介質(zhì)對試樣涂層表面進行冷卻。試樣4為表面噴涂熱障涂層的金屬基材圓棒,一端以插入方式安裝在進給機構推桿5上，另一端同樣以插入方式與起冷卻介質(zhì)導流作用的陶瓷堵頭3相配合。圖2中試樣圓棒橫斷面冷卻孔為通孔，可選擇冷卻介質(zhì)從冷卻孔11、16輸入并從冷卻孔12、15輸出，或選擇其他組合方式輸入輸出。圖2中試樣圓棒橫斷面測溫孔設置為試樣橫斷面半徑方向均勻分布，可充分保證試驗數(shù)據(jù)準確性和規(guī)律性。在實際應用中，可根據(jù)需要設置試樣4橫斷面冷卻孔和測溫孔的位置。進給機構推桿5為表面噴涂熱障涂層的鋼管，一端用于安裝試樣4，另一端通過壓板連接在進給機構主機7上，在控制系統(tǒng)9指令下靠進給機構主機7驅(qū)動前進或后退，對試樣主要起傳動作用。進給機構推桿5和進給機構主機7還設置與試樣4冷卻孔及測溫孔尺寸和位置一致的心部管路，基體冷卻裝置8經(jīng)由進給機構推桿5和進給機構主機7心部管 路將冷卻介質(zhì)傳輸給試樣冷卻孔，試樣冷卻孔傳輸回來的冷卻介質(zhì)再經(jīng)由進給機構推桿5和進給機構主機7心部管路回到基體冷卻裝置8中。進給機構主機7上還設有計數(shù)器，用于統(tǒng)計試樣4進出加熱爐I的次數(shù)。測溫裝置6配有熱電偶和溫度記錄儀，熱電偶穿過進給機構推桿5心部管路并插入試樣4測溫孔。溫度記錄儀可按設定時間間隔實時記錄熱電偶測得的試樣金屬基體溫度。基體冷卻裝置8上表面設有溢流槽，表面冷卻裝置2對試樣4涂層表面采用的冷卻介質(zhì)為液體時，冷卻液體可通過所述溢流槽排出。本實用新型的工作原理是參見圖1，首先將陶瓷堵頭3安裝在試樣4 一端，再將試樣4另一端插在進給機構推桿5上安裝好，然后啟動加熱爐I并在設定溫度保溫一定時間后，啟動基體冷卻裝置8對試樣金屬基體通冷卻介質(zhì)進行循環(huán)冷卻，同時啟動測溫裝置6對金屬基體溫度實時記錄，最后啟動進給機構主機7，使試樣4在進給機構推桿5傳動下進入加熱爐I內(nèi)；當試樣4在加熱爐I內(nèi)停留設定時間后，進給機構主機7自動反轉(zhuǎn)，試樣4在進給機構推桿5傳動下退出加熱爐1，啟動表面冷卻裝置2對試樣4涂層表面冷卻，利用紅外測溫儀(圖中未示出)對試樣4涂層表面測溫，當試樣4冷卻至測試需要的溫度時關閉表面冷卻裝置2對試樣4涂層表面的冷卻；試樣4隨進給機構推桿5在進給機構主機7驅(qū)動下，自動開始進入加熱爐1，開始下一個工作循環(huán)，直到熱障涂層出現(xiàn)表面缺陷，測試停止。下面將結合實施例描述本實用新型測試裝置的試驗過程。實施例I熱障涂層試樣具體尺寸為試樣外形Φ60X 120mm ;4個冷卻孔Φ8X 120mm,孔心距試樣中心9mm，按圖2方式陣列分布；4個測溫孔Φ8X80mm，測溫孔孔心距試樣中心依次為16mm、28mm、40mm和52mm,按圖2方式分布。將陶瓷堵頭3安裝在熱障涂層試樣的一端，然后將試樣安裝在進給機構推桿5上，使試樣冷卻孔與進給機構推桿5心部管路對應的冷卻孔位置一致，并將測溫裝置6連接的熱電偶經(jīng)由進給機構推桿5心部管路插入試樣測溫孔10、13、14、17。啟動加熱爐1，設定加熱爐I溫度為1500°C并在該溫度穩(wěn)定IOmin后，啟動基體冷卻裝置8對試樣金屬基體通冷卻水進行循環(huán)冷卻，使冷卻水從試樣冷卻孔11、16輸入并從冷卻孔12、15輸出，同時啟動測溫裝置6對金屬基體溫度實時記錄，最后啟動進給機構主機7，使試樣4在進給機構推桿5傳動下進入加熱爐I內(nèi)；當試樣4在加熱爐I內(nèi)停留設定時間5s后，進給機構主機7自動反轉(zhuǎn)，試樣4在進給機構推桿5傳動下退出加熱爐1，啟動表面冷卻裝置2對試樣涂層表面通壓縮空氣冷卻，利用紅外測溫儀(圖中未示出)對試樣4涂層表面測溫，當試樣4冷卻至測試需要的溫度200°C時，關閉表面冷卻裝置2對試樣4涂層表面的冷卻；試樣4隨進給機構推桿5在進給機構主機7驅(qū)動下，自動開始進入加熱爐1，開始下一個工作循環(huán)，直到熱障涂層出現(xiàn)表面缺陷，測試停止。試驗過程中，測溫裝置6實時記錄了試樣4不同位置處的金屬基體溫度，通過與加熱爐I設定的爐溫1500°C及試樣4出爐冷卻后的溫度200°C進行對比分析，可獲得熱障涂層的熱障性能。通過進給機構主機7上的計數(shù)器讀數(shù)，可獲得工作循環(huán)重復的次數(shù)，結合試樣4熱障涂層表面缺陷的顯微觀測及試樣4表面涂層與金屬基體溫度的變化情況，可獲得熱障涂層的熱震性能。實施例2本實施例與實施例I不同點在于，熱障涂層試樣外形尺寸為Φ48Χ 120mm,試樣測溫孔設置3個,測溫孔尺寸Φ8Χ80ι πι,測溫孔孔心距試樣中心依次為16mm、28mm、40mm,測溫孔位置分別按圖2測溫孔13、14、17位置分布。實施例3本實施例與實施例I不同點在于，加熱爐I溫度設定為1200°C，試樣4在加熱爐I內(nèi)停留設定時間IOs ;當試樣4冷卻至測試需要的溫度100°C時，關閉表面冷卻裝置2對試樣4涂層表面的冷卻。
權利要求1.一種熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，包括加熱爐(I)、表面冷卻裝置(2)、試樣(4)端部的陶瓷堵頭(3)、進給機構推桿(5)、測溫裝置(6)、進給機構主機(7)、基體冷卻裝置(8)以及控制系統(tǒng)(9)，其特征在于 所述加熱爐(I)加熱管與所述試樣(4)及其端部的陶瓷堵頭(3)的均為水平方向且同軸； 所述表面冷卻裝置(2)固定在試樣在加熱爐外試樣停止位置的正上方； 所述試樣(4)端部的陶瓷堵頭(3)設有內(nèi)部導流孔，用于導流通過試樣的冷卻介質(zhì)； 所述試樣(4) 一端安裝了陶瓷堵頭(3)，另一端插在進給機構推桿(5)上；試樣(4)橫斷面冷卻孔為通孔，并在試樣(4)橫截面中心區(qū)陣列分布；試樣(4)橫斷面測溫孔設置為半徑方向均勻分布； 所述進給機構推桿(5)通過壓板固定在進給機構主機(7)的左側(cè)； 所述測溫裝置(6)通過外接熱電偶插入所述試樣(4)基體內(nèi)部； 所述進給機構主機(7)設置在基體冷卻裝置(8)的上面； 所述基體冷卻裝置(8)上表面設有冷卻液體溢流槽； 所述控制系統(tǒng)(9)集成在所述加熱爐(I)控制面板上。
2.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，其特征在于，所述的進給機構推桿(5)和進給機構主機(7)設有心部管路，心部管路個數(shù)、直徑及位置與所述試樣(4)的冷卻孔和測溫孔的個數(shù)、直徑及位置相一致。
3.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，其特征在于，所述的進給機構主機(7)還裝有統(tǒng)計試樣進出加熱爐次數(shù)的計數(shù)器。
4.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，其特征在于，所述的測溫裝置(6)是外接熱電偶的溫度記錄儀，外接的熱電偶穿過所述進給機構推桿(5)的心部管路插入所述試樣(4)基體內(nèi)部，熱電偶的個數(shù)和直徑與所述試樣(4)測溫孔的個數(shù)和直徑相一致。
5.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)(9)為PLC控制器。
專利摘要本實用新型涉及的是一種測試技術領域的裝置，特別是一種熱障涂層熱障性能與熱震性能同步測試裝置，包括加熱爐、表面冷卻裝置、試樣端部的陶瓷堵頭、進給機構推桿、測溫裝置、進給機構主機、基體冷卻裝置以及控制系統(tǒng)。本實用新型的同步測試裝置可同時獲得熱障涂層熱障性能和熱震性能，并且對試樣熱震性能測試過程的溫度變化能夠詳細記錄，有利于更深入分析試樣熱震失效機理。該同步測試裝置能較真實的模擬熱障涂層部件的服役工況，可以更精確的測試熱障涂層的質(zhì)量和預估熱障涂層的壽命，從而對高溫工況下服役部件的噴涂效果進行有效評估。
文檔編號G01N25/00GK202735270SQ20122035282
公開日2013年2月13日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權日2012年7月20日
發(fā)明者陳東, 褚作明, 蔡衛(wèi)東, 范廣宏, 顏昌海, 金康, 王曉輝 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心, 南通市眾恒熔模鑄鍛有限公司