用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及中层近空间高超声速飞行器测试领域，具体涉及一种用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置与测试方法。

背景技术

热震或热冲击试验是测试和检验新材料或热障涂层在反复加热、冷却交替作用下，新材料或热障涂层抵抗循环热应力的能力，避免导致材料过烧、涂层开裂和剥落的问题。

目前超高温考核一般采用风洞试验，然而其存在样品测试价格昂贵，周期长。实验室考核一般采用氧-乙炔火焰、HVOF火焰或等离子体火焰；但是又存在氧-乙炔火焰的火焰温度低，气流速度慢，考核条件较实际环境低；HVOF火焰气流速度高，但火焰温度较低；等离子体火焰温度高，然而气体中含氢气和氩气，主要是还原性气氛，与实际环境不符等问题。同时，目前而言，一般材料失效分析是采用事后分析的方式，不能对烧蚀过程进行实时观测。

同时，现有热震试验方法大多为人工操作，没有专门设备，试验工作量大，试验条件不统一，一般只能定性说明，很难准确评价涂层的热冲击性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟近空间高超声速飞行器飞行过程中的高温、有氧、高速气流冲刷环境，实时观测材料的烧蚀过程，考核新材料或新涂层在高温环境中的使用性能及失效机制的用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置与测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置，其包括主机柜，在主机柜内设置有多工作位快装夹具，用于夹持样块；多工作位快装夹具安装在夹具转台上，并由转动电机带动转动；且在夹具转台上、位于样块的背面还对应设置有风枪；

在主机柜内还安装有用于提供热源的复合喷枪，复合喷枪用于提供普通火焰热源、超音速火焰热源、超高压富氧火焰热源和/或等离子焰流热源；

主机柜内还集成有对样块进行检测的超声红外涂层三维检测装置、测温装置和CCD；

主机柜与电柜和气柜电气连接，电柜内设有主控模块，与主机柜内的电子设备进行电连，气柜用于调节提供主机柜内所需能源。

进一步地，主机柜设置为框架结构，具体包括骨架及沿着骨架围设的钣金面板；主机柜的顶部安装有抽气散热装置，用于将主机柜内的热空气抽到主机柜外。

进一步地，复合喷枪的喷嘴/枪管内设置有冲击波发生器，用于改进粉末注入方式和改善燃烧产物和粒子之间的热交换；复合喷枪连接有一轴套式水冷器，用以实现补放水功能。

进一步地，测温装置采用为正反面双色温度测温仪。

进一步地，夹具转台包括滑台以及设置在滑台中心的轴杆，多工作位快装夹具为四工作位快装夹具，且四个快装夹具等间隔安装在滑台的环边上；轴杆通过齿轮盘a与转动电机传动连接，带动轴杆进行转动；

轴杆上还活动套设有一CCD摆动装置，用于带动CCD进行摆动转动，CCD摆动装置通过齿轮盘b与用于带动CCD摆动装置转动的电机进行连接。

进一步地，电源、主控模块、伺服电机、驱动器及低压电器，主控模块与超声红外涂层三维检测装置、测温装置、CCD、复合喷枪及风枪进行电连，伺服电机用于控制夹具转台以及CCD转动。

进一步地，气柜包括管路及接头、燃气截止阀、燃气回火防止器、过滤器、流量控制器、过滤器和压缩空气减压阀，；气柜的气源供给处连接瓶装燃气与氧气瓶，并附带气瓶开关、压力表、压力传感器及压力调节旋钮。

进一步地，还包括HVOF/HVAF喷射模块以及预留喷盐水、料浆接口。

还提供了一种用于超高温环境模拟及考核试验的测试方法，其包括对多个样块进行循环轮换、周期式的均匀加热处理；其中，采用可调燃气加热的方式对样块进行均匀加热；并且，气冷样块的背部，使样块的正面温度和背面温度存在设定温差；

在对周期内第一个样块进行均匀加热处理时，检测样块正、反面温度，并将检测到的温度信号反馈至PLC，PLC经PID计算，输出信号调节燃气加热效果和/或气冷效果；

设定时间后，停止燃气加热，骤冷；此时完成周期内第一个样块的一次均匀加热处理，并等待下一周期的均匀加热处理；

在均匀加热处理中，通过超声红外测量仪，对样块的涂层表面进行连续测量，并通过软件进行测量数据分析，并根据涂层或材料特性三维形变进行量化分析，同时在终端记录并保存加热冷却曲线；

在均匀加热处理中，通过CCD检测并实时传输至显示器显示CCD图像。

进一步地，在主控模块中存储设定参数，设定参数包括样块正面保温温度、保温时间，样块背部温度，骤冷温度，循环参数，循环时间；主控模块用于控制样块的循环轮换、周期式均匀加热，主控模块还连接有一加热报警模块。

本发明的有益效果为：该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置与测试方法能够模拟近空间高超声速飞行器飞行过程中的高温、有氧、高速气流冲刷环境，实时观测材料的烧蚀过程，考核新材料或新涂层在高温环境中的使用性能及失效机制；且成本低、低周期，可实现实时的动态测试研究考核。并且可模拟多种热源、多气氛服役环境，适用性、可靠性强；还将提高能量的超声波作为激励源，利用超声红外涂层三维检测装置对缺陷部位的温度异常升高现象进行检测，并在红外热像图中显示试样缺陷，并对涂层表面进行连续测量，涂层或材料出现任何细微的变化，我们都将通过软件进行数据分析，并根据涂层或材料特性三维形变进行量化分析。

附图说明

图1示意性地给出了该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的结构示意图。

图2示意性地给出了该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的主机柜的结构示意图。

图3示意性地给出了该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的复合喷枪的结构示意图。

图4示意性地给出了该用于超高温环境模拟及考核试验的点火连接管路的结构示意图。

其中，1、主机柜；2、电柜；3、气柜；4、抽气散热装置；5、复合喷枪；6、超声红外涂层三维检测装置；7、测温装置；8、CCD；9、轴杆；10、滑台；11、齿轮盘a；12、齿轮盘b；13、接口；14、快装夹具；15、风枪；16、轴套式水冷器；17、助燃风机；18、压力保护开关；19、压力传感器；20、手动蝶阀；21、空气软管；22、高压减压阀；23、过滤器；24、减压阀；25、高压开关；26、低压开关；27、电磁阀；28、比例阀；29、连接软管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明；且为了简单起见，以下内容省略了该技术领域技术人员所知晓的技术常识。

根据本申请的一种实施方式，给出了一种用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置，能够模拟近空间高超声速飞行器飞行过程中的高温、有氧、高速气流冲刷环境，实时观测材料的烧蚀过程，考核新材料或新涂层在高温环境中的使用性能及失效机制。

如图1～图3所示，该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置包括主机柜1，在主机柜1内设置有多工作位快装夹具14，用于夹持样块。多工作位快装夹具14安装在夹具转台上，并由转动电机带动转动。

其中，夹具转台包括滑台10以及设置在滑台10中心的轴杆9；可进一步优选地，令多工作位快装夹具14为四工作位快装夹具14，且四个快装夹具14等间隔安装在滑台10的环边上；轴杆9通过齿轮盘a11与转动电机传动连接，带动轴杆9进行转动。

当通过转动电机带动齿轮盘a11转动时，轴杆9进行同步转动，进而带动滑台10进行转动；此时，多工作位快装夹具14的各工位位置进行变换。再转动至360度后，又回到初始工位位置处，如此循环、周期式的进行工位的变换。

该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的夹具转台上、位于样块的背面还对应设置有风枪15；可通过风枪15对样块背面进行降温，可保证样块的正面温度1350℃，样块的背部750℃。

并且，样块的正、反面温度可以根据试验机温度要求自己设定，采用不同燃气，热源温度最高可达到3000℃，以考核不同耐高温材料或涂层连续性或周期性的耐高温能力。

在主机柜1内还安装有用于提供热源的复合喷枪5，通过复合喷枪5对样块进行加热保温。其中，复合喷枪5可用于提供普通火焰热源、超音速火焰热源、超高压富氧火焰热源和/或等离子焰流热源，可用于多种热源、多气氛服役环境；可以模拟一种高温环境、高温富氧环境、高温腐蚀环境一种或多种符合服役环境。

具体地，复合喷枪5的喷嘴/枪管内设置有冲击波发生器，用于改进粉末注入方式和改善燃烧产物和粒子之间的热交换，且可显著减小喉管直径，明显减少燃气消耗，降低操作成本。

该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的复合喷枪5连接有一轴套式水冷器16，用以实现补放水功能，进而实现测试过程中超设定水温放水、少水自动补水功能。

在主机柜1内还集成有对样块进行检测的超声红外涂层三维检测装置6、测温装置7和CCD8。

其中，测温装置7采用为正反面双色温度测温仪，对样块的正、反面进行温度检测。且超声红外涂层三维检测装置6将提高能量的超声波作为激励源，可利用红外热成像仪对缺陷部位的温度异常升高现象进行检测，并在红外热像图中显示试样缺陷，并对涂层表面进行连续测量，涂层或材料出现任何细微的变化，我们都将通过软件进行数据分析，并根据涂层或材料特性三维形变进行量化分析。

主机柜1与电柜2和气柜3电气连接，电柜2内设有主控模块，与主机柜1内的电子设备进行电连，气柜3用于调节提供主机柜1内所需能源。

其中主机柜1设置为框架结构，具体包括骨架及沿着骨架围设的钣金面板；具体地，主机柜1可设置为双层腔室结构，分别为上腔室和下腔室。

主机柜1的顶部安装有抽气散热装置4，用于将主机柜1内的热空气抽到主机柜1外；在上腔室的正上方安装排风罩，将热空气用风机抽到室外，以便散热。

主机柜1内的主要测试部件，如多工作位快装夹具14、超声红外涂层三维检测装置6、红外测温装置7、CCD8、CCD摆动装置、复合喷枪5及风枪15等均集成在上腔室内。

在轴杆9上还活动套设有一套CCD单独操作摆动装置，用于带动CCD8进行摆动转动，所述CCD摆动装置通过齿轮盘b12与用于带动CCD摆动装置转动的伺服电机进行连接。

该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的电柜2包括电源、主控模块、伺服电机、驱动器及低压电器。

主控模块与超声红外涂层三维检测装置6、测温装置7、CCD8、复合喷枪5及风枪15进行电连，用于实现对其连接的电器设备的控制，伺服电机用于控制夹具转台以及CCD8转动。

在实际操作中，其可实现参数化、程序化、一键启动全自动无人值守操作；在线图像分析和记录系统，可记录和存储循环过程中涂层裂纹和剥落过程，并输出参数化试验报告。

该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置的气柜3包括管路及接头、燃气截止阀、燃气回火防止器、过滤器23、流量控制器、过滤器23和压缩空气减压阀24。

且气柜3的气源供给处连接瓶装燃气与氧气瓶，并附带气瓶开关、压力表、压力传感器19及压力调节旋钮。其中，管路材质采用不锈钢，接头材质采用不锈钢或黄铜，硬管接头全部采用卡套式，方便装配。

在具体实施中，该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置可模拟高超声速飞行器飞行过程中的高温、有氧、高速气流冲刷环境，研究考核新材料或新结构高温环境中的使用性能及失效机制。

通过转动电机驱动滑台10转动，带动复合喷枪5在多个工位间循环轮换，本实施例给出了4个工位间循环轮换的方式。复合喷枪5的起始位置在第一个工位上，通过复合喷枪5对第一个工位上的样块开始进行加热保温。此时，CCD8处于闲置状态，当涂层到达设定为温度，CCD8开始工作并记录涂层变化过程。

当设定保温时间到后，熄火，骤冷，当温度低于设定温度时自动关闭，转动滑台10，使得复合喷枪5对准第二个工位上的样块，对第二工位上的样块进行加热，依次循环，系统将不停旋转，连续或周期性地对涂层或工件材料进行超高温检测与考核。

且在加热保温过程中，通过测温仪传送回来的信号，经PLC控制通过喷枪的燃气及氧气的流量，及背部冷却风嘴的流量，来控制试块正面及背面的温度及其温差，如此循环数个周期。

同时，期间随时用CCD8及显微镜观察试块表面状况，并经由显示器放大显示后，可以研究试块在火焰冲击下的热震特性，从而达到试验目地。

且可通过超声红外涂层三维检测装置6，对涂层表面进行连续测量，涂层或材料出现任何细微的变化，都将通过软件进行数据分析，并根据涂层或材料特性三维形变进行量化分析，同时在终端记录并保存加热冷却曲线。

该用于超高温环境模拟及考核试验的测试装置还包括HVOF/HVAF喷射模块以及预留喷盐水、料浆接口13。

其中，预留喷盐水及料浆接口13，可在下腔室内装入腐蚀和化学实验模块，模拟高温腐蚀环境；此测试装置结构高度自动化，适用面广，可用于所有金属粉及金属材料；可通过图像显示，直观动态观察材料的实时状态。

根据本申请的一种实施方式，还提供了一种用于超高温环境模拟及考核试验的测试方法，其包括对多个样块进行循环轮换、周期式的均匀加热处理；其中，采用可调燃气加热的方式对样块进行均匀加热；并且，气冷样块的背部，使样块的正面温度和背面温度存在设定温差。

在对周期内第一个样块进行均匀加热处理时，检测样块正、反面温度，并将检测到的温度信号反馈至PLC，PLC经PID计算，输出信号调节燃气加热效果和/或气冷效果。

设定时间后，停止燃气加热，骤冷；此时完成周期内第一个样块的一次均匀加热处理，并等待下一周期的均匀加热处理。

在均匀加热处理中，通过超声红外测量仪，对样块的涂层表面进行连续测量，并通过软件进行测量数据分析，并根据涂层或材料特性三维形变进行量化分析，同时在终端记录并保存加热冷却曲线。

在均匀加热处理中，通过CCD8检测并实时传输至显示器显示CCD8图像。

在实际操作中，给出如下操作实施例：

一键启动，即设定好参数，在主控模块中存储设定参数，设定参数包括样块正面保温温度、保温时间，样块背部温度，骤冷温度，循环参数，循环时间；主控模块用于控制样块的循环轮换、周期式均匀加热。

设置一点火按钮，按下点火按钮，设备就进入自动工作状态。

先给燃气，点火，给氧气，自动调整气体流量，加温保温，熄火，骤冷，自动点火。其中，自动点火包括：高压线圈，电极，火焰检测器等设备。其中，相关复合喷枪5的点火连接管路参见图4，其中空气氧气供给管路的初始端连接助燃风机17，经压力保护开关18、压力传感器19、蝶阀执行器、手动蝶阀20和空气软管21后进入复合喷枪5内。

燃气供给管路中的燃气经压力表、高压减压阀2422、压力表、过滤器23、减压阀24、高压开关25、低压开关26、压力表、电磁阀27、比例阀28和连接软管29后进入复合喷枪5内。

主控模块还连接有一报警模块，火焰检测器主要用来检测火焰是否存在，并通过程序判断，是否点火，和报警，但当气体不够时是不允许点火的。

采用燃气燃烧的方式对样块进行均匀加热，温度检测，并将检测到的温度信号反馈到PLC，PLC经PID计算后，输出信号到质量流量计控制氧气和丙烷或丙烯流量进行火焰调节，从而实现样块的加热和保温。

温背面温度控制，使用压缩空气吹，温度检测，反馈到PLC，经PLC的PID算法后，输出型号到比例阀28控制压缩空气的流量。

经空气加热器加热，实现空气温度梯度，经截止阀的选择后对目标样块背部吹气，实现样块的正、反面温差。

当保温时间到后，熄火，骤冷，当温度低于设定温度时自动关闭，调节复合喷枪5对准下一样块，加热，依次循环，系统将不停旋转，连续或周期性地对涂层或工件材料进行超高温检测与考核。

本申请设计以提高能量的超声波作为激励源、利用红外热像仪对缺陷部位的温度异常升高现象进行检测，并在红外热像图中显示试样中的缺陷。且本申请中CCD8图像显示已经集成到监控和操作画面中，CCD8摄像头可以以喷枪沿轴左右摆动，方便图像采集。

在以上描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。