陶瓷基复合材料火焰筒温差热循环装置及可靠性评价方法

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料结构试验技术领域，特别涉及陶瓷基复合材料火焰筒温差热循环装置及可靠性评价方法。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，简称CMC)具有耐高温、质量轻、强度高及抗氧化性能好等诸多优点，其在高温环境下性能优于传统高温合金材料，是现代先进航空发动机高温部件的重要材料。火焰筒是航空发动机中重要的核心热端部件之一，其作为航空发动机内组织燃烧的场所，承受着较大的热应力载荷。采用CMC制造的火焰筒可大幅降低冷却气体用量，提高发动机效率，在持续高温环境中的工作表现优秀，目前正逐步应用于航空发动机中。然而，为了保证CMC火焰筒在航空发动机服役环境中的安全性与可靠性，还必须对CMC火焰筒结构在服役状态下的机械性能开展深入的研究以及测试工作。

由于航空发动机火焰筒外壁流通着冷却气，内壁流通着高温燃气，因此火焰筒内外壁的温度分布存在着很大的梯度，长时间作用下会发生热应力损伤。目前针对陶瓷基复合材料的高温环境力学性能研究工作大多只考虑均匀环境温度(CN110686967A)，且没有考虑循环高温冲击造成的损伤。因此，现有技术很难模拟工作环境下航空发动机CMC火焰筒结构所受复杂温度载荷分布条件，由此获得的火焰筒力学性能考核试验数据与真实情况偏差较大。该类数据难以正确评估处于复杂温度环境下的火焰筒使用寿命，会对航空发动机的服役可靠性产生严重影响。

因此，有必要开发一种能够模拟航空发动机火焰筒所处高温热梯度工作环境的测试系统以及温差热循环试验后火焰筒的可靠性评价方法。本发明能够实现CMC火焰筒模拟件温度梯度载荷的准确施加，并具有长时间稳定控制环境温度循环变化的能力，最终获得CMC火焰筒模拟件力学性能试验数据，为CMC火焰筒的服役可靠性评估提供参考。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种CMC火焰筒温差热循环服役环境下的可靠性评估方法。首先通过模拟航空发动机燃烧室火焰筒服役工作温度环境，以获得CMC火焰筒模拟件在温差热循环条件下的剩余性能。该方法通过温度反馈调节控制温度场，全自动电子试验控制模块同步采集系统内部温度场分布并对不同位置升温元件分别控制，通过预设程序控制步进电机从而控制冷却气路的开闭，结合循环冷却模块对系统内部温度场进行调节，为CMC火焰筒模拟件提供稳定的温差热循环试验条件。对CMC火焰筒模拟件进行温差热循环试验，获得热应力损伤充分发展的CMC火焰筒模拟件。

本发明开展高温环境下损伤充分发展的CMC火焰筒模拟件的静强度试验，同时开展高温环境下参照试验件的静强度试验，将二者的力学性能响应进行对比。基于该试验获得CMC火焰筒模拟件的剩余强度和剩余刚度，确定温差热循环试验对CMC火焰筒模拟件剩余力学性能的影响，最终实现对CMC火焰筒在温差热循环服役环境下的可靠性评估。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

陶瓷基复合材料火焰筒温差热循环装置，包括全自动电子试验控制模块、循环冷却模块以及非均匀温度场加载模块，非均匀温度场加载模块包括炉膛和升温元件，升温元件安装在炉膛中并能对炉膛进行升温，升温元件有若干个，且功率不完全相同，循环冷却模块包括气冷通道以及冷却气泵，气冷通道至少一个，气冷通道的一端与冷却气泵连接，另一端接入炉膛中，升温元件与冷却气泵均与全自动电子试验控制模块信号连接，陶瓷基复合材料火焰筒模拟件能置于炉膛中定位，气冷通道的出气口位于陶瓷基复合材料火焰筒模拟件的预定位置，使气冷通道吹出的冷风能对陶瓷基复合材料火焰筒模拟件产生非均匀温度场，炉膛内安装有测温传感器，测温传感器与全自动电子试验控制模块信号连接，测温传感器用于检测陶瓷基复合材料火焰筒模拟件表面温度，并将温度信息发送全自动电子试验控制模块，全自动电子试验控制模块接收并记录测温传感器传来的温度信号，并控制升温元件的加热温度以及冷却气泵的冷却效率。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

炉膛内设置有预留卡槽，升温元件、位于炉膛内的气冷通道部分以及测温传感器均通过预留卡槽定位在炉膛内。

升温元件连接有电极模块，电极模块用于接收全自动电子试验控制模块的信号并根据信号控制升温元件进行加热，电极模块固定在炉膛外侧。

循环冷却模块还包括水冷通道和水冷机，水冷机与自动电子试验控制模块信号连接，水冷通道布置于炉膛外侧，水冷机与水冷通道连接，水冷机能向水冷通道输入冷却液，水冷通道通过热交换对电极模块和炉膛外表面降温，炉膛外表面也安装有测温传感器，位于炉膛外表面的测温传感器也与自动电子试验控制模块信号连接。

炉膛上端开口，炉膛的上方设置有升降装置，升降装置包括升降装置下压平台、限位机构、升降装置步进电机、导向杆和安装导轨，安装导轨上端设置有固定平台，下端与炉膛上端固定连接，升降装置步进电机固定安装在固定平台上，升降装置步进电机的下端与升降装置下压平台连接，升降装置步进电机能带动升降装置下压平台下移，使升降装置下压平台密封炉膛的上端开口，限位机构为具有若干个竖向穿孔的平板，限位机构固定在安装导轨上，导向杆穿过限位机构上的竖向穿孔并与限位机构滑动配合，导向杆下端与升降装置下压平台固定连接。

气冷通道与水冷通道均从升降装置下压平台穿过。

安装导轨底部通过连接板与炉膛固定连接，连接板内设置有密封卡槽，密封卡槽中设置有密封圈，升降装置下压平台压在炉膛的上端开口上时，密封圈用于密封升降装置下压平台与炉膛上端开口之间的间隙。

非均匀温度场加载模块安装在台架上，台架底部设置有滚轮。

升降装置还包括限位器，限位器包括红外限位传感器、固定环和红外限位杆，固定环可拆卸式固定在安装导轨预定高度处，红外限位传感器固定在固定环上，红外限位杆固定在升降装置下压平台或导向杆上，红外限位传感器与升降装置步进电机信号连接，升降装置步进电机带动升降装置下压平台移动到预定位置时，红外限位传感器正好能感应到红外限位杆，红外限位传感器将信号发送至升降装置步进电机，升降装置步进电机停止运作。

陶瓷基复合材料火焰筒温差热循环可靠性评价方法，应用上述的陶瓷基复合材料火焰筒温差热循环装置，具体评价方法包括以下步骤：

步骤一、在炉膛的预定位置安装预定数量的测温传感器及升温元件，并计算温度场温度梯度是否能达到实验要求，如达到实验要求，则进行步骤二，如无法达到实验要求，则重新配置测温传感器及升温元件的位置与数量，直至达到实验要求；

步骤二、将陶瓷基复合材料火焰筒模拟件装配进入炉膛内部，下降炉膛上方的升降装置，封闭炉膛，连接全自动电子试验控制模块至各测温传感器、升温元件，连接气冷通道、水冷通道至循环冷却模块，并测试密闭性；于全自动电子试验控制模块中输入预设试验程序，启动装置开始试验并记录参数；

步骤三、全自动电子试验控制模块控制升温元件升温，全自动电子试验控制模块对控制气冷通道吹出的冷风，由于温度场内不同升温元件的功率不同，气冷通道吹出的冷风大小可控，因此炉膛内部呈现非均匀温度场，全自动电子试验控制模块通过测温传感器采集非均匀温度场加载模块中的温度场信号，判断温度场的温度梯度是否达到实验要求，如达到实验要求，则保持升温元件和气冷通道的运作，如没有达到实验要求，则调节升温元件的温度以及气冷通道吹出的冷风，使温度场的温度梯度达到实验要求，然后保持升温元件和气冷通道的运作；

步骤四、经过预定的实验时间后，全自动电子试验控制模块停止升温元件的加热，将炉膛内温度降低至室温，提升升降装置，将陶瓷基复合材料火焰筒模拟件从炉膛内取出，评估陶瓷基复合材料火焰筒模拟件的可靠性，具体评估方法如下：

采用γ

其中E

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的试验方法可应用于不同种类的航空发动机CMC热端部件，基于该试验方法可获得不同梯度环境温度下的航空发动机CMC热端部件的剩余力学性能退化情况，对航空发动机结构设计及寿命评估具有重要意义。

2、本发明提出了航空发动机陶瓷基复合材料火焰筒模拟件在复杂环境温度下的温差热循环试验方案，并且具有全自动化无人值守试验能力，节约了试验人力，减小了人为控制误差，提高了试验效率与试验精度。

3、本发明系统的试验范围广、鲁棒性强。试验温度最高可至1200℃，最大温差范围可达400℃，最大试验持续时长可达1个月，系统在升温过程中可进行温度自检定，温度控制误差±10℃。

4、本发明具有灵活的扩展性及通用性，仅通过修改炉膛内部形状、升温元件布置、冷却槽口位置以及测温传感器位置，即可实现诸如航空发动机涡轮叶片、尾喷管调节片等多种航空发动机高温部件的复杂温度场试验测试，系统装置模块化改进成本低，开展相同种类试验效率高。

附图说明

图1系统整体结构示意图；

图2是全自动电子试验控制模块的升降装置结构示意图；

图3是全自动电子试验控制模块的限位机构结构示意图；

图4是温差热循环的温度场控制调节流程图；

图5是CMC火焰筒模拟件取出弧面试验件并在夹具中装夹示意图；

图6是测温传感器采集到的CMC火焰筒模拟件内外壁实时温度数据；

图7是CMC火焰筒模拟件温差热循环前后力学响应对比图。

附图标记为：1-台架，2-升降装置，3-限位机构，4-炉膛，5-升温元件，6-测温传感器，7-气冷通道，8-水冷通道，9-电极模块，10-循环冷却模块，11-全自动电子试验控制模块，12-升降装置下压平台，13-升降装置步进电机，14-密封卡槽，15-导向杆，16-安装导轨，17-红外限位传感器，18-固定环，19-红外限位杆，20-陶瓷基复合材料火焰筒模拟件，21-陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件，22-高温合金夹具，23-弧面配合夹块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明装置包含全自动电子试验控制模块11、循环冷却模块10以及非均匀温度场加载模块。陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20装配进入非均匀温度场加载模块后，全自动电子试验控制模块11采集陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20内外壁温度数据，并通过反馈调节控制循环冷却模块10以及非均匀温度场加载模块中的升温元件5，对非均匀温度场加载模块的炉膛4内温度场进行动态调节，维持稳定高温温度场和非均匀温度梯度载荷并循环加载。

非均匀温度场加载模块包括台架1、升降装置2、限位机构3、炉膛4、升温元件5、测温传感器6、气冷通道7以及水冷通道8。

台架1作为装置主体，为整体设备及其配件提供装配空间，底座附有稳定结构的配重块及方便移动的滚轮；

升降装置2安装在炉膛4上方，用于控制炉膛4上部开闭；

限位机构3安装于安装导轨16上，用于对导向杆15进行限位，使导向杆15只能竖向上下运动，限位器安装于升降装置运动轴线上，用于调节升降装置的行程，用于检定升降装置是否运转至指定位置并反馈相应信号至升降装置步进电机13或全自动电子试验控制模块11，反馈相应信号至全自动电子试验控制模块11的，由全自动电子试验控制模块11根据信号控制升降装置步进电机13运作；

炉膛4作为试验件的安装空间以及高温环境热梯度空间，其内部为测温传感器6、升温元件5、气冷通道7以及水冷通道8留有卡槽，可根据试验方法以及试验件形状进行定制；

升温元件5通过装置及炉膛4所预留卡槽安装于炉膛4内部，其与炉膛4外侧面电极模块9连接，通过接收全自动电子试验控制模块11的升温信号对环境温度进行加热，升温元件5的数量和安装位置与试验件形状、试验环境布置以及试验目的有关，本实施例中为陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20共布置6个1000w升温元件5，1个2000w升温元件5；

测温传感器6的数量和安装位置与试验件形状、试验环境布置以及试验目的有关，本实施例中于陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20内壁安装3条测温传感器6，外壁安装3条测温传感器6；

气冷通道7以及水冷通道8均接入循环冷却模块，由全自动电子试验控制模块11发送信号进行控制，其中水冷通道8布置于装置内部，用于冷却装置外壁及电极模块9等非耐高温部件，气冷通道7布置于炉膛内部，用于调节装置内温度场温度，本实施例预留3条压缩空气气冷通道7以及1条水冷通道8；

循环冷却模块10包含水冷机及冷却气泵，二者均由全自动电子试验控制模块11直接控制，通过获得温度控制系统的冷却调节信号来调节向装置内部输入冷却气与冷却液的功率；

全自动电子试验控制模块11通过设置炉膛内环境温度以及持续时间，接收测温传感器6传递的温度信号，通过反馈调节同时对循环冷却模块10以及升温元件5发出信号，以此控制装置内部温度场，并记录温度及时间试验数据。

如图2所示为升降装置2结构详细示意图。升降装置步进电机13由全自动电子试验控制模块11直接控制，通过反馈信号控制升降装置下压平台12位置；升降装置下压平台12通过升降装置步进电机13带动导向杆15移动，运动方向由限位机构3校准。

如图3所示为限位机构3结构详细示意图。升降装置步进电机13带动升降装置下压平台12运动的过程中，带动红外限位杆19一同运动。红外限位传感器17接收到红外限位杆19信号后，发送信号至全自动电子试验控制模块11，控制系统传递信号至升降装置步进电机13，升降装置下压平台12随即停止运动，到达指定位置。固定环18可调节红外限位传感器17位置，根据试验要求、炉膛构造以及散热通道布置升降装置下压平台12位置。

下面通过具体的试验流程以及图4所示温差热疲劳系统温度控制调节流程图进一步说明本发明：

根据需要进行试验的陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20设计炉膛4，设计测温传感器6及升温元件5的数量以及安装位置，并计算温度场温度梯度是否达到要求，本实施例中为陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20共布置6个1000w升温元件5，1个2000w升温元件5，于陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20内壁安装3条测温传感器6，外壁安装3条测温传感器6，预留3条压缩空气气冷通道7以及1条水冷通道8；将陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20装配进入炉膛4内部，安装升降装置2并做好密封，连接全自动电子试验控制模块11至各元器件；连接气冷通道7、水冷通道8至循环冷却模块10，并测试密闭性；于全自动电子试验控制模块11中输入预设试验程序，启动装置开始试验并记录参数。

全自动电子试验控制模块11中输入试验要求的设定控制程序，模块随即发出温度控制信号与冷却控制信号，其中温度控制信号发送至升温元件5，温度场内不同升温元件5的功率不同；冷却控制信号一方面将冷却信号发送至循环冷却模块10，实现对水冷装置以及气冷装置的冷却功率调节；同时全自动电子试验控制模块11通过测温传感器6采集非均匀温度场加载模块中的温度场信号，内部程序判断温度场及其温度梯度是否达到实验要求及预设值，循环上述过程并最终达到稳定状态。由此全自动电子试验控制模块11通过输出信号至非均匀温度场加载模块以及循环冷却模块10，通过测温传感器6采集非均匀温度场信号，实现对非均匀温度场的综合控制，如图6所示为测温传感器6采集到的陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20内外壁实时温度数据。

下面通过描述陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21在高温合金夹具22中的装配及剩余强度试验来进一步说明本发明：

如图5所示将陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20通过水切割的方式均分成8等份获得陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21，该步骤亦可通过高精度金刚石线切割以及激光切割的方法完成。将陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21安装于高温合金夹具22中，其中弧面配合夹块23与陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21完全配合，夹块上加工了增加摩擦力的横纹，夹具盖板上螺丝紧固力为7N·m，该种夹持方式可保证试验件拉伸断裂前试验件不打滑脱落。该步骤可通过更改弧面配合夹块23的尺寸以配合不同种尺寸规格的试验件。

将装配好的陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21及高温合金夹具22安装于试验机上，夹具接入水冷，试验机高温炉升温，试验机预紧力设置为100N。采用非接触式应变场测量的方法获得高温环境中陶瓷基复合材料火焰筒模拟件弧面试验件21的应变。重复上述步骤开展参照试验件的高温静拉伸试验。通过CMC火焰筒模拟件以及参照试验件的剩余强度试验，获得温差热循环试验前后CMC火焰筒模拟件的剩余力学性能。

下面通过说明本发明具体实施例的试验结果图7来进一步说明本发明，通过下述实施步骤可计算温差热循环试验对陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20力学性能的影响，以此评估温差热循环载荷下CMC火焰筒的服役可靠性：

如图7所示为温差热循环前后陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20的力学性能响应对比。从中可以看出温差热循环试验前陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20的应力-应变响应的非线性特征较为明显。温差热循环试验前陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20初始线性段模量为230.02GPa，在拉伸应力达到170.89MPa时进入第二线性段，第二线性段模量为38.52GPa，失效强度为253.63MPa，失效应变为0.00288。在经历了温差热循环加载试验后的陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20与温差热循环试验前相比，其初始模量和失效强度均有明显的下降。温差热循环试验后陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20的初始模量为23.17GPa，最终失效强度为217.41MPa，失效应变为0.00867。从试验结果中可以看出，温差热循环试验后的陶瓷基复合材料火焰筒模拟件20剩余力学性能发生了较为明显的折减。在温差热循环试验中，反复施加的热载荷使得CMC的SiC基体产生较多裂纹，界面出现脱粘、开裂等退化现象，因此初始模量的下降尤为显著。采用γ

其中E

表1循环温度梯度加载试验前后力学性能对比

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。