一种热障涂层隔热能力检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及涂层检测技术领域，具体涉及一种热障涂层隔热能力检测装置及检测方法。

背景技术

随着航空航天的发展，发动机热端部件的温度逐年升高，但合金材料的熔点和服役温度较低，不能直接在高温环境下服役。为了有效的保护合金基底，人们通常在合金基底表面制备热障涂层(TBC)。TBC可以有效提高合金基底的服役温度，增加合金基底的服役寿命。

常用的TBC材料有YSZ、锆酸盐、磷酸盐等，为了增加热障涂层与合金基底的结合强度，在热障涂层与合金基底之间制备Ni-Co-Cr-Al-Y合金的粘结层(BC)，服役一段时间之后，粘接层中的部分Al被氧化并生成TGO，因此带热障涂层的结构件由陶瓷层(TBC)、氧化层(TGO)、粘接层(BC)、基底层(substrate)构成，如附图1所示。

如图1所示，T

现有技术中，针对热障涂层隔热能力测试的方法存在问题如下：

带热障涂层的结构件各层尺寸：TBC(0.1-0.4mm)、TGO(0-0.03mm)、BC(0-0.1mm)、substrate(1-3mm)，各层都很薄，尺寸较小。各层界面的位置温度不能准确测量，所以为测试的难点。

专利申请号为CN201510789455.0，专利名称为：一种预埋热电偶的隔热涂层试件界面温度测试方法所公开的技术，以及专利申请号为CN201710996855.8，专利名称为：隔热涂层试件界面温度测试方法所公开的技术存在的不足是：现在市场上最细的热电偶为0.3至0.5mm，且热电偶在使用时还需要保护套，直径较大，无法测量较薄的热障涂层与基底层界面处的温度，因而无法测量较薄热障涂层的隔热性能。另外，1600摄氏度以上的铂铑型热电偶，价格昂贵，采用预埋热电偶的方式时，热电偶难以取出重复使用。预埋法不适用于较薄的高温热障涂层的测试。

专利申请号为CN201010586727.4，专利名称为：一种测定带热障涂层涡轮叶片冷却效果及隔热效果的方法所公开的技术，主要通过包埋热电偶的方法，热电偶的尺寸相对于热障涂层体系较大，所以不能准确测量出基底与粘结层界面处的温度。另外该专利中通过理论推算出真实发动机工况下的冷却效果，该专利中计算前未对物理变量进行处理，部分物理变量参数是随温度变化的，例如热容、密度等在不同温度下的数值不同，因此该理论计算的结果与实际实验结果的误差较大。

专利申请号为CN202010066299.6，专利名称为：一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置所公开的技术存在的不足是：该方法中利用红外测温仪测量陶瓷层与金属粘接层界面，红外不能直接穿透涂层测到界面处的温度。

专利申请号为CN202110846440.9，专利名称为：一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法，在步骤二中，基于一维涂层-气膜理论换热模型推导有热障涂层时的热流q和无热障涂层时的热流q，理论计算与实际实验存在较大误差。且该专利的权利要求6中所公开的公式：

专利申请号为CN202111154914.X，专利名称为：一种测试热防护陶瓷涂层隔热性能的方法，采用该方法，附图1中热障涂层表面温度T

发明内容

本发明意在提供一种测量准确度高的热障涂层隔热能力检测方法。

一种热障涂层隔热能力检测方法，包括以下内容：

S1、将带热障涂层的结构件在服役条件下进行测试，测量带热障涂层的结构件的热源侧温度T

S2、在相同的服役条件下，测量无热障涂层的结构件的热源侧温度，冷却侧温度，其中无热障涂层的结构件与带热障涂层的结构件中的基底相同，利用逼近方法将无热障涂层的结构件热源侧温度和冷却侧温度的温度差逐渐逼近带热障涂层的结构件中基底两侧的温度差；

S3、通过带热障涂层的结构件热源侧温度T

本发明优选的实施方式在于：在S2中，无热障涂层的结构件与带热障涂层的结构件中的基底相同，包括材料、组织、尺寸、表面粗糙度均相同。

本发明优选的实施方式在于：在S2中，相同的服役条件包括高温燃气的温度、压力、流量相同，冷却气体的冷却路径、温度、压力、流量相同。

本发明优选的实施方式在于：S2中，所述的逼近方法中当T

本发明优选的实施方式在于：S2中，所述的逼近方法具体如下：

S201、在相同的服役条件下，进行一次实验，测量无热障涂层的结构件的热源侧温度T

S202、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S203、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S204、以此类推，改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

本发明的原理和有益效果在于：

本发明无热障涂层的结构件未有热障涂层的保护，其热端温度更高，因无热障涂层的结构件两侧温差大于带热障涂层基底层两侧的温差，基于此计算出的热障涂层基底层的低温侧的温度也偏大，热障涂层隔热性能Δt1＝Ta1-Ta5-Δtb1偏小。因此利用循环计算，使得Ta4和Δt1逐渐逼近真实值。

本发明无需采用热电偶进行检测，可适用于较薄热障涂层的隔热性能的检测；采用本发明方法进行热障涂层的隔热性能检测，检测结果准确度高，误差小，成本低，可操作性强，提高检测结果的准确性。

在经济方面：若采用耐1600℃的热电偶其价值约2万元左右，本发明所用红外测温仪价格为1000元以下。

在测量精度方面：本实施例的实验验证表明，利用有限元方法计算涂层隔热能力为520℃。利用本发明中的方案，隔热能力约507K，绝对误差约为13K。而热电偶的直径至少为0.3mm，若将其至于热障涂层中，其误差达到了300℃。

本发明的另一目的是在于提供一种热障涂层隔热能力检测装置，包括主控模块、红外测温组件、加热组件、冷却组件，所述红外测温组件，用于测量带热障涂层的结构件的热源侧温度和冷却侧温度，以及测量无热障涂层的结构件的热源侧温度和冷却侧温度，所述冷却组件，用于对带热障涂层的结构件和无热障涂层的结构件提供相同的冷却条件，所述加热组件用于为带热障涂层的结构件提供加热热源，还用于在第一次实验中为无热障涂层的结构件提供与带热障涂层的结构件相同的加热热源，并在第i次实验中，为无热障涂层的结构件提供与采用逼近法估计的带热障涂层的结构件基底高温侧温度相同的加热热源，所述主控模块，用于控制加热组件、冷却组件和红外测温组件协同工作，还用于根据红外测温组件采集的温度数据，采用逼近方法计算带热障涂层的结构件的热障涂层的隔热性能。

本发明优选的实施方式在于：所述主控模块，采用的逼近方法为：当T

本发明优选的实施方式在于：还包括移动组件，所述红外测温组件有两组，所述加热组件、冷却组件和两组红外测温组件均滑动设置在移动组件上。

附图说明

图1为现有带热障涂层的结构件示意图；

图2为采用GH4099合金基底，合金表面依次在1473K、1573K、1673K、1773K的温度下内部的温度变化图；

图3为图2中合金依次在1473K、1573K、1673K、1773K温度下表面两端的温度差图；

图4为本发明热障涂层隔热能力检测方法的流程图；

图5为带YTaO

图6为图5中有限元模型求解的结果图；

图7为带YTaO

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，下述所描述的优选实施例仅用于对本发明进行解释说明，并不会对本发明的保护范围起到限定作用。

下面通过优选的具体实施方式对本发明进一步详细说明：

如附图4所示：本实施例公开的热障涂层隔热能力检测方法，包括以下内容：

S1、将带热障涂层的结构件在服役条件下进行测试，测量带热障涂层的结构件的热源侧温度T

S2、在相同的服役条件下，测量无热障涂层的结构件的热源侧温度，冷却侧温度，其中无热障涂层的结构件与带热障涂层的结构件中的基底相同，利用逼近方法将无热障涂层的结构件热源侧温度和冷却侧温度的温度差逐渐逼近带热障涂层的结构件中基底两侧的温度差；

其中，无热障涂层的结构件与带热障涂层的结构件中的基底相同，包括材料、组织、尺寸、表面粗糙度均相同；相同的服役条件包括高温燃气的温度、压力、流量相同，冷却气体的冷却路径、温度、压力、流量相同。

S3、通过带热障涂层的结构件热源侧温度T

S2中，所述的逼近方法中当T

本实施例中，所述逼近方法具体如下：

S201、在相同的服役条件下，进行一次实验，测量无热障涂层的结构件的热源侧温度T

S202、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S203、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S204、以此类推，改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

允许误差，类似于数学中的容差。例如允许误差为20℃，当两次的温度差Ti-Ti-1为20℃时，即可停止循环，Δti即为热障涂层的隔热性能。

本实施例还公开了一种热障涂层隔热能力检测装置，包括主控模块、红外测温组件、加热组件、冷却组件和移动组件。

所述红外测温组件，用于测量带热障涂层的结构件的热源侧温度和冷却侧温度，以及测量无热障涂层的结构件的热源侧温度和冷却侧温度，本实施例中，所述红外测温组件有两组，一组测温范围为973K至1973K，另一组测温范围为673K至1273K。

所述冷却组件，用于对带热障涂层的结构件和无热障涂层的结构件提供相同的冷却条件，具体是，通过冷却组件制备压缩的冷却空气对带热障涂层的结构件基底进行冷却，以及对无热障涂层的结构件冷端进行冷却。

所述加热组件用于为带热障涂层的结构件提供加热热源，具体是主控模块通过电子阀控制乙炔气体流量，喷枪处产生火焰，对带热障涂层的结构件表面加热以及对无热障涂层的结构件表面进行加热。具体加热形式是：在第一次实验中为无热障涂层的结构件提供与带热障涂层的结构件相同的加热热源，并在第i次实验中，为无热障涂层的结构件提供与采用逼近法估计的带热障涂层的结构件基底高温侧温度相同的加热热源。

所述主控模块，用于控制加热组件、冷却组件和红外测温组件协同工作，还用于根据红外测温组件采集的温度数据，采用逼近方法计算带热障涂层的结构件的热障涂层的隔热性能。所述主控模块，采用的逼近方法为：当T

更加具体的，所述主控模块采用逼近方法计算带热障涂层的结构件的热障涂层的隔热性能具体是：在相同的服役条件下，进行一次实验，测量无热障涂层的结构件的热源侧温度T

S202、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S203、改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

S204、以此类推，改变无热障涂层的结构件的热源温度，使热源温度等于T

本实施例中，所述移动组件包括两组导轨和与两组导轨分别滑动配合的滑块，在滑块上固定安装板，所述加热组件和一组红外测温组件滑动设置在一组移动组件中的安装板上，冷却组件和另一组红外测温组件滑动设置在另一组移动组件中的安装板上。为带热障涂层的结构件提供完热源和冷却气流，以及通过两组红外测温组件测得带热障涂层的结构的热源侧温度和冷却侧温度后，两组红外测温组件、加热组件和冷却组件沿着导轨移动到无热障涂层的结构件处，对其进行加热、冷却和测温。采用相同的加热组件、冷却组件和红外测温组件，以确保实验条件的一致性，确保检测结果的准确性。

实验验证

具体以带YTaO

如图5所示，在基底表面制备粘结层、氧化层、陶瓷层，其材料分别为GH4099、NiCoCrAlY、Al

为了验证逼近法的效果，首先，建立该结构件的有限元模型，通过有限元模型可以直接导出T

最后，对比第一步与第二步的结果。具体操作如下：

1.建立带YTaO

2.求解有限元模型，并导出温度T

3.逼近法实验求解T

(1)第一步实验，i＝1,热源侧温度T

第一步计算热障涂层隔热能力为：Δt

(2)第二步实验，i＝2，T

第二次计算热障涂层隔热能力为：Δt

(3)第三步实验，i＝3，T

第三次计算热障涂层隔热能力为：Δt

(4)第四步实验，i＝4，T

第四次计算热障涂层隔热能力为：Δt

……

T

逼近法求解结果，如表1所示:

其中，A代表带YTaO

结果分析：

利用逼近法，经过对带YTaO

对于包埋热电偶的方法，缺点是铑热电偶价格昂贵，热电偶固定位置应该非常精确。另外通过有限元模拟的结果，涂层体系内部的温度曲线图7中，热电偶的直径尺寸为0.5mm准确包埋至0.5mm的孔内，图中0.43与0.93之间温差约为16K(略大于逼近法测量结果)，且基底越薄，包埋法所得误差越大。包埋热电偶需要加保护套导致直径更大，且实验过程中热电偶响应时间的影响、插入深度及插入位置的影响、热电偶丝不均匀质的影响等，所以该误差则远大于16K。因此，相对于包埋法来说，本发明采用逼近法，可实施性更强、代价更低、精度更高。

以上结合附图详细阐述了本申请的优选实施方式，优选实施方式中典型的公知结构及公知性常识技术在此未作过多描述，所属领域普通技术人员可以在本实施方式给出的启示下，结合自身能力完善并实施本发明技术方案，一些典型的公知结构、公知方法或公知性常识技术不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。

本申请要求的保护范围应当以其权利要求书的内容为准，发明内容、具体实施方式及说明书附图记载的内容用于解释权利要求书。

在本申请的技术构思范围内，还可以对本申请的具体实施方式作出若干变型，这些变型后的具体实施方式也应该视为在本申请的保护范围内。