一种热障涂层失效的测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热障涂层性能检测领域，具体地，涉及一种热障涂层失效的测试系统及方法，尤其是，涉及一种用于高温强热流密度循环热冲击条件下热障涂层失效的原位动态无损实时在线监测的联合测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]热障涂层在高温条件下的失效一直是热障涂层研究关注的重点命题。通过对热障涂层失效模式与失效机制的研究，有助于判断热障涂层的破坏方式及服役破坏的临界点。热障涂层在高温服役条件下的失效是一个高度非线性的过程。它的失效形式和破坏的临界点是温度，温度梯度，材料本构，残余应力，外部腐蚀性介质，外部空气对流系数的函数。但涂层的失效归根结底都是涂层内部或界面处裂纹萌生，扩展及传播，最后发生涂层剥落。
[0003]对热障涂层失效的检测通常有有损的方法和无损的方法，有损的方法，通常会一定程度上破坏涂层样品，会使得涂层内部萌生和产生裂纹从而掩盖了涂层失效的真实信息。而无损检测方法则不需要破坏涂层样品，更能真实地反映涂层实际破坏情况。
[0004]声发射技术利用涂层内部发射裂纹时，产生弹性应变能，以应力波的形式对外释放能量，通过灵敏的电子仪器能够将此应力波采集，并经过集成放大得到声发射信号，通过信号的反馈反推材料失效的“源”的信息。
[0005]先前对热障涂层失效方面的无损表征，特别是声发射方面的研究大多集中在常温条件下，如弯曲载荷下(三点弯曲，四点弯曲，剪切)，单轴向载荷(拉伸和压缩)等条件下的声发射信号检测与分析，在高温条件下涂层失效的声发射信号检测主要是针对空气炉加热-水淬这种形式的热震失效，主要采用波导杆技术将波导杆焊接在被测涂层样品，通常为高温合金或不锈钢基体的侧面或背部，从而检测涂层的失效过程，该过程的不足之处在于由于波导杆长度受到实验装置和环节的制约，因此声发射信号会发生一定程度上的衰减和失真，给声发射信号的分析带来了极大的困难，从而不容易判断涂层失效的“源”的信息。
【发明内容】
[0006]鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种热障涂层失效的测试系统及方法，用于高温强热流密度循环热冲击条件下热障涂层失效的原位动态无损实时在线监测。
[0007]为了解决上述技术问题，一方面，本发明所提供的热障涂层失效的测试系统，包括:用于涂层热冲击寿命检测的高温强热流密度循环热考核装置，其具备:用于固定涂层试样的固定单元，和对所述涂层试样进行循环加热的加热单元；用于涂层失效的声发射信号检测装置，其具备对涂层失效过程中的声发射信号进行检测的声发射传感器，接收来自所述声发射传感器的声发射信号并进行处理以提前预测涂层破坏临界时间点的声发射信号处理单元。
[0008]本发明集成了高温强热流密度循环热考核装置和声发射信号检测装置两大单元，一方面能够模拟涂层在风洞测试环境下即高马赫数考核条件下的失效破坏，能够近似仿真涂层失效过程，为涂层在极端苛刻条件下的失效在实验室内部实现了动态的测试。此外，在此基础上搭配了声发射信号检测装置，能够对在强热流密度循环考核条件下涂层的失效过程进行了原位实时动态在线监测，为实现涂层临界破坏点预测及涂层最终寿命评估了提供了一个崭新而又有力的工具。
[0009]具体地，本发明集成了高温强热流密度循环热考核装置和声发射信号检测装置两大单元，两大单元相耦合，共同发挥作用，既实现了涂层在高温强热流密度考核条件下热循环寿命的考核，同时实现了涂层失效过程的原位动态无损在线监测。
[0010]通过本发明可以近似仿真涂层在实际风洞考核条件下的热循环寿命，还能够通过声发射信号的分析处理进一步分析涂层在表面和背面存在温度梯度情况下涂层的失效机制，为涂层工程化应用和涂层制备工艺优化提供重要的理论指导和技术支撑。
[0011]通过本发明的声发射信号检测，可以提前预测涂层破坏的临界时间点，根据此临界时间点可以用红外测温仪进一步反馈涂层表面温度，用摄像机可有选择的观测涂层表面剥落破坏的情况，而不需要随时观测涂层表面剥落情况，省去了人力。
[0012]又，在本发明中，也可以是，所述加热单元包括用于对所述涂层试样的表面喷射火焰的加热器。
[0013]根据本发明，可通过对涂层试样的表面喷射火焰的加热器实现对涂层试样的高温考核。优选地，可以通过该加热器对涂层试样的表面喷射氧丙烷火焰。
[0014]又，在本发明中，也可以是，所述固定单元包括用于夹持所述涂层试样的工装。
[0015]根据本发明，通过该工装可有利于将涂层试样夹持固定于高温强热流密度循环热考核装置中。
[0016]又，在本发明中，也可以是，所述高温强热流密度循环热考核装置具有使循环加热后的所述涂层试样进行冷却的循环冷却机构。
[0017]例如可以是，在每个循环的加热阶段结束后，旋转转台做45度角旋转，切换工位，诸如高温氧丙烷火焰那样的加热器对另外的涂层试样进行加热，先前加热的涂层样品被切换到冷却状态，涂层试样表面和/或高温合金基体背面均用诸如压缩空气管等构件通入压缩空气对其进行冷却。此外，沿着声发射工装的轴向方向或高温合金基体背面的法线方向，压缩空气管里的压缩空气对准工装夹具后侧的螺纹孔及传感器进行冷却。待每个循环的冷却阶段结束后，转台又朝着先前的反方向再做45度角旋转，进入下一个循环的加热阶段。
[0018]根据本发明，在循环冷却过程中，例如对试样的正面即涂层的表面施加压缩空气流进行冷却，同时在试样的背面也施加压缩空气流进行冷却。在声发射工装的轴线方向即高温合金基体背面的法线方向也同时施加压缩空气冷却，冷却的效果使得涂层在每个循环的冷却阶段内，整个试样降到测试现场的室内环境温度。
[0019]又，在本发明中，也可以是，所述高温强热流密度循环热考核装置具有循环切换试样工位的切换机构。优选地，该切换机构可为旋转转台。
[0020]根据本发明，能够保证声发射系统中的声发射传感器得到比较好的冷却效果。
[0021]又，在本发明中，也可以是，所述声发射信号检测装置可装卸地固定在与所述高温强热流密度循环热考核装置对应的试样工位上。
[0022]根据本发明，声发射信号检测装置比较容易方便地固定在高温强热流密度循环热考核装置对应的试样工位上，具有安装方便，拆卸简易的特点。
[0023]又，在本发明中，也可以是，所述声发射信号检测装置具有声发射信号接触与耦合通道。该通道即是声发射信号传输的路径，为保证发射信号传输路径畅通，在声发射信号测试工装连接的各个界面处采用高温传声胶耦合，从而保证采集到的声发射信号不失真并且信号连续不间断。
[0024]根据本发明，涂层热循环考核与声发射信号检测同步进行，声发射信号能实时跟踪涂层失效的动态行为，声发射信号检测装置耦合在循环热考核装置上，组成一个联合测试的单元。
[0025]又，根据本发明的另一方面，提供一种采用上述测试系统进行的热障涂层失效的测试方法，包括:将涂层试样固定于高温强热流密度循环热考核装置中，并对所述涂层试样进行循环加热;通过声发射信号检测装置的声发射传感器对涂层失效过程中的声发射信号进行检测;通过所述声发射信号检测装置的声发射信号处理单元接收来自所述声发射传感器的声发射信号并进行处理