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專利名稱：一種模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，尤其涉及一種可以實(shí)現(xiàn)三種服役環(huán)境一體化的加載裝置，屬于熱障涂層服役環(huán)境模擬裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)航空材料的要求也不斷提高，對(duì)高溫材料使用溫度的要求也越來越高，目前先進(jìn)的高溫合金或單晶材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展的迫切需求，熱障涂層因?yàn)榫哂懈吒魺?、耐腐蝕、抗沖蝕等優(yōu)點(diǎn)成為了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上高溫部件的關(guān)鍵材料。然而由于現(xiàn)在的熱障涂層技術(shù)尚未成熟，熱障涂層的失效也成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的致命威脅。影響熱障涂層破壞的因素很多，除了自身復(fù)雜的幾何形狀、微觀結(jié)構(gòu)及各層之間的性能差異等自身原因外，最關(guān)鍵的是熱障涂層工作在極其惡劣的高溫交變熱循環(huán)、雜質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊、腐蝕氣體的不斷侵蝕等復(fù)雜環(huán)境中。為了充分研究和有效預(yù)測(cè)熱障涂層材料的熱力失效和可靠性問題，研制相關(guān)的試驗(yàn)加載裝置來模擬熱障涂層的服役環(huán)境對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行分析是熱障涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。國內(nèi)外眾多航空航天研究機(jī)構(gòu)投入了大量的人力和物力研制模擬不同工作狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置。目前國內(nèi)外航天工作者主要通過地面模擬服役環(huán)境的方式來進(jìn)行試驗(yàn)，如高溫風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、單管燃燒器、熱沖擊試驗(yàn)等，但這些模擬加載方法還不能真實(shí)的模擬熱障涂層渦輪葉片高溫交變熱循環(huán)、雜質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊、腐蝕氣體的不斷侵蝕的復(fù)雜服役環(huán)境。早在20世紀(jì)70年代，美國的NASA中心就將熱障涂層在相當(dāng)高熱流密度的J-75渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試車，驗(yàn)證了熱障涂層的隔熱效果，并以此為依據(jù)調(diào)整了陶瓷層各成分的配方。但是發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)人力、物力耗費(fèi)巨大，實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，而且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層試驗(yàn)過程信息的獲取或原位檢測(cè)，因而無法實(shí)時(shí)獲得試樣損傷的關(guān)鍵信息，故很難用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的前期產(chǎn)品研發(fā)和中試試驗(yàn)。因此如何采用經(jīng)濟(jì)有效的方法對(duì)熱障涂層的服役環(huán)境行為進(jìn)行模擬，是該領(lǐng)域研究工作中直接面臨的現(xiàn)實(shí)工程問題。研制模擬熱障涂層實(shí)際復(fù)雜服役環(huán)境的加載裝置，將能夠?yàn)闊嵴贤繉悠谑н^程和失效機(jī)理的研究提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前為止，國內(nèi)涉及到模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片服役環(huán)境方面的試驗(yàn)裝置中，周洪等人(專利公開號(hào):CN1818612A)采用高溫電阻爐對(duì)熱障涂層進(jìn)行快速加熱和冷卻，李志明等人(專利公開號(hào):CN201653844)采用陶瓷套管加熱研究熱障涂層的抗高溫氧化性能。成來飛等人(專利公開號(hào):CN1546974A)研制了高溫燃?xì)猸h(huán)境條件下熱、化學(xué)耦合的加速實(shí)驗(yàn)裝置；張?zhí)靹Φ热?專利公開號(hào):CN101644650A)采用加熱槍實(shí)現(xiàn)了熱障涂層的熱循環(huán)性能的測(cè)試。宮聲凱等人(專利公開號(hào):CN1699994)采用紅外加熱設(shè)備與材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了熱障涂層熱、力和腐蝕的環(huán)境模擬；我們?cè)兄瞥鲆惶子糜谀M和實(shí)時(shí)測(cè)試高溫部件熱疲勞失效的試驗(yàn)裝置(專利公開號(hào):201010000151)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度交變循環(huán)的熱疲勞這一服役環(huán)境的模擬。可以看出，現(xiàn)有對(duì)服役環(huán)境的模擬裝置，大多只能實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)熱疲勞、熱震等單一載荷或是熱、力簡單耦合等服役環(huán)境的模擬，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的真實(shí)服役環(huán)境中還包含雜質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊和腐蝕氣體的不斷侵蝕等狀況。因此，全面真實(shí)的模擬熱障涂層高溫、腐蝕、沖蝕的服役環(huán)境是理解熱障涂層破壞機(jī)理、實(shí)現(xiàn)其安全應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有熱障涂層服役環(huán)境模擬中存在的棘手難題，提供一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層高溫、腐蝕、沖蝕服役環(huán)境的模擬，為有效評(píng)估高溫部件在復(fù)雜服役環(huán)境下的疲勞失效過程及失效機(jī)理提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本發(fā)明設(shè)計(jì)所采用的技術(shù)方案為:在高溫火焰噴槍內(nèi)除有火焰通道、冷卻通道外，還包含有顆粒通道和氣體通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫?zé)崞?，沖蝕、腐蝕一體化的服役環(huán)境的模擬。所述高溫火焰噴槍的火焰溫度高達(dá)3000 ° C左右，用噴槍固定裝置固定，由伺服電機(jī)控制噴槍移動(dòng)；所述高溫火焰噴槍內(nèi)通有冷卻循環(huán)水。所述高溫火焰噴槍出口處可更換不同直徑的噴嘴，噴嘴與噴槍采用螺紋連接的方式，并安裝有密封圈等密封裝置，噴嘴的直徑尺寸有10 mm、16 mm、20 mm、40 mm等4種,可形成多種形式的火焰，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸樣品的加熱。而且通過控制氣體的流量和高溫火焰噴槍到樣品的距離，可以形成不同速度、溫度的火焰，故可滿足試驗(yàn)者的多種需求。所述沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)為利用壓縮空氣將顆粒沖入噴槍內(nèi)的沖蝕顆粒通道中，沖蝕顆粒通道伸入到燃燒室內(nèi)部，在燃燒室內(nèi)被加溫加速后，隨火焰一起噴到樣品上。所述腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高溫顆粒腐蝕和常溫氣體腐蝕的輸入，對(duì)于顆粒狀腐蝕物質(zhì)，由沖蝕顆粒通道輸入，即將腐蝕顆粒加入到?jīng)_蝕顆粒通道中，經(jīng)高溫反應(yīng)后，形成腐蝕氣流，隨高溫火焰一起噴到樣品上；對(duì)于氣體狀腐蝕物質(zhì),則是經(jīng)單獨(dú)的腐蝕氣體通道輸入，即將腐蝕氣體壓入到噴槍中的腐蝕氣體通道中，腐蝕氣體經(jīng)加熱后，成環(huán)狀加載至樣品上。所述冷卻系統(tǒng)為冷卻水從冷卻通道入口進(jìn)入后，環(huán)繞噴槍冷卻一周，對(duì)噴槍進(jìn)行冷卻后，從冷卻通道出口流出，經(jīng)冷卻后，又可進(jìn)行重復(fù)利用。所述點(diǎn)火系統(tǒng)包括手動(dòng)點(diǎn)火和自動(dòng)周期性點(diǎn)火，既可以按照需要手動(dòng)點(diǎn)火，也可以選擇自動(dòng)周期性點(diǎn)火，且周期時(shí)間可按需自行設(shè)定。本發(fā)明的有益效果為:該噴槍裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度的交變循環(huán)、硬質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊、腐蝕氣體的不斷侵蝕等復(fù)雜服役環(huán)境的模擬，可模擬單獨(dú)的高溫氧化、沖蝕、腐蝕等服役環(huán)境，也可模擬其中任意兩種或三種共同作用下的復(fù)雜服役環(huán)境，彌補(bǔ)了現(xiàn)有熱障涂層環(huán)境模擬裝置只能模擬單一服役環(huán)境以及未加入硬質(zhì)顆粒沖蝕的缺陷，且火焰溫度高達(dá)3000 ° C左右；噴槍出口處可更換不同尺寸的噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同尺寸的樣品進(jìn)行加載；此外，該裝置具有相對(duì)完善的腐蝕介質(zhì)加載系統(tǒng)，對(duì)于顆粒狀和氣體狀的腐蝕物質(zhì)均可應(yīng)用，并具有一套完備的點(diǎn)火系統(tǒng)，手動(dòng)點(diǎn)火和自動(dòng)周期性點(diǎn)火均可實(shí)現(xiàn)。該裝置可為有效評(píng)估高溫部件在高溫?zé)嵫h(huán)、沖蝕和腐蝕一體化的服役環(huán)境下的疲勞失效過程及失效機(jī)理提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。


圖1是本發(fā)明的剖面圖；圖2是本發(fā)明入口處截面圖；圖3是本發(fā)明出口處截面圖；圖中標(biāo)號(hào):101-點(diǎn)火器；102_燃?xì)廨斎胪ǖ溃?03_氧氣輸入通道；104_沖蝕顆粒通道；105_腐蝕氣體通道；106_冷卻通道；107_混合室；108_燃燒室；109_Laval噴嘴；110-火焰通道；111-噴嘴；201-冷卻通道入口 ；202_腐蝕氣體通道入口 ；301_腐蝕氣體通道出口； 302-冷卻通道出口。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，下面通過

和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1-3所示，圖1是本發(fā)明的剖面圖，圖2是本發(fā)明入口處截面圖；圖3是本發(fā)明出口處截面圖。高溫火焰噴槍內(nèi)包含混合室(107)、燃燒室(108) ,Laval噴嘴(109)、火焰通道(110)、噴嘴(111)，并設(shè)置有點(diǎn)火器(101)、燃?xì)廨斎胪ǖ?102)、氧氣輸入通道(103)、沖蝕顆粒通道(104)、腐蝕氣體通道(105)、冷卻通道(106)。調(diào)節(jié)好燃?xì)夂脱鯕獾牧髁亢?，打開冷卻系統(tǒng)、燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)和氧氣輸入系統(tǒng)，燃?xì)夂脱鯕鈴母髯酝ǖ乐羞M(jìn)入混合室(107),待氣體在混合室(107)內(nèi)充分混合后，啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，氣體在燃燒室(108)內(nèi)充分燃燒，形成高溫火焰，再經(jīng)Laval噴嘴(109)加速，從出口處的噴嘴(111)中噴出，通過控制噴槍的移動(dòng)和調(diào)節(jié)氣體的流量來達(dá)到所需要的溫度；待火焰穩(wěn)定后，啟動(dòng)沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)和腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)，粒子從沖蝕顆粒通道(104)進(jìn)入到燃燒室(108)，在燃燒室(108)內(nèi)的高溫條件下充分反應(yīng)后，隨高溫火焰一起由出口處的噴嘴(111)噴出，氣體則從腐蝕氣體通道入口(202)進(jìn)入腐蝕氣體通道(105)，經(jīng)噴槍間接加熱后，由腐蝕氣體通道出口(301)噴出，故沖蝕物質(zhì)和腐蝕物質(zhì)會(huì)同火焰一起噴到樣品上,實(shí)現(xiàn)高溫、沖蝕、腐蝕的一體化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按照順序依次關(guān)閉沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)和腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)、燃?xì)廨斎胂到y(tǒng)和氧氣輸入系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)，最后關(guān)閉冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明能夠模擬高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度的交變循環(huán)、硬質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊、腐蝕氣體的不斷侵蝕等復(fù)雜的服役環(huán)境，可以模擬單一的服役環(huán)境，或者模擬任意兩種或三種共同作用下的工作環(huán)境，解決了現(xiàn)有熱障涂層環(huán)境模擬裝置只能模擬單一服役環(huán)境以及未加入硬質(zhì)顆粒沖蝕的缺陷。本發(fā)明可為有效評(píng)估高溫部件在高溫?zé)嵫h(huán)、沖蝕和腐蝕一體化的服役環(huán)境下的疲勞失效過程及失效機(jī)理提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，該噴槍裝置包括高溫火焰噴槍，其特征在于，該噴槍裝置在高溫火焰噴槍內(nèi)除有火焰通道(110)、冷卻通道(106)外，還包含有沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)、腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)以及點(diǎn)火系統(tǒng)； 所述高溫火焰噴槍的火焰溫度高達(dá)3000 ° C左右，用噴槍固定裝置固定，由伺服電機(jī)控制噴槍移動(dòng)； 所述沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)為利用壓縮空氣將顆粒沖入噴槍內(nèi)的沖蝕顆粒通道(104)中，沖蝕顆粒通道(104)伸入到燃燒室(108)內(nèi)部，顆粒在燃燒室(108)內(nèi)經(jīng)加溫加速后，隨火焰一起噴到樣品上； 所述腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高溫顆粒腐蝕和常溫氣體腐蝕的輸入，對(duì)于顆粒狀腐蝕物質(zhì)，由沖蝕顆粒通道(104)輸入，即將腐蝕顆粒加入到?jīng)_蝕顆粒通道(104)中，經(jīng)高溫反應(yīng)后，形成腐蝕氣流，隨高溫火焰一起噴到樣品上；對(duì)于氣體狀腐蝕物質(zhì)，則是經(jīng)單獨(dú)的腐蝕氣體通道(105)輸入，即將腐蝕氣體壓入到噴槍中的腐蝕氣體通道(105)中，腐蝕氣體經(jīng)加熱后，成環(huán)狀加載至樣品上； 所述點(diǎn)火系統(tǒng)包括手動(dòng)點(diǎn)火和自動(dòng)周期性點(diǎn)火，即按照需要手動(dòng)點(diǎn)火，或者選擇自動(dòng)周期性點(diǎn)火，且周期時(shí)間可按需設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，其特征在于，所述噴槍裝置還含有冷卻系統(tǒng)；所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻通道入口(201)、冷卻通道(106)、冷卻通道出口 (302)； 所述冷卻系統(tǒng)冷卻水從冷卻通道入口(201)進(jìn)入后，冷卻通道(106)環(huán)繞噴槍冷卻一周，對(duì)噴槍進(jìn)行冷卻后，從冷卻通道出口(302)流出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，其特征在于，所述高溫火焰噴槍出口處可更換不同直徑的噴嘴(111)，噴嘴(111)與噴槍采用螺紋連接方式，并安裝有密封圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，其特征在于，所述噴嘴直徑尺寸為10 mm、16 mm、20 mm或者40 mm，可以根據(jù)試驗(yàn)樣品的尺寸來選擇。
全文摘要
一種模擬熱障涂層高溫、沖蝕、腐蝕服役環(huán)境的噴槍裝置，屬于熱障涂層服役環(huán)境模擬裝置領(lǐng)域。該裝置在高溫火焰噴槍內(nèi)除有火焰通道、冷卻通道外，還包含有沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)和腐蝕物質(zhì)輸入系統(tǒng)以及點(diǎn)火系統(tǒng)；高溫火焰噴槍的移動(dòng)由伺服電機(jī)控制；所述沖蝕顆粒輸入系統(tǒng)利用壓縮空氣將顆粒沖入噴槍內(nèi)的沖蝕顆粒通道。本發(fā)明能夠模擬高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度的交變循環(huán)、硬質(zhì)顆粒的反復(fù)沖擊、腐蝕氣體的不斷侵蝕等單一或任意兩種或三種服役環(huán)境，解決了現(xiàn)有熱障涂層環(huán)境模擬裝置只能模擬單一服役環(huán)境以及未加入硬質(zhì)顆粒沖蝕的缺陷，為有效評(píng)估高溫部件在高溫?zé)嵫h(huán)、沖蝕和腐蝕一體化的服役環(huán)境下的疲勞失效過程及失效機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
文檔編號(hào)G01N17/00GK103091237SQ20131000915
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者楊麗, 王俊俊, 周益春, 蔡燦英 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)