一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置，属于无损检测技术领域，首先模拟真实服役环境，对热障涂层陶瓷层表面进行加热，对高温合金基体面进行冷却，利用红外测温仪对带热障涂层高温合金构件的陶瓷顶层及陶瓷层背面与金属粘接层界面的温度进行测量。与现有热电偶接触温度测试技术相比，本发明专利技术方法具有非接触测量、不影响热障涂层表面及空心叶片气道内部原有气体流场和温度场、温度测试响应快、测试过程简单的优点，该方法的实用性较强。

A non-contact non-destructive testing method and device for thermal barrier coating insulation temperature

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置
本专利技术属于无损检测
，涉及一种基于红外温度测试方法，尤其是一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置。
技术介绍
热障涂层(TBCs:ThermalBarrierCoatings)广泛应用于航空发动机与燃气轮机高温合金热端部件，用于为高温合金部件进行高温隔热防护，同时可显著提高航空发动机和燃气轮机的转化效率。热障涂层由金属粘接层与陶瓷隔热顶层组成，金属粘接层的主要成分是MCrAlY(M＝Ni、Co)或NiAlPt，主要起到抗高温氧化、缓和陶瓷隔热顶层与高温合金热物理性能不匹配的作用；目前广泛使用的陶瓷隔热层材料主要为氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)和GdZrO3。隔热是热障涂层的主要功能，隔热效果满足要求是确保涡轮叶片寿命和安全服役的最重要因素之一。热障涂层的隔热效果是指陶瓷隔热顶层的表面温度与金属粘接层界面的温度之差，温差越大隔热效果越好，反之隔热效果越差。热障涂层隔热效果的不足会引起对单晶镍基高温合金叶片的热防护不足，引起叶片组织及力学性能的快速退化，缩短叶片的服役寿命，如果出现意外的断裂将造成发动机事故。理论分析可知，热障涂层的隔热效果(热障涂层表面温度与单晶镍基合金叶片表面温度之差)取决于沿涂层厚度方向的热流密度与热障涂层热阻的乘积。热流密度主要取决于单位面积叶片内部冷却气道中冷却气膜在单位时间内所带走的热量。涂层的热阻是陶瓷层的自身热导率与涂层的厚度乘积。当热流密度一定时，热障涂层陶瓷层的厚度越大、涂层的热导率越低，则隔热效果越好。对于给定的涂层，气道冷却效果越好，热流密度越大则隔热效果越好，但强烈的冷却存在降低发动机效率的不利效应。热障涂层的隔热效果不仅与涂层自身的特性有关，而且还与外界环境有关。因此，不能直接通过涂层自身的参量实现对热障涂层隔热效果的计算，因而在模拟或真实服役环境下采用先进的测试手段实现对隔热效果的直接测量显得极其重要，不仅可以判断带新品热障涂层是否合格，还可对使用一段时间后的叶片表面热障涂层进行评价，判断其还是否满足服役要求。目前，热障涂层隔热效果的测定主要采用对预埋铠装热电偶的圆管试件进行“外加热、内冷却”方式进行。涂层表面加热手段方面，采用炉内辐射加热，与实际热片燃气对流为主、高温辐射为辅的传热模式不同；测试手段方面，铠装外壳的导热具有一定延迟性，同时热电偶本身会影响涂层表面及基体侧气流场及温度场，导致测试数据具有延迟和不确定性；。测试环境方面，难以改变燃气特性、不能考虑涂层隔热与气膜孔交互作用、不能添加钙镁硅氧化物颗粒等实际叶片服役工况、与叶片服役状态相差较大，难以表征涂层隔热效果。测试内容方面，只能测定短时的隔热性能，未考虑服役时间、环境、涂层厚度对隔热效果的影响；适用性方面，难以满足对复杂型面叶片整个表面隔热效果分布的测量。以上因素造成在涡轮气冷叶片设计中，评估不同工况下涂层的隔热效果十分困难，这一工程问题亟需解决。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法及装置，本专利技术装置可在不接触热障涂层陶瓷层表面和金属粘结层界面的前提下，实现热障涂层隔热温度的非接触式无损检测。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术公开了一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，包括如下步骤：S1：对高温合金基材热障涂层样品的YSZ陶瓷隔热顶层表面进行加热，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却，模拟真实服役环境；S2：利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量YSZ陶瓷顶层的表面温度Ts和YSZ陶瓷层与金属粘接层界面的温度Ti；S4：计算步骤S2中的Ts与Ti的差值，该差值即为高温合金基材热障涂层的隔热温度。优选地，步骤S2中，用于测量陶瓷隔热顶层的表面温度Ts的测温仪采用响应波长为长波长的红外测温仪，用于测量陶瓷层与金属粘接层界面的温度Ti的测温仪采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外测温仪。更进一步优选地，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号。优选地，步骤S1中，对高温合金基材热障涂层样品的陶瓷隔热顶层表面进行加热是通过高温高速火焰流加热法或高能激光束加热法对陶瓷顶层表面进行加热实现的。优选地，步骤S1中，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却是通过将冷却气流喷向高温合金基体面实现的。优选地，所述的高温合金基材热障涂层样品的形状为平板或曲。本专利技术公开了实现上述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法的测试装置，其特征在于，包括加热装置、冷却装置和温度测量单元；加热装置，用于对高温合金基材热障涂层样品进行加热，冷却装置用于对高温合金基材热障涂层样品进行冷却；所述温度测量单元，包括红外测量仪I、红外测量仪II以及与红外测量仪I、红外测量仪II电性相连的温度测量信号收集及处理装置。优选地，红外测量仪I的波长为1-3μm；红外测温仪II的波长为8-14μm。优选地，温度测量单元还包括分别与红外测温仪I和红外测温仪II相连的红外测温仪轨迹移动控制单元，红外测温仪轨迹移动控制单元由移动平台和控制器构成。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，首先模拟真实服役环境，对高温合金基材热障涂层样品陶瓷隔热顶层表面进行加热，对高温合金基体面进行冷却，利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量陶瓷顶层的表面温度Ts和陶瓷层背面与金属粘接层界面的温度Ti；由Ts-Ti即可获得热障涂层的隔热温度。该方法不接触热障涂层表面、不改变热障涂层表面温度场、操作简单、测试构件外形适用范围广等优点。进一步地，利用长波红外热辐射不能穿透陶瓷层的特性，而长波红外线仅来源于陶瓷层表面辐射的特点，采用响应波长为长波长红外测温仪测量热障涂层陶瓷顶层的表面温度Ts，利用近红外至中红外热辐射能够部分穿过陶瓷层且陶瓷层自身不发射近红外至中红外热辐射的特性，采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外测温仪测量陶瓷层与金属粘接层界面的温度Ti，更进一步地，波长为1-3μm的红外测温仪I适用于检测较高温度区的温度，因此利用红外测温仪I对YSZ陶瓷层与金属粘结层的接触面温度进行测量；波长为8-14μm的红外测温仪II适用于检测低温区的温度，因此利用红外测温仪II对YSZ陶瓷层表面进行温度测量，采用不同的红外测温仪测定不同区域的温度，提高了装置的精确度。进一步地，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号，不须从基体侧收集信号，相比常规的热电偶测温方法，对内部有冷却气道的真实带热障涂层高温合金叶片适用性更强。进一步地，热障涂层隔热温度测试过程中，陶瓷隔热层表面的加热可通过燃料与氧气或空气用作助燃剂燃烧形成的高温高速火焰流、高能激光束等多种方式实现；高温合金基体的冷却可通过冷却气流实现；冷却气流不影响测试精度。进一步地，用于测试的带本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：对高温合金基材热障涂层样品的YSZ陶瓷隔热顶层表面进行加热，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却，模拟真实服役环境；/nS2：利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量YSZ陶瓷顶层的表面温度T

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对高温合金基材热障涂层样品的YSZ陶瓷隔热顶层表面进行加热，对该高温合金基材热障涂层样品的高温合金基体面进行冷却，模拟真实服役环境；
S2：利用两个响应波长不同的红外测温仪分别测量YSZ陶瓷顶层的表面温度Ts和YSZ陶瓷层与金属粘接层界面的温度Ti；
S4：计算步骤S2中的Ts与Ti的差值，该差值即为高温合金基材热障涂层的隔热温度。


2.根据权利要求1所述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，其特征在于，步骤S2中，用于测量陶瓷隔热顶层的表面温度Ts的测温仪采用响应波长为长波长的红外测温仪，用于测量陶瓷层与金属粘接层界面的温度Ti的测温仪采用响应波长为近红外至中红外热辐射的红外测温仪。


3.根据权利要求2所述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，其特征在于，用于测温的红外测温仪均从热障涂层陶瓷层表面侧收集红外信号。


4.根据权利要求1所述的热障涂层隔热温度的非接触式无损测试方法，其特征在于，步骤S1中，对高温合金基材热障涂层样品的陶瓷隔热顶层表面进行加热是通过高温高速火焰流加热法或高能激光束加热法对陶瓷顶层表面进行加热实现的。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，雒晓涛，杨冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61