专利名称：一种热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种测试技术领域的装置，特别是一种热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置。
背景技术：
热障涂层一般是由表层陶瓷涂层与中间金属粘结层组成的涂层系统。采用火焰喷涂、等离子喷涂、电子束物理气相沉积等技术，在高温受热部件表面制备热障涂层，利用热障涂层优良的热障作用来保护受热部件基体材料，进而提高受热部件工作温度。热障涂层技术在航空航天、燃气发电等领域广泛应用，目前，热障涂层技术在超高温成形模具方面的应用也有较大进展。国内外文献所述的热导率、结合强度、显微硬度等静态常温理化检测指标，不能真实反映受热部件在高温服役工况下的情况。与之相比，涂层的热障性能可以反映热障涂层对部件金属基体的隔热效果，保证金属基体在可耐受温度范围内工作；涂层的热震性能可以直观反映涂层与金属基体结合强度及涂层自身在冷热交替作用下不破坏的循环次数。热障性能和热震性能是评价热障涂层的重要指标。热障涂层的热障性能是基于表层陶瓷涂层热导率低，能够有效阻碍服役工况下的高温热能传递给部件金属基体，从而保证金属基体温度相对较低，避免出现金属基体过热而引发早期失效，热障性能通常以涂层表面温度与金属基体温度差值作为判定条件。热障涂层的热震性能是从热弹性理论出发，以涂层中的热应力和材料固有强度之间的平衡条件作为涂层热震断裂依据，以抵抗热应力而不破坏的热循环次数作为判定条件。通过热障涂层的热障性能试验，可深入了解热障涂层的隔热效果，进而结合部件工作温度，确定热障涂层是否可满足实际工况热障需求。通过热障涂层的热震性能试验，可考察热障涂层的失效特点及失效机理，对热障涂层的寿命预测提供依据。经对现有技术文献检索发现，热障涂层的热障性能测试试验和热震性能测试试验，都是单独进行的，通常需要两套以上试验装置才能完成试验，不仅耗费更多的时间精力，而且试样热震性能试验过程的温度波动也未能实时记录，对深入分析试样热震失效机理不利。现有技术测试热障涂层热震性能常采用火焰或加热炉加热，冷却方式为试样急速淬水、气冷或空冷，但冷却方式仅限试样涂层表面冷却方式或试样金属基体冷却方式的一种。对用于超高温成形模具上的热障涂层，除采用金属基体冷却外，开模时对模具型腔喷脱模剂时，对涂层表面也有冷却作用。现有技术测试热障涂层热障性能的试验方法，不能完全模拟超高温成形模具热障涂层的服役工况。
发明内容本实用新型的技术问题在于克服已有技术热障涂层热障性能与热震性能不能同时测试以及热震测试试验冷却方式单一的技术不足，克服已有技术不能有效模拟超高温成形模具金属基体和表面涂层均有介质冷却的服役工况，提供一种能高效率完成简单试样热障涂层热障性能与热震性能同步测试试验装置，用于实现热障涂层热障性能与热震性能同步测试，包括加热炉、表面冷却装置、陶瓷堵头、进给机构推杆、测温装置、进给机构主机、基体冷却装置以及控制系统，其特征在于所述加热炉加热管与所述试样端部的陶瓷堵头的均为水平方向且同轴；所述表面冷却装置固定在试样在加热炉外试样停止位置的正上方；所述陶瓷堵头设有内部导流孔，用于导流通过试样的冷却介质；所述试样一端安装了陶瓷堵头，另一端插在进给机构推杆上；试样横断面冷却孔为通孔，并试样横截面中心区阵列分布；试样横断面测温孔设置为半径方向均匀分布； 所述进给机构推杆通过压板固定在进给机构主机的左侧；所述测温装置通过外接热电偶插入所述试样基体内部；所述进给机构主机设置在基体冷却装置的上面；所述基体冷却装置上表面设有冷却液体溢流槽；所述控制系统集成在所述加热炉控制面板上。进一步地，所述的进给机构推杆和进给机构主机设有心部管路，心部管路个数、直径及位置与所述试样的冷却孔和测温孔的个数、直径及位置相一致。进一步地，所述的进给机构主机还装有统计试样进出加热炉次数的计数器。进一步地，所述的测温装置是外接热电偶的温度记录仪，外接的热电偶穿过所述进给机构推杆的心部管路插入所述试样基体内部，热电偶的个数和直径与所述试样测温孔的个数和直径相一致。进一步地，所述的控制系统为PLC控制器。本实用新型可同时获得热障涂层热障性能和热震性能，并且对试样热震性能测试过程的温度变化能够详细记录，有利于更深入分析试样热震失效机理。本实用新型能按需设定对试样加热和冷却方式，从而较真实的模拟热障涂层部件的服役工况，可以更精确的测试热障涂层的质量和预估热障涂层的寿命，从而对高温工况下服役部件的喷涂效果进行有效评估。
图I是本实用新型热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置示意图；图2是本实用新型测试热障涂层热障性能与热震性能所需试样圆棒横断面示意图。其中，附图标记I一加热炉，2—表面冷却装置，3—陶瓷堵头，4一试样，5一进给机构推杆，6—测温装置，7—进给机构主机，8—基体冷却装置，9一控制系统，10、13、14、17—试样测温孔，11、12、15、16—试样冷却孔
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步更详细的描述。在图I中，加热炉I为管式电炉，可精确设定加热区温度，加热管与所述试样4及陶瓷堵头3均为水平方向且同轴，从而保证试验时试样顺利进入加热管并均匀受热。[0027]表面冷却装置2固定在试样在加热炉外试样停止位置的正上方，可根据需要通冷却水或压缩空气等不同冷却介质对试样涂层表面进行冷却。试样4为表面喷涂热障涂层的金属基材圆棒,一端以插入方式安装在进给机构推杆5上，另一端同样以插入方式与起冷却介质导流作用的陶瓷堵头3相配合。图2中试样圆棒横断面冷却孔为通孔，可选择冷却介质从冷却孔11、16输入并从冷却孔12、15输出，或选择其他组合方式输入输出。图2中试样圆棒横断面测温孔设置为试样横断面半径方向均匀分布，可充分保证试验数据准确性和规律性。在实际应用中，可根据需要设置试样4横断面冷却孔和测温孔的位置。进给机构推杆5为表面喷涂热障涂层的钢管，一端用于安装试样4，另一端通过压板连接在进给机构主机7上，在控制系统9指令下靠进给机构主机7驱动前进或后退，对试样主要起传动作用。进给机构推杆5和进给机构主机7还设置与试样4冷却孔及测温孔尺寸和位置一致的心部管路，基体冷却装置8经由进给机构推杆5和进给机构主机7心部管 路将冷却介质传输给试样冷却孔，试样冷却孔传输回来的冷却介质再经由进给机构推杆5和进给机构主机7心部管路回到基体冷却装置8中。进给机构主机7上还设有计数器，用于统计试样4进出加热炉I的次数。测温装置6配有热电偶和温度记录仪，热电偶穿过进给机构推杆5心部管路并插入试样4测温孔。温度记录仪可按设定时间间隔实时记录热电偶测得的试样金属基体温度。基体冷却装置8上表面设有溢流槽，表面冷却装置2对试样4涂层表面采用的冷却介质为液体时，冷却液体可通过所述溢流槽排出。本实用新型的工作原理是参见图1，首先将陶瓷堵头3安装在试样4 一端，再将试样4另一端插在进给机构推杆5上安装好，然后启动加热炉I并在设定温度保温一定时间后，启动基体冷却装置8对试样金属基体通冷却介质进行循环冷却，同时启动测温装置6对金属基体温度实时记录，最后启动进给机构主机7，使试样4在进给机构推杆5传动下进入加热炉I内；当试样4在加热炉I内停留设定时间后，进给机构主机7自动反转，试样4在进给机构推杆5传动下退出加热炉1，启动表面冷却装置2对试样4涂层表面冷却，利用红外测温仪(图中未示出)对试样4涂层表面测温，当试样4冷却至测试需要的温度时关闭表面冷却装置2对试样4涂层表面的冷却；试样4随进给机构推杆5在进给机构主机7驱动下，自动开始进入加热炉1，开始下一个工作循环，直到热障涂层出现表面缺陷，测试停止。下面将结合实施例描述本实用新型测试装置的试验过程。实施例I热障涂层试样具体尺寸为试样外形Φ60X 120mm ;4个冷却孔Φ8X 120mm,孔心距试样中心9mm，按图2方式阵列分布；4个测温孔Φ8X80mm，测温孔孔心距试样中心依次为16mm、28mm、40mm和52mm,按图2方式分布。将陶瓷堵头3安装在热障涂层试样的一端，然后将试样安装在进给机构推杆5上，使试样冷却孔与进给机构推杆5心部管路对应的冷却孔位置一致，并将测温装置6连接的热电偶经由进给机构推杆5心部管路插入试样测温孔10、13、14、17。启动加热炉1，设定加热炉I温度为1500°C并在该温度稳定IOmin后，启动基体冷却装置8对试样金属基体通冷却水进行循环冷却，使冷却水从试样冷却孔11、16输入并从冷却孔12、15输出，同时启动测温装置6对金属基体温度实时记录，最后启动进给机构主机7，使试样4在进给机构推杆5传动下进入加热炉I内；当试样4在加热炉I内停留设定时间5s后，进给机构主机7自动反转，试样4在进给机构推杆5传动下退出加热炉1，启动表面冷却装置2对试样涂层表面通压缩空气冷却，利用红外测温仪(图中未示出)对试样4涂层表面测温，当试样4冷却至测试需要的温度200°C时，关闭表面冷却装置2对试样4涂层表面的冷却；试样4随进给机构推杆5在进给机构主机7驱动下，自动开始进入加热炉1，开始下一个工作循环，直到热障涂层出现表面缺陷，测试停止。试验过程中，测温装置6实时记录了试样4不同位置处的金属基体温度，通过与加热炉I设定的炉温1500°C及试样4出炉冷却后的温度200°C进行对比分析，可获得热障涂层的热障性能。通过进给机构主机7上的计数器读数，可获得工作循环重复的次数，结合试样4热障涂层表面缺陷的显微观测及试样4表面涂层与金属基体温度的变化情况，可获得热障涂层的热震性能。实施例2本实施例与实施例I不同点在于，热障涂层试样外形尺寸为Φ48Χ 120mm,试样测温孔设置3个,测温孔尺寸Φ8Χ80ι πι,测温孔孔心距试样中心依次为16mm、28mm、40mm,测温孔位置分别按图2测温孔13、14、17位置分布。实施例3本实施例与实施例I不同点在于，加热炉I温度设定为1200°C，试样4在加热炉I内停留设定时间IOs ;当试样4冷却至测试需要的温度100°C时，关闭表面冷却装置2对试样4涂层表面的冷却。
权利要求1.一种热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，包括加热炉(I)、表面冷却装置(2)、试样(4)端部的陶瓷堵头(3)、进给机构推杆(5)、测温装置(6)、进给机构主机(7)、基体冷却装置(8)以及控制系统(9)，其特征在于 所述加热炉(I)加热管与所述试样(4)及其端部的陶瓷堵头(3)的均为水平方向且同轴； 所述表面冷却装置(2)固定在试样在加热炉外试样停止位置的正上方； 所述试样(4)端部的陶瓷堵头(3)设有内部导流孔，用于导流通过试样的冷却介质； 所述试样(4) 一端安装了陶瓷堵头(3)，另一端插在进给机构推杆(5)上；试样(4)横断面冷却孔为通孔，并在试样(4)横截面中心区阵列分布；试样(4)横断面测温孔设置为半径方向均匀分布； 所述进给机构推杆(5)通过压板固定在进给机构主机(7)的左侧； 所述测温装置(6)通过外接热电偶插入所述试样(4)基体内部； 所述进给机构主机(7)设置在基体冷却装置(8)的上面； 所述基体冷却装置(8)上表面设有冷却液体溢流槽； 所述控制系统(9)集成在所述加热炉(I)控制面板上。
2.根据权利要求I所述的热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，其特征在于，所述的进给机构推杆(5)和进给机构主机(7)设有心部管路，心部管路个数、直径及位置与所述试样(4)的冷却孔和测温孔的个数、直径及位置相一致。
3.根据权利要求I所述的热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，其特征在于，所述的进给机构主机(7)还装有统计试样进出加热炉次数的计数器。
4.根据权利要求I所述的热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，其特征在于，所述的测温装置(6)是外接热电偶的温度记录仪，外接的热电偶穿过所述进给机构推杆(5)的心部管路插入所述试样(4)基体内部，热电偶的个数和直径与所述试样(4)测温孔的个数和直径相一致。
5.根据权利要求I所述的热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，其特征在于，所述的控制系统(9)为PLC控制器。
专利摘要本实用新型涉及的是一种测试技术领域的装置，特别是一种热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置，包括加热炉、表面冷却装置、试样端部的陶瓷堵头、进给机构推杆、测温装置、进给机构主机、基体冷却装置以及控制系统。本实用新型的同步测试装置可同时获得热障涂层热障性能和热震性能，并且对试样热震性能测试过程的温度变化能够详细记录，有利于更深入分析试样热震失效机理。该同步测试装置能较真实的模拟热障涂层部件的服役工况，可以更精确的测试热障涂层的质量和预估热障涂层的寿命，从而对高温工况下服役部件的喷涂效果进行有效评估。
文档编号G01N25/00GK202735270SQ20122035282
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者陈东, 褚作明, 蔡卫东, 范广宏, 颜昌海, 金康, 王晓辉 申请人:机械科学研究总院先进制造技术研究中心, 南通市众恒熔模铸锻有限公司
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