一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统及方法与流程

本发明涉及热障涂层，尤其涉及一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统及方法。

背景技术：

1、应用在航空发动机涡轮叶片等关键部位上的热障涂层体系，长时间处于燃气热充气、离心力、气膜冷却等极端环境下时，会因为热失配、界面氧化、腐蚀渗透等作用造成内部出现裂纹。如何对热-力-氧耦合环境下热障涂层内部的裂纹萌生与扩展进行无损检测，是研究热障涂层在极端环境下剥落机制的前提。

2、目前，国内外已经有学者采用基于高温炉加热与声发射技术联用的方式，实现了高温循环加热条件下热障涂层裂纹萌生及扩展模式的无损检测。但是这种检测方式采用传统热循环的高温炉加热，其加热温升率较低，不能满足高温升率下的加热；同时实验中必须使热障涂层试件从高温炉中反复多次进出，实验流程繁琐，且易对声发射检测装置带来噪声，进而影响检测精度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有基于高温炉加热与声发射技术的热障涂层无损检测存在的高温炉加热温升率较低、实验流程繁琐以及易对声发射检测装置带来噪声影响检测精度的技术问题，而提供一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统及方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

3、一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统，所述热障涂层试件为十字形热障涂层试件，包括中心区域以及连接在中心区域水平方向和竖直方向的四个加载臂，其特殊之处在于，包括双向四缸试验机、激光器、声发射检测单元、非接触式应变测量单元、温度采集单元以及分析单元；

4、所述双向四缸试验机所述双向四缸试验机，用于向热障涂层试件的四个加载臂施加双向预应力；热障涂层试件的中心区域位于激光器的出光光路上，用于通过激光对热障涂层试件的中心区域进行加热；

5、所述声发射检测单元包括四个声发射传感器和声发射仪；四个声发射传感器分别设置在热障涂层试件的四个加载臂上；所述声发射仪的输入端分别与四个声发射传感器的输出端连接，用于采集热障涂层试件在作动器施加预应力时的声发射信号；

6、所述非接触式应变测量单元包括相机、滤光片以及应变处理模块；所述相机位于热障涂层试件远离激光器的一侧，用于采集热障涂层试件远离激光器一侧在不同加热温度下的散斑图像；所述滤光片设置在相机前端，用于滤除热障涂层试件表面高温辐射和加热激光杂散光对相机成像的干扰；所述应变处理模块的输入端连接相机的输出端，用于根据采集的散斑图像获取激光加热过程中热障涂层试件表面的应变；

7、所述温度采集单元，用于采集热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的温度；

8、所述分析单元的输入端分别连接声发射仪、应变处理模块以及温度采集单元的输出端，用于根据获得的热障涂层试件在加载过程中的声发射信号、激光加热过程中热障涂层试件表面的应变以及热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的温度变化，对热障涂层试件的内部裂纹进行无损检测。

9、进一步地，所述双向四缸试验机包括水平框架、与水平框架垂直交叉设置的竖直框架、分别设置在水平框架两端和竖直框架两端的四个缸体、四个作动器和四个夹具；

10、四个作动器一端分别与四个缸体靠近中心的一端连接，另一端分别与四个夹具连接；四个夹具分别夹持热障涂层试件的四个加载臂的端部；四个缸体分别通过四个作动器同时对热障涂层试件的四个加载臂施加双向预应力。

11、进一步地，还包括第一准直透镜、扩束透镜以及第二准直透镜；

12、所述第一准直透镜、扩束透镜以及第二准直透镜依次设置在激光器的出射光路上，激光器的出射光依次经第一准直透镜、扩束透镜以及第二准直透镜准直和扩束后形成平顶激光；

13、所述热障涂层试件的中心区域位于平顶激光的光路上，用于通过平顶激光对热障涂层试件的中心区域进行加热。

14、进一步地，所述温度采集单元包括两个双色测温计和两个红外热像仪；

15、一个双色测温计和红外热像仪位于热障涂层试件靠近激光器的一侧，另一个双色测温计和红外热像仪位于热障涂层试件远离激光器的一侧，用于通过两侧的红外热像仪采集热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的温度，并通过双色测温计对相应红外热像仪采集的温度进行标定和校准；

16、所述红外热像仪的测温量程为0℃～650℃；

17、所述双色测温计的量程范围为300℃～3000℃。

18、进一步地，所述热障涂层试件四个加载臂端部的外壁上分别设置有加强片，四个夹具通过加强片夹持热障涂层试件四个加载臂的端部。

19、本发明还提供了一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

20、1】搭建上述的一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统；

21、2】在热障涂层试件远离激光器一侧的中心区域制备高温散斑，并将制备了高温散斑的热障涂层试件加持于试验机的四个夹具上；

22、3】通过作动器对热障涂层试件施加一定载荷的双向预应力，同时启动声发射仪对热障涂层试件在作动器施加预应力时的声发射信号持续进行采集；通过激光器对热障涂层试件中心区域进行加热，同时在热障涂层试件表面施加切向气流；

23、4】通过温度采集单元采集热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的实时温度，同时通过相机采集加热过程中热障涂层试件远离激光器一侧中心区域的散斑图像，并将采集结果送入应变处理模块进行处理，获得激光加热过程中热障涂层试件表面的应变；

24、5】通过步骤3采集的声发射信号，对热障涂层试件的损伤模式进行分析和判断；同时，结合步骤4获得的激光加热过程中热障涂层试件表面的应变和热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的实时温度，对不同温升历程下的热障涂层损伤程度进行表征，完成热障涂层试件在热力氧耦合环境下的损伤性能检测。

25、进一步地，步骤3中，通过激光器对热障涂层试件中心区域进行加热具体为：

26、打开激光器，以恒定功率的出射激光对热障涂层试件中心区域均匀加热，直至达到设定的辐照时间或者温度。

27、进一步地，步骤3中，通过激光器对热障涂层试件中心区域进行加热具体为：

28、通过激光器的出射激光对热障涂层试件中心区域均匀加热，加热至设定温度后停止激光出光，待温度降低至室温，再次通过出射激光对热障涂层试件中心区域加热至设定温度，反复循环直至达到设定次数。

29、进一步地，步骤5具体为：

30、5.1】将步骤3中采集的声发射信号中最大响应时间大于l/v的声发射信号进行滤除，其中l表示声发射传感器到热障涂层试件中心的距离，v表示声发射信号在热障涂层试件上的传播速度；

31、5.2】对滤除后的声发射信号进行傅里叶变换，并将经傅里叶变化后的声发射信号与聚类信号比较，判断声发射信号所对应热障涂层试件的失效类型，获得声发射信号所对应热障涂层试件的损伤模式；

32、5.3】通过下式获得不同温升历程下的热障涂层损伤程度η(t)：

33、η(t)＝ε0/ε(t)

34、其中，ε0为施加载荷后初始阶段热障涂层试件表面的应变，ε(t)为激光加热过程中热障涂层试件表面的应变，t为热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的实时温度。

35、进一步地，步骤3中，激光器的出光功率pt通过下式计算：

36、pt＝αp0

37、其中，p0表示拟模拟的热流强度；α表示热障涂层试件表面对激光能量的吸收系数；

38、在热障涂层试件表面施加的切向气流流速vt通过下式计算：

39、vt＝ρ0v0/ρt

40、其中，v0表示拟模拟的目标气流流速，ρ0表示拟模拟的目标气流密度，ρt表示在热障涂层试件表面施加的切向气流密度。

41、本发明相比于现有技术的有益效果如下：

42、1、本发明提供的一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统，以激光加热源模拟特定热流对涂层的热冲击效应，以双向四缸试验机作为力学加载装置对涂层施加双向载荷，同时采用声发射技术对热障涂层试件的损伤模式进行分析和判断，再结合激光加热过程中热障涂层试件表面的应变和热障涂层试件前后表面在激光加热过程中的实时温度对热障涂层试件的损伤程度(内部裂纹的萌生与演化)进行实时表征，最终实现对热障涂层在复杂极端高温热-力-氧耦合工况下的内部裂纹的无损检测，其具有加热温度高，温升率高，获取效应数据高效的优点，对热障涂层在高温下的工程应用具有重要意义。

43、2、本发明提供的一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测系统，可以通过同一套检测系统开展恒定热流加热实验和模拟热循环实验下的热障涂层内部裂纹的无损检测。

44、3、本发明提供的一种热障涂层热力氧耦合环境损伤性能检测方法，简单方便且测量精度高，可以广泛应用在航空航天工业领域。