多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置的制作方法

本发明属于燃烧发动机涂层火焰热冲击考核，具体涉及一种多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置。

背景技术：

1、热障涂层是目前高性能航空发动机中燃烧室、前级涡轮叶片等热端部件上必须使用的防护涂层，其早已被各国航空发动机部门列为航空发动机高温热防护的关键技术。另外，在发电用工业燃气涡轮上也使用了热障涂层以提高涡轮进口温度和燃油经济性。随着对航空发动机推重比和燃气涡轮燃油效率提升的需求不断增加，对热障涂层的使用率和需求也相应逐步攀升。在热障涂层的实际应用过程中，发动机内的长时间高温、冷热循环以及空气中的腐蚀颗粒(多以钙、镁、铝、硅的氧化物为主，以下简称cmas)会对涂层造成持续破坏。

2、热障涂层的热冲击性能，作为其寿命模拟考核的关键指标是评判热障涂层优劣的可靠依据。目前，国内也已有多家单位具备了对热障涂层热冲击性能进行考核的能力。考核的方式均为利用丙烷或航空煤油等可燃物的燃烧热、火焰束流的冲刷以及压缩空气对热障涂层试片进行热冲击考核。更进一步地，也有些考核装置具备cmas复合热冲击功能。具体而言，目前的热冲击设备中的火焰焰流均采用水平方向，由于水平火焰尾部焰流上飘，考核试片表面温度均匀度不足。尤其是在较低温(如1200℃)考核工况下焰流流速较慢时，焰流上飘更为严重。有些设备中多个考核工位的排列方式为线性直列，这种情况下，一支火焰喷枪只往返作用于一个或两个试片工位，火焰喷枪或试片工位的加热或冷却误差持续累积，易造成考核结果偏差。cmas则常以粉末或悬浮液滴状态输送到火焰射流中，但在火焰射流中加入cmas腐蚀料的方式无法满足冷态过程中添加cmas腐蚀料的需求。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有考核装置因其固有设备构造或实现方式不可避免地存在温度均匀性不足、累计误差大的问题，提出一种多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置。

2、为实现上述目的，本发明提出的多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置技术方案，具体为：该装置包括工作平台、试片工装、火焰喷枪、红外温度监测系统、冷却系统、动力驱动系统、cmas喷涂系统以及控制系统，所述工作平台被平分为多个扇形区域，每个扇形区域作为一个加热区域或冷却区域，加热区域和冷却区域交替分布。工作平台上还设有固定架用于固定试片工装的垂直主轴，垂直主轴径向连接多个试片工位和挡板，在加热区域设置有对应孔位，用于放置火焰喷枪和红外温度监测系统，火焰喷枪的火焰垂直向上，其产生的高温焰流用于对试片涂层面直接加热，试片工装位于工作平台上方，动力驱动系统位于工作平台下方，其与试片工装的垂直主轴相连，用于驱动试片工装做间歇性回转运动以完成工位切换，冷却系统的喷头位于工作平台上方，冷却系统的冷却介质为气体，其包含直接作用于试片涂层面的正面冷却和作用于试片背面的背面冷却，工作平台的冷却区域还开有孔位用于放置cmas喷涂系统的喷嘴，cmas喷涂系统的喷射方向垂直向上，可将cmas腐蚀料喷涂在其中一个试片表面，控制系统则用于完成对加热时间、冷却时间、工位切换功能的控制，试片的加热和冷却可同时在各自区域上进行，在一次加热或冷却完成后，动力驱动系统驱动试片工装切换到相邻工位进行冷却或加热，直至完成所需冷热循环数。

3、作为优选，每一个试片工位上都可安装一个试片用于热冲击考核，火焰喷枪数量为试片工位数的一半，每一支火焰喷枪均可单独调控燃烧介质的流量，红外温度监测系统数量为试片工位的一半，位于加热区域，其可调整不同红外发射率。

4、作为替代调节方式，上述燃烧介质的流量也可受试片温度反馈调节。

5、作为优选，试片涂层面的冷却系统的喷头数量为试片工位数的一半，位于冷却区域，试片背面的冷却系统的喷头数量和试片工位数量一致。

6、上述cmas腐蚀料配置成悬浮液，配制方法为：容器中加入100g cmas粉末、30ml乙酰丙酮和170ml去离子水，配比完成后充分搅拌。

7、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

8、1，竖直状态的焰流可避免焰流尾部的上飘对试片表面加热温度均匀性的影响，可使得试片表面上不同位置的涂层处于同一考核环境；

9、2，呈圆周排列的多个考核工位配合回转动力系统可消除火焰喷枪和试片之间绑定的对应关系，从而可避免在成百上千次的考核中多个火焰喷枪或冷却工位上加热或冷却差异性的累计误差。

10、3，本发明的cmas悬浮液喷射系统位于冷却工位，而传统设备中cmas腐蚀料常加入在火焰射流中，相较而言本发明采用的方式可避免因高温造成的cmas出口堵塞，也可避免cmas腐蚀直接喷在火焰枪嘴附近，造成枪嘴堵塞。

技术特征：

1.多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，其特征在于，该装置包括工作平台、试片工装、火焰喷枪、红外温度监测系统、冷却系统、动力驱动系统、cmas喷涂系统以及控制系统，所述工作平台被平分为多个扇形区域，每个扇形区域作为一个加热区域或冷却区域，加热区域和冷却区域交替分布，工作平台上还设有固定架用于固定试片工装的垂直主轴，垂直主轴径向连接多个试片工位和挡板，在加热区域设置有对应孔位，用于放置火焰喷枪和红外温度监测系统，火焰喷枪的火焰垂直向上，其产生的高温焰流用于对试片涂层面直接加热，试片工装位于工作平台上方，动力驱动系统位于工作平台下方，其与试片工装的垂直主轴相连，用于驱动试片工装做间歇性回转运动以完成工位切换，冷却系统的喷头位于工作平台上方，冷却系统的冷却介质为气体，其包含直接作用于试片涂层面的正面冷却和作用于试片背面的背面冷却，工作平台的冷却区域还开有孔位用于放置cmas喷涂系统的喷嘴，cmas喷涂系统的喷射方向垂直向上，可将cmas腐蚀料喷涂在其中一个试片表面，控制系统则用于完成对加热时间、冷却时间、工位切换功能的控制，试片的加热和冷却可同时在各自区域上进行，在一次加热或冷却完成后，动力驱动系统驱动试片工装切换到相邻工位进行冷却或加热，直至完成所需冷热循环数。

2.根据权利要求1所述的多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，其特征在于每一个试片工位上都可安装一个试片用于热冲击考核，火焰喷枪数量为试片工位数的一半，每一支火焰喷枪均可单独调控燃烧介质的流量，红外温度监测系统数量为试片工位的一半，位于加热区域，其可调整不同红外发射率。

3.根据权利要求2所述的多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，其特征在于所述燃烧介质的流量也可受试片温度反馈调节。

4.根据权利要求1所述的多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，其特征在于试片涂层面的冷却系统的喷头数量为试片工位数的一半，位于冷却区域，试片背面的冷却系统的喷头数量和试片工位数量一致。

5.根据权利要求1所述的多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，其特征在于所述cmas腐蚀料配置成悬浮液，配制方法为：容器中加入100g cmas粉末、30ml乙酰丙酮和170ml去离子水，配比完成后充分搅拌。

技术总结
本发明公开了多工位热障涂层抗火焰热冲击考核装置，包括工作平台、试片工装、火焰喷枪、红外温度监测系统、冷却系统、动力驱动系统、CMAS喷涂系统以及控制系统。工作平台被平分为多个扇形区域，每个扇形区域作为一个加热区域或冷却区域，加热区域和冷却区域交替分布。在加热区域设置火焰喷枪和红外温度监测系统，火焰喷枪的火焰垂直向上，其产生的高温焰流用于对试片涂层面直接加热，试片工装位于工作平台上方。位于冷却区域的CMAS喷涂系统的喷射方向垂直向上，可将CMAS腐蚀料喷涂在其中一个试片表面。本发明可消除火焰喷枪和试片之间绑定的对应关系，避免了多个火焰喷枪或冷却工位上加热或冷却差异性的累计误差，又可避免因高温造成的CMAS出口堵塞。

技术研发人员：谢志航,钱凌翼,姚涛
受保护的技术使用者：无锡乘风航空工程技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5