[发明专利]一种用于测量热障涂层系统表面裂纹扩展速率的原位装置

说明书

本发明公开了一种用于测量热障涂层系统表面陶瓷层裂纹扩展速率的原位装置，该装置包括计算机(101)、基体(102)、粘结层(103)、氧化铝薄膜(104)、陶瓷层(105)、加热板(106)、固定板(107)、电阻应变片(108)和采集卡(109)；通过该装置保证热障涂层系统表面陶瓷层裂纹扩展速率测量实验过程中可以改变热障涂层系统温度，实时监测裂纹扩展过程中的扩展速率，该装置结构简单，操作方便。

技术领域

本发明涉及一种用于测量热障涂层系统表面裂纹扩展速率的原位装置，通过该装置保证在裂纹扩展速率测量实验过程中可以改变热障涂层系统加热温度，检测式样升温-保温-降温过程中陶瓷层表面的裂纹扩展速率，属于试样力学性能实验技术领域。

背景技术

热障涂层系统由于其良好的热防护作用被引入到工程应用中，其主要的原理是最外层的陶瓷材料低的热传导率对热量的阻碍作用，保护叶片避免直接和高温环境接触。然而陶瓷层表面的裂纹扩展和联结容易导致陶瓷层从叶片脱落下来失去热防护作用，使叶片处于高温、高氧的环境中，缩短了叶片的使用寿命。造成陶瓷层表面裂纹出现的因素很多，主要包括：其一，大气等离子喷涂技术将融化的陶瓷颗粒喷涂在叶片时，受喷枪的移动速度、颗粒的融化程度、喷射的角度等喷涂工艺参数的影响，导致表面产生微观裂纹。其二，在热循环作用下，快速的升温和降温容易产生垂直裂纹面的方向拉伸力，导致裂纹垂直扩展。其三，热障涂层系统是多种材料的复杂结构系统，材料之间的热物性参数主要包括热膨胀系数、弹性模量等不同，因此在加热和冷却过程中各层之间的变形不同，会产生层与层之间的拉伸或压缩作用，加速或减缓裂纹的扩展。裂纹的产生和扩展加速了陶瓷层从叶片上脱落的速度，而裂纹的扩展速率又受温度的影响，因此对于陶瓷层表面的裂纹扩展速率的测量常规试验装置很难实现，所以设计一套针对于可以控制温度实时测量试样力学性能的装置迫在眉睫。

发明内容

为了改善上述问题，本发明的目的在于提供一种用于测量热障涂层系统表面陶瓷层裂纹扩展速率的装置，通过该装置保证在裂纹扩展速率测量实验过程中可以改变热障涂层系统温度，实时测量裂纹扩展长度，通过模拟信号的转换将裂纹扩展长度信号转化成计算机可以处理的电压信号，从而得到裂纹扩展速率曲线图。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于测量热障涂层系统陶瓷层表面裂纹扩展速率的原位装置，该装置保证裂纹扩展速率测量实验过程中能够改变热障涂层系统温度，无损伤检测式样升温-保温-降温过程中的裂纹扩展速率；该装置包括计算机(101)、基体(102)、粘结层(103)、氧化铝薄膜(104)、陶瓷层(105)、加热板(106)、固定板(107)、电阻应变片(108)和采集卡(109)；

基体(102)、粘结层(103)、氧化铝薄膜(104)、陶瓷层(105)、加热板(106)由内到外布置在固定板(107)上；

所述计算机(101)独立存在基体(102)的左侧；所述基体(102)的外壁喷涂形成粘结层(103)；所述粘结层(103)表面溅射形成氧化铝薄膜(104)；所述氧化铝薄膜(104)表面喷涂形成陶瓷层(105)；所述加热板(106)在陶瓷层(105)表面通过拉簧固定；所述基体(102)内壁与固定板(107)圆柱过盈配合；所述电阻应变片(108)通过粘结胶粘贴在陶瓷层(105)表面，两个电阻应变片(电阻分别为R1、R4)对称分布；所述采集卡(109)独立于计算机(101)和固定板(107)之间。

在实验过程中，首先将基体(102)、粘结层(103)、氧化铝薄膜(104)和陶瓷层(105)组合结构安装在固定板(107)中，然后将两个电阻应变片(108)对称贴在陶瓷层表面，将电阻应变片(108)通过连接线与采集卡(109)内的两补偿电阻(R2、R4)共同形成惠斯登电桥，将加热板(106)通过拉簧固定在陶瓷层(105)表面，加热板(106)设置指定温度，热障涂层系统受热存在热应力而发生变形，陶瓷层表面裂纹在热载荷下发生扩展，裂纹扩展引起应变片电阻的变化，实现应变信号转化为电阻信号，电阻信号通过惠斯登电桥转化为电压信号，