[发明专利]一种振动热冲击耦合的服役工况加载系统和方法

说明书

一种振动热冲击耦合的服役工况加载系统，包括：夹具(1)，设置有卡槽，用于固定涡轮叶片(100)；所述卡槽设置有多个，以使所述涡轮叶片(100)与所述夹具(1)呈预设角度设置；振动加载装置，与所述夹具(1)固定连接，用于带动所述夹具(1)上的所述涡轮叶片(100)振动；喷枪，用于喷射高温气体，以对所述涡轮叶片(100)加载热冲击工况；喷枪移动装置(3)，用于移动所述喷枪，以使所述喷枪喷射高温气体的方向，与所述涡轮叶片(100)的叶身垂直。本发明的服役工况加载系统能够准确模拟涡轮叶片在不同服役环境下的失效机理。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，特别涉及一种振动热冲击耦合的服役工况加载系统和方法。

背景技术

航空发动机被誉为飞机的“心脏”，对航空航天工业的发展起着决定性的作用。发动机的关键参数是其推重比，以第一代战斗机F86和第四代战机F22为例，其发动机的推重比已从小于2发展到大于10，显然，提高航空发动机的推重比是提高发动机性能和效率的必然措施和必然趋势。随着推重比的提高，发动机的燃气进口温度不断提高，到第四代战斗机时，航空发动机的燃气进口温度已经达到了1700℃左右。燃气进口温度的大幅提升无疑对发动机热端部件即涡轮叶片材料提出了更高的要求。为了满足涡轮叶片的使用要求,各国先后研制出一系列用于涡轮叶片的超级高温合金材料，目前先进镍基高温单晶的使用极限温度为1150℃，显然单独使用高温金属合金材料技术已不能满足先进航空发动机迅速发展的迫切要求。早在1953年美国的NASA中心提出了热障涂层的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。这一概念提出以后，立即引起了世界各国国防部门、高校和研究机构的高度关注，在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中，均把热障涂层技术列为高性能航空发动机的关键技术之一。而且认为，采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度最切实可行的方法。

热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面。热障涂层对于基底材料起到隔热作用，其可降低基

底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，具有熔点高、热传导率低、耐腐蚀性、抗热震的特点。高温服役过程中，热障涂层可保护高温基底、提高热机温度和热效率，从而被广泛应用于航空、化工、冶金和能源领域。

然而，在实际应用的过程中，由于材料参数不匹配及热残余应力、陶瓷材料的高温烧结效应、高温界面氧化等的影响，涂层内部易出现裂纹，而涡轮叶片热障涂层在服役中不可避免的会由于转子不平衡、啮合不稳定以及气动载荷等因素发生低频或高频振动，涂层内部裂纹在高频振动下将快速扩展和剥落。而一旦涂层剥落，基底金属部件就会暴露在高温环境下，其后果是非常严重的。

因此，研究因此研究高温环境下叶片振动导致热障涂层失效的机理是非常重要的，不仅可以用于分析热障涂层剥落失效过程和原因，也可用于涂层设计，延长涂层产生微裂纹后的服役时间，促进我国航空发动机热障涂层的发展。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种能够准确模拟涡轮叶片在不同服役环境下的失效机理的服役工况加载系统和方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种振动热冲击耦合的服役工况加载系统，包括：夹具，设置有卡槽，用于固定涡轮叶片；所述卡槽设置有多个，以使所述涡轮叶片与所述夹具呈预设角度设置；振动加载装置，与所述夹具固定连接，用于带动所述夹具上的所述涡轮叶片振动；热冲击加载装置，用于喷射高温气体，以对所述涡轮叶片加载热冲击工况；移动装置，用于移动所述热冲击加载装置，以使所述热冲击加载装置喷射高温气体的方向，朝向所述涡轮叶片的前缘。