一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统

摘要

本申请公开了一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统，包括热辐射件，高频感应加热炉，所述高频感应加热炉包括围绕所述热辐射件设置的感应加热铜管，工业冷水机，空气压缩机，PLC控制器，测温装置，全场应变仪。通过本发明的技术方案，能够利用高频感应加热间接给陶瓷基复合材料结构件加热，自动控制试验过程中的加热速度、保温温度、冷却时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统，属于陶瓷基复合材料试验技术领域。

背景技术

陶瓷材料具有耐高温、密度低、耐腐蚀、硬度高等诸多优点。但它的脆性却是制约结构陶瓷材料推广应用的一个重要缺点。研究人员已经对陶瓷增韧方法进行过大量研究。目前常见的增韧方法包括短纤维增强(晶须增强)、层状增韧和连续纤维增韧。常用增韧纤维包括玻璃纤维、高模量碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。经过增韧而形成的陶瓷基复合材料(CMC)具有更高的可靠性，不容易发生脆断现象。

在航空发动机中，陶瓷基复合材料可用在多种热端静子部件上，例如火焰筒、涡轮导叶、涡轮外环、尾喷管等。陶瓷基复合材料的应用前景非常广泛，但是要将其应用在航空发动机上，还必须对其进行深入研究，按照常规材料的特性，需要对CMC做一系列的基础性研究，需要进行大量重复性试验来进一步研究CMC的力学特性和失效机理等，这其中就包括CMC热疲劳试验。

在对CMC进行热疲劳试验时，需对CMC进行加热、温度控制、温度测量、应变测量。

1.加热

目前试验研究中主流的加热方法包括以下几种：

(1)高温箱式电阻炉加热：该设备可以在一个封闭的空间内提供高温。但是，高温箱式电阻炉只能提供均匀的温度场，而且高温电炉的炉膛是封闭的，无法通冷气对试验件进行局部降温冷却，而且也不方便测量温度以及实时观测试验过程。

(2)火焰加热：火焰加热可以给试验件提供较高的温度，但不能精确控制温度场，且试验件处于封闭的试验台上，对于试验件的应变测量增加了难度，而且这种加热方式成本昂贵。

(3)电磁感应加热：电磁感应加热一般是针对金属材料的加热方式，通过高频变化的磁场产生涡电流加热试验件，可通过调整铜线圈尺寸大小和形状以及与试验件之间的间距达到控制温度场的目的，并且可以在径向设置多个线圈实现径向温度场的加载。但高频感应加热只适用于为导电性材料加热，无法直接对不导电的CMC材料进行加热，可通过设计耐高温的金属夹具，该夹具可通过感应方式进行加热，然后利用热辐射加热CMC试验件。

2.测温

测温的传统方法通常包括红外测温法和热电偶法两种：

(1)红外测温法可以在不接触试验件的情况下测得试验件表面的温度，对试验条件基本没有影响。但红外测温法需要材料的发射系数，而CMC作为一种新材料，暂时没有发射系数的数值，不能用红外测温法准确测得CMC表面的温度。

(2)传统的热电偶法主要包括焊接法和机械固定法。点焊法利用高电压放电把热电偶的头部固定在试验件表面上，要求试验件导电，否则无法焊接，而CMC材料不是导体，因此无法使用电焊法固定热电偶。机械固定法通常需要在试验件上打孔或通过外力将热电偶固定在试验件上，可能会对热疲劳试验结果造成影响。

3.应变测量

应变测量方式主要有两种：接触式测量和非接触式测量。

接触式测量主要指的是粘贴应变片进行测量。如果采用粘贴应变片法测量，在测量之前要花大量时间对试验件表面进行打磨粘贴，但只能获得单点一个方向的应变，效率很低且成本，不适合本试验。

非接触式测量可以一次完成对试验件各个方向应变的测量，只要可以清晰地拍摄到散斑图片和校正图片就可进行应变测量，测量范围大，测量精度好。

目前针对CMC材料的热疲劳试验主要采用电阻炉加热法和火焰加热法。德国的M.Dilzer等人对三层陶瓷导叶(带有金属芯和绝热层)进行了热疲劳试验，先将叶片在温度为1323K的电阻加热炉中加热直到温度恒定，然后通过传动装置，将叶片快速送到试验装置下方温度为293K压力为1MPa的冷却气流中，同时通过红外辐射热像仪测量温度变化。该试验过程中，试验件在电阻炉中加热，只能保证试验件是恒温的，不能构造试验件温度场，且使用红外测温仪测量温度不准确。美国NASA格林研究中心的Michael Verrilli等完成了SiC_f/SiC陶瓷基复合材料与高温合金材料导叶的热疲劳对比试验。该试验方案通过燃烧产生的高温燃气给试验件加热，该方案同样无法精确构件试验件表面温度场，且燃气加热有成本高、污染大的缺点。

发明内容

为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，根据本发明的一个方面，提供了一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统，包括与所述陶瓷基复合材料结构件平行间隔设置并固定连接的热辐射件，所述陶瓷基复合材料结构件具有固定端和试验端，所述热辐射件具有固定端和热辐射端，所述热辐射端各处的厚度基本相等；用于加热所述热辐射件的高频感应加热炉，所述高频感应加热炉包括围绕所述热辐射件设置的感应加热铜管，所述感应加热铜管具有入口和出口；用于冷却所述感应加热铜管的工业冷水机，所述工业冷水机的入水口和出水口分别与所述感应加热铜管的出口和入口连接；用于冷却所述陶瓷基复合材料结构件的空气压缩机，所述空气压缩机包含至少一个吹气管；PLC控制器，包括与所述高频感应加热炉电连接的加热模块、与所述工业冷水机电连接的第一冷却模块、与所述空气压缩机关联的第二冷却模块以及测温模块；与所述测温模块电连接的测温装置，包括通过高温无机胶固定连接于所述陶瓷基复合材料结构件的S型热电偶以及测量所述热辐射件的温度的红外测温仪；用于测量所述陶瓷基复合材料结构件的应变的全场应变仪。

在一些实施例中，所述陶瓷基复合材料结构件为编织SiC_f/SiC复合材料，所述热辐射件的材料为GH4169。

在一些实施例中，所述感应加热铜管为外径8mm，管壁厚1.5mm的紫铜铜管。

在一些实施例中，所述工业冷水机中冷却水的压力大于0.6MPa，流量大于0.6L/min，温度小于45℃。

在一些实施例中，所述空气压缩机为空气无油压缩机，所述空气压缩机在试验过程中不断电，所述空气无油压缩机的工作气压为0.5-0.7MPa。

在一些实施例中，所述S型热电偶的材料为铂铑10合金和铂，所述高温无机胶的线性膨胀系数约1.2×10^-5/K。

在一些实施例中，所述红外测温仪的测温范围为0-1600℃，所述全场应变仪为VIC-3D HS全场应变仪。

在一些实施例中，所述热辐射件与所述陶瓷基复合材料结构件之间的距离为2mm-5mm，所述感应加热铜管与所述热辐射件之间的距离为5mm-15mm，所述热辐射件的厚度为1mm-3mm。

在一些实施例中，所述陶瓷基复合材料结构件的固定端与所述热辐射件的固定端之间设置有高温金属垫片，并且通过高温合金夹具固定连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验方法，包括如下步骤：

a.将所述陶瓷基复合材料结构件的试验端与热辐射件的各处厚度基本相等的热辐射端平行间隔设置，并将所述陶瓷基复合材料结构件的固定端与所述热辐射件的固定端固定连接；

b.将高频感应加热炉的感应加热铜管围绕所述陶瓷基复合材料结构件的试验端和所述热辐射件的热辐射端设置；

c.将工业冷水机的入水口和出水口分别与所述感应加热铜管的出口和入口连接，将空气压缩机的至少一个吹气管正对所述陶瓷基复合材料结构件的试验端设置；

d.开启空气压缩机和所述工业冷水机，待所述工业冷水机运行5-7分钟，以及所述空气压缩机的工作气压达到0.5-0.7MPa后，开启所述高频感应加热炉开始加热，直到所述陶瓷基复合材料结构件达到第一温度460-490℃；

e.通过PLC控制器控制所述第一温度的保温时间为45秒；

f.所述PLC控制器根据实时监测到的红外测温仪的温度，控制所述高频感应加热炉加热，加热时间为20秒，加热速率20-22℃/s，直到所述陶瓷基复合材料结构件达到第二温度850-920℃；

g.通过所述PLC控制器控制所述第二温度的保温时间为45秒；

h.所述PLC控制器根据实时监测到的所述红外测温仪的温度，通过控制电磁阀来控制所述空气压缩机冷却所述陶瓷基复合材料结构件，冷却时间为20秒，冷却速率20-22℃/s，直至所述陶瓷基复合材料结构件的温度降到所述第一温度；

i.重复e-h步骤，当所述陶瓷基复合材料结构件出现10mm以上宏观裂纹或剥落，终止试验；或经过1000次循环后，所述陶瓷基复合材料结构件没有出现10mm以上宏观裂纹或剥落，终止试验；

j.通过全场应变仪测量所述陶瓷基复合材料结构件的应变。

通过上述技术方案，可精确控制陶瓷基复合材料结构件表面温度分布及变化、实现加热、保温、冷却的自动控制，温度变化范围为室温-1200℃，并可在试验过程中实时监控陶瓷基复合材料结构件表面温度场、应变场情况。

本发明优点如下：(1)采用高频感应加热，通过热辐射件间接给陶瓷基复合材料结构件加热，解决了高频感应加热不能直接给陶瓷基复合材料结构件加热的问题，能够通过调整热辐射件的形状、感应加热铜管的大小、匝数与形状精确控制陶瓷基复合材料结构件温度场，并能够通过调节高频感应加热炉的功率参数控制加热速度和保温温度；(2)采用压缩机提供的冷却气体冷却陶瓷基复合材料结构件，冷却速度较快、使用多个气管时冷却较均匀；(3)试验环境不封闭，可用全场应变仪进行实时应变测量；(4)相比其他试验系统，采用高频感应加热成本更低、更环保。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统结构图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的陶瓷基复合材料结构件热疲劳试验系统结构图。如图所示一种陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统，包括与陶瓷基复合材料结构件平行间隔设置并固定连接的热辐射件，陶瓷基复合材料结构件具有固定端和试验端，热辐射件具有固定端和热辐射端，热辐射端各处的厚度基本相等；用于加热热辐射件的高频感应加热炉，高频感应加热炉包括围绕热辐射件设置的感应加热铜管，感应加热铜管具有入口和出口；用于冷却感应加热铜管的工业冷水机，工业冷水机的入水口和出水口分别与感应加热铜管的出口和入口连接；用于冷却陶瓷基复合材料结构件的空气压缩机，空气压缩机包含至少一个吹气管；PLC控制器，包括与高频感应加热炉电连接的加热模块、与工业冷水机电连接的第一冷却模块、与空气压缩机关联的第二冷却模块以及测温模块；与测温模块电连接的测温装置，包括通过高温无机胶固定连接于陶瓷基复合材料结构件的S型热电偶以及测量热辐射件的温度的红外测温仪；用于测量陶瓷基复合材料结构件的应变的全场应变仪。

影响陶瓷基复合材料结构件表面温度场和加热速度的因素有很多，首先是热辐射件与陶瓷基复合材料结构件之间的距离，通过影响热辐射件对陶瓷基复合材料结构件的辐射换热影响温度场和加热速度，热辐射件与陶瓷基复合材料结构件之间越近加热温度越高速度越快；其次是感应加热铜管和热辐射件之间的距离，通过影响热辐射件的电磁感应强度影响温度场和加热速度，感应加热铜管距离热辐射件越近，热辐射件附近交变电磁场强度越高、陶瓷基复合材料结构件表面温度越高、加热速度越快；第三是热辐射件的厚度，根据电磁感应原理，感应电动势的大小与磁感应线正对面积成正比，即基本与热辐射件的水平截面上的面积成正比，热辐射件的水平截面的面积越大，加热温度越高、加热速度越快。根据以上三个因素分别调整感应加热铜管、热辐射件与陶瓷基复合材料结构件的位置，感应加热铜管和热辐射件之间的距离为5mm-15mm，热辐射件与陶瓷基复合材料结构件之间的距离为2mm-5mm，但由于热辐射件水平截面厚度变化太大，导致轴向不同位置温差过大，因此改进热辐射件，使得热辐射件的热辐射端各处的厚度基本相等，热辐射件的厚度为1mm-3mm，经过设计和大量计算、并经实验验证，感应加热铜管和热辐射件之间的距离、热辐射件与陶瓷基复合材料结构件之间的距离、热辐射件的厚度三者协同作用，共同对加热温度和速率产生影响，最终得到轴向较为均匀的温度场。

在一些实施例中，陶瓷基复合材料结构件为编织SiC_f/SiC复合材料，热辐射件的材料包括但不仅限于GH4169。在试验过程中，当热辐射件先于陶瓷基复合材料结构件发生热疲劳损坏时，应更换热辐射件，以保证试验继续进行。

通过电子电路产生的高频电流通过感应加热铜管，根据电磁感应原理，感应加热铜管中通过交变电流时会在周围产生电磁场，当感应加热铜管中通过正弦电流时产生的电磁场也是正弦变化的电磁场。将高频感应加热炉的感应加热铜管围绕陶瓷基复合材料结构件的试验端和热辐射件的热辐射端设置，即设置于变化的电磁场中，磁感线穿过热辐射件并产生与加热电流方向相反的涡流，根据焦耳定理，热辐射件中的电流会产生大量热，从而达到加热目的。优选地，感应加热铜管为外径8mm，管壁厚1.5mm的紫铜铜管。

加热过程中的感应加热铜管需要不断通入冷却水冷却，防止感应加热铜管被高温熔化。优选地，工业冷水机中冷却水的压力大于0.6MPa，流量大于0.6L/min，温度小于45℃。

在一些实施例中，空气压缩机为空气无油压缩机，空气压缩机在试验过程中不断电，空气无油压缩机的工作气压为0.5-0.7MPa，空气压缩机的储气罐内的气体气压低于0.5MPa时开始工作，气压达到0.7MPa时停止工作。热疲劳试验的陶瓷基复合材料结构件需要快速冷却，冷却速度高于陶瓷基复合材料结构件在空气中的自然冷却速度，因此需要通过额外的手段主动冷却试验件，采用空气无油压缩机压缩气体冷却，可以达到快速的冷却效果。优选地，根据试验过程所需要的冷却速度，可以调节空气压缩机的吹气管的位置。优选地，根据陶瓷基复合材料结构件需要冷却的区域，可以使用多个吹气管，从而使冷却均匀。

在一些实施例中，S型热电偶的材料为铂铑10合金和铂，可以在空气气氛下精确测量温度。

在一些实施例中，热电偶采用高温无机胶固定，高温无机胶由氧化铜粉末和溶液组成，溶液为磷酸铝溶液、磷酸-钨酸钠溶液、不加缓冲剂的浓磷酸，氧化铜粉末和溶液按照质量比3:1的配比。应先对陶瓷基复合材料结构件表面进行清洁，去除表面的水分和油污，用刮板将配比好的高温无机胶涂于陶瓷基复合材料结构件表面并覆盖热电偶，在室温下放置12小时，然后在60～80℃保温两小时，最后在150℃下保温两小时并冷却至室温，高温无机胶完全固化。优选地，高温无机胶的线性膨胀系数约1.2×10^-5/K。

在一些实施例中，陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统通过高频感应加热炉的感应加热铜管给热辐射件加热，通过热辐射件的热辐射效果为陶瓷基复合材料结构件加热，感应加热铜管通过工业冷水机的冷却水冷却，陶瓷基复合材料结构件表面通过空气压缩机压缩气体冷却。陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验是循环试验，不断重复某一载荷，因此需要陶瓷基复合材料结构件的热疲劳试验系统实时监测陶瓷基复合材料结构件的表面温度，形成闭环控制系统，本系统采用PLC控制器对试验过程进行控制，温度反馈由红外测温仪测量热辐射件上的温度所提供。优选地，红外测温仪的测温范围为0-1600℃。

在一些实施例中，全场应变仪为VIC-3D HS全场应变仪，可以一次完成对陶瓷基复合材料结构件所有方向应变的测量，只要可以清晰地拍摄到散斑图片和校正图片就可进行应变测量，测量范围大，测量精度好。

由于陶瓷基复合材料结构件不是导体，不能直接使用高频感应加热炉给陶瓷基复合材料结构件加热，因此设计热辐射件，通过感应加热铜管给热辐射件加热，再通过热辐射件的热辐射间接给陶瓷基复合材料结构件加热。优选地，陶瓷基复合材料结构件的固定端与热辐射件的固定端之间设置有高温金属垫片，并且通过高温合金夹具固定连接。

陶瓷基复合材料结构件热疲劳试验方法包括如下步骤：

a.将陶瓷基复合材料结构件的试验端与热辐射件的各处厚度基本相等的热辐射端平行间隔设置，并将陶瓷基复合材料结构件的固定端与热辐射件的固定端固定连接；

b.将高频感应加热炉的感应加热铜管围绕陶瓷基复合材料结构件的试验端和热辐射件的热辐射端设置；

c.将工业冷水机的入水口和出水口分别与所述感应加热铜管的出口和入口连接，将空气压缩机的至少一个吹气管正对陶瓷基复合材料结构件的试验端设置；

d.开启空气压缩机和工业冷水机，待工业冷水机运行5-7分钟，以及空气压缩机的工作气压达到0.5-0.7MPa后，开启高频感应加热炉开始加热，直到陶瓷基复合材料结构件达到第一温度460-490℃；

其中，工业冷水机运行5-7分钟，可以完全排除铜管内空气，防止铜管局部过热熔化。空气压缩机的工作气压达到0.5-0.7MPa，此气压值可以保证在冷却均匀的情况下达到所需要的冷却速度，该值过大会导致冷却过快且冷却不均匀，过小达则不到要求的冷却速度。

在一些实施例中，第一温度为460℃、467.9℃、470.9℃、484.1℃、490℃；

e.通过PLC控制器控制第一温度的保温时间为45秒，使温度场达到稳定不再变化；

f.PLC控制器根据实时监测到的红外测温仪的温度，控制高频感应加热炉加热，根据陶瓷基复合材料结构件的应用环境确定加热时间为20秒，根据加热时间与温度确定加热速率为20-22℃/s，直到陶瓷基复合材料结构件达到第二温度850-920℃；

在一些实施例中，加热速率为21.25℃/s；

在一些实施例中，第二温度为850℃、857.8℃、864.2℃、900.7℃、920℃；

g.通过PLC控制器控制第二温度的保温时间为45秒，使温度场达到稳定不再变化；

h.PLC控制器根据实时监测到的红外测温仪的温度，通过控制电磁阀来控制空气压缩机冷却陶瓷基复合材料结构件，根据陶瓷基复合材料结构件的应用环境确定冷却时间为20秒，根据冷却时间与温度确定冷却速率20-22℃/s，直至陶瓷基复合材料结构件的温度降到所述第一温度；

在一些实施例中，冷却速率为19.32℃/s；

i.重复e-h步骤，当陶瓷基复合材料结构件出现10mm以上宏观裂纹或剥落，终止试验；或经过1000次循环后，陶瓷基复合材料结构件没有出现10mm以上宏观裂纹或剥落，终止试验；

j.通过全场应变仪测量陶瓷基复合材料结构件的应变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。