摘要：在地面臺或核心機上開展熱障涂層試車需耗費巨大的人力物力， 且無法捕捉涂層損傷演化的關鍵信息。 通過研制高速旋轉(zhuǎn)渦輪葉片熱障涂層動態(tài)服役環(huán)境模擬與測試裝置， 并在轉(zhuǎn)子葉片熱障涂層表面敷設高溫電阻應變計與熱電偶可實現(xiàn)服役過程中的應變損傷與溫度場的實時檢測。 敷設方法選擇陶瓷棒火焰噴涂， 應變計的溫度補償通過高溫升降爐來實現(xiàn)， 同時也開展了靜態(tài)熱沖擊考核對比實驗。 結(jié)果表明轉(zhuǎn)速 6000 r/min、 服役溫度 1000℃時渦輪葉片截面溫差為 103℃， 提高轉(zhuǎn)速后熱障涂層溫度降低但主應變顯著提高， 吸力面主應變大于壓力面， 在平行于緣板方向應變梯度最大。 在動態(tài)熱沖擊循環(huán)測試中涂層失效前測點主應變?yōu)?nbsp;0.23%~0.82%，高于靜態(tài)測試的 0.04%~0.67%， 各測點均為拉伸變形。高速旋轉(zhuǎn)熱障涂層經(jīng)歷 128 次熱循環(huán)剝落失效， 失效原因為應變損傷的累積以及離心載荷作用下裂紋的迅速擴展。

關鍵詞：渦輪葉片； 熱障涂層； 模擬考核試驗平臺； 實時檢測

引言

      渦輪葉片熱障涂層服役在高溫、高速旋轉(zhuǎn)、沖蝕、 腐蝕等熱力化載荷耦合的環(huán)境下，依靠常規(guī)的拉伸、氧化、熱力疲勞等實驗方法難以準確研究其失效機制，傳統(tǒng)的非接觸式無損檢測方法很難捕捉其在熱應力、離心力、氣動力等復雜載荷作用下的損傷演變信息。研制渦輪葉片熱障涂層熱力化耦合模擬測試裝置，實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)熱障涂層與燃氣交互作用下湍流、熱斑以及復雜應力場的模擬和檢測，對分析工作葉片熱障涂層的破壞機理與服役可靠性至關重要。

試驗

試驗樣品

       試驗樣品為帶熱障涂層的燃氣渦輪轉(zhuǎn)子葉片，多個渦輪葉片在渦輪盤上呈圓周均布， 通過卡具固定后隨渦輪盤高速旋轉(zhuǎn)。 熱障涂層體系由基底、 粘結(jié)層、 陶瓷層組成， 基底材料為鎳基高溫合金， 采用超音速火焰噴涂工藝制備了厚度為 80μm NiCrAlY 粘結(jié)層， 采用電子束物理氣相沉積工藝制備了厚度為 120 μm 的 YSZ 陶瓷層。

       為了解決熱障涂層地面試車前考核評價平臺缺失、 關鍵損傷參數(shù)不清的難題， 研制了渦輪葉片熱障涂層熱力化耦合動態(tài)試驗模擬與測試裝置。裝置通過高速電機帶動載有渦輪盤的主軸旋轉(zhuǎn)，超音速燃氣噴槍使用航空煤油做燃料， 純氧做助燃劑， 噴槍在導軌的帶動下可深入燃燒室對旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片進行加熱， 渦輪葉片最大旋轉(zhuǎn)直徑為460 mm。 圖 1(a)、 (b) 分別為同時點燃六把燃氣噴槍和噴槍深入燃燒室效果圖。 試驗選擇 6000 r/min、 1000 ℃ 作為主要考核工況， 即渦輪葉片以6000 r/min 速度旋轉(zhuǎn)時熱障涂層表面最高溫度需要達到 1000℃。 一次熱沖擊循環(huán)包括升溫、 保溫階段共 5 min 和降溫階段 5 min。 實驗開始前渦輪葉片以預定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)， 點燃的噴槍在導軌上前進時開始計時。 保溫階段結(jié)束后， 噴槍從燃燒室中移出熱障涂層開始降溫， 降溫過程結(jié)束后葉片停止旋轉(zhuǎn)。 為分析不同服役轉(zhuǎn)速對涂層表面溫度以及應變損傷的影響， 對比轉(zhuǎn)速選擇 5000 r/min 和4000 r/min。

圖 1 導軌上點燃的燃氣噴槍： (a) 同時點燃六把噴槍； (b) 噴槍深入燃燒室

實時檢測方式

       動態(tài)裝置的實時檢測系統(tǒng)由高溫電阻應變計、測溫熱電偶、 高溫引線、 導電滑環(huán)和分析系統(tǒng)組成。 應變計和熱電偶安裝在熱障涂層表面， 微小形變會引起熱障涂層表面應變計阻值的變化，應變儀通過采集電信號變化進而獲取形變信息。導電滑環(huán)工作時轉(zhuǎn)子端（ 滑環(huán)外殼） 高速旋轉(zhuǎn)的電刷與靜子端（ 被卡具固定） 的金屬環(huán)時刻保持滑動接觸， 從而將電信號持續(xù)、 穩(wěn)定傳出。 如圖2 所示， 應變計和熱電偶引線與高溫導線儲能焊接后在渦輪盤表面均勻布置然后接入導電滑環(huán)，為防止導線在高速旋轉(zhuǎn)過程中損壞， 需使用高溫合金薄片進行全程的點焊固定。 信號線經(jīng)導電滑環(huán)靜止引出后連接遠端的應變儀、 測溫儀等分析設備。

應變片與熱電偶的安裝方式

       固定在熱障涂層表面的應變計、 熱電偶，不僅要面臨高溫、高速旋轉(zhuǎn)的服役環(huán)境， 還要承受高壓的燃氣沖刷，極易發(fā)生脫落并扯斷引線 。為保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本文應變計與熱電偶的安裝方式采用火焰噴涂法。 所用設備為 ROKIDE 火焰噴涂系統(tǒng)， 其原理是利用乙炔和氧氣燃燒產(chǎn)生的高溫火焰將氧化鋁棒材霧化成熔滴噴射在熱障涂層表面， 進而固定應變計和熱電偶。實驗所用 Vishay 應變計型號為 ZWPNC-063-120，標 稱 阻 值 120Ω， 最 高 工 作 溫 度1038℃。

圖 2 渦輪盤表面信號線的布置

       為保證安裝應變計的存活率， 應變測點應避開應變梯度較大的位置， 選取平整易于噴涂固定的區(qū)域。 同時參考相關文獻， 應變計最為理想的敷設位置在葉片尾緣中上部（ 距葉尖 15 mm，距尾緣 5 mm） ， 此位置在承受較大動應變的同時， 也承受著較大的離心載荷。 同一測點在不同方向上的應變梯度不同， 應變示值也會存在差異，為了探究熱障涂層不同方向上的應變梯度， 如圖3 在三個葉片的吸力面測點互成 45° 安裝電阻應變計。 為了對比壓力面與吸力面應變差異， 在圖3(c) 吸力面測點對稱的壓力面同樣以 90° 安裝應變計。 由于過多測點的噴涂會影響渦輪葉片本身的振動特性， 并且難以在同一葉片上完成多條引線的平衡布置， 因此將同級渦輪盤上的渦輪葉片做等效處理， 即認為同時服役的帶熱障涂層渦輪葉片狀態(tài)一致。

圖 3 在不同角度安裝應變計的熱障涂層葉片： (a) 0° ; (b) 45° ; (c) 90° 

結(jié)果及分析

溫度測量結(jié)果

2.1.1 截面溫度分布

     為測量高速旋轉(zhuǎn)熱障涂層的截面溫度場， 在應變測點所在截面選取了 9 個點進行溫度測量，其中測溫點 5 和 6 與尾緣應變測點位置一致。6000 r/min、 1000 ℃服役時設備的加熱參數(shù)如表 1。

表 1 轉(zhuǎn)速 6000r/min、 溫度 1000℃時的測試參數(shù)

 由圖 4 溫度測點和截面各點時間溫度變化曲線可知， 點1~5的最高溫度分別是992 ℃、 1000 ℃、985 ℃、 948 ℃和 921 ℃， 點 6~9 的最高溫度分別是 905 ℃、 897 ℃、 921 ℃、 956 ℃。 整體上， 吸力面溫度高于壓力面， 前緣的溫度高于尾緣， 其中溫度最高的位置出現(xiàn)在吸力面靠近前緣處（ 測點 2， 1000 ℃） 、 最低位置在壓力面尾緣（ 測點7， 897 ℃） 。 這是因為在葉片旋轉(zhuǎn)過程中， 高溫燃氣率先在吸力面與渦輪葉片發(fā)生交互作用， 吸力面被加熱的更充分； 前緣靠近焰心并且正對火焰沖擊， 所以在前緣整體溫度大于尾緣。 在噴槍未完全進入燃燒室之前溫升速率較慢， 隨后升溫速率顯著提高， 最終各測點相繼達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 4 熱障涂層截面溫度測量： (a) 截面溫度測點； (b) 吸力面溫升曲線； (c) 壓力面溫升曲線

2.1.2 不同服役轉(zhuǎn)速溫度變化

圖 5 為測溫點 2 以表 1 參數(shù)加熱時不同轉(zhuǎn)速下的溫度變化曲線， 在下的溫度變化曲線， 在 6000 r/ min、5000 r/min、4000 r/min 的穩(wěn)定溫度分別為 1000 ℃、1013 ℃、1022 ℃?？梢钥闯?，加熱參數(shù)不變時隨著轉(zhuǎn)速的降低， 溫度呈小幅升高的趨勢。 這是因為受尾跡導流的影響， 轉(zhuǎn)速越高渦輪葉片承受的風阻越大，帶走的熱量越多， 所以涂層表面溫度越低。 與此同時， 周圍相對低溫的氣流會在葉片表面形成“冷卻氣膜”， 轉(zhuǎn)速越高低溫氣流的冷卻效果便越顯著。

圖 5 不同轉(zhuǎn)速下熱障涂層溫度變化曲線

應變測量結(jié)果

2.2.1 溫度補償

圖 6 熱障涂層在升降爐中的溫升重復曲線與實際溫度曲線對比： (a) 吸力面； (b) 壓力面

2.2.2 不同安裝位置應變結(jié)果

        如 圖 7 所 示 為 1000 ℃、 6000 r/min 測 試 狀態(tài)下， 4 個應變測點應變總量曲線 (a)、 熱輸出曲線 (b) 和二者作差得到的主應變曲線 (c)。 對保溫時穩(wěn)定狀態(tài)的應變進行分析， 可見熱輸出在應變總量中占比很高。 由圖 7(c) 可知， 吸力面主應變(0.23%) 大于壓力面 (0.20%)， 在不同的安裝角度，0°、 90°、 45° 方向的主應變分別為 0.24%、 0.23%、0.21%。 吸力面溫度高具有更大熱應力， 同時也承受著更多的氣流沖擊， 因此主應變高于壓力面。應變計示值反應的是應變計敏感柵接觸范圍內(nèi)的總變形， 安裝方向平行于緣板 (0°) 時截面方向溫度梯度高、 敏感柵所受應變梯度大， 因此形變量最大。 垂直于緣板方向 (90°) 的應變梯度較小但與燃氣的接觸面積變大、 受到更多剪切式氣流沖刷， 因此在多重機制共同作用下， 0° 方向應變大于 90° 大于 45°。

圖 7 熱障涂層應變曲線：(a) 應變總量； (b) 熱輸出； (c) 主應變

2.2.3 不同服役轉(zhuǎn)速應變變化

        圖 8 所示為吸力面 90° 方向敷設的應變計在不同服役轉(zhuǎn)速下主應變曲線。 可以看到， 隨著轉(zhuǎn)速的降低主應變呈現(xiàn)明顯的下降趨勢， 在不同服役轉(zhuǎn)速下主應變曲線。 可以看到， 隨著轉(zhuǎn)速的降低主應變呈現(xiàn)明顯的下降趨勢， 在 6000 r/min、 5000 r/min 和 4000 r/min 時分別為 0.23%、0.20% 和 0.18%。 在轉(zhuǎn)速降低時涂層表面溫度有小幅上升、 熱應力有所提高， 但轉(zhuǎn)速降低后氣流激振、 機械振動以及離心載荷將顯著下降， 在高速旋轉(zhuǎn)過程中動應變對涂層變形的影響起著決定性的作用， 因此主應變明顯降低。

圖 8 不同轉(zhuǎn)速下熱障涂層主應變

與靜態(tài)測量結(jié)果對比

2.3.1 溫度測量結(jié)果對比