一種熔融cmas侵蝕熱障涂層潤(rùn)濕性能的測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種材料性能的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，尤其涉及一種熔融CMAS侵蝕 熱障涂層潤(rùn)濕性能的測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)防實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志，推重比的提升是航 空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的永恒追求。隨著推重比的提高，渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度也會(huì)大幅度的提高，到 第四代戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，燃?xì)膺M(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了 1650Γ，單純依靠高溫單晶技術(shù)已經(jīng)很難滿足 航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要。后來，美國(guó)NASA提出了熱障涂層的概念，即在高溫合金基底的表 面噴涂一層耐高溫、高隔熱的防護(hù)涂層，以降低合金表面溫度從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。
[0003] 飛機(jī)在飛行過程中會(huì)不可避免的遇到灰塵、沙粒以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的殘骸等外界物體 的撞擊，這些顆粒大多為I丐鎂錯(cuò)娃的氧化物（calcium-magnesium-alumino-silicate,簡(jiǎn) 稱CMAS)，當(dāng)服役溫度達(dá)到1200°C以上時(shí)，CMAS會(huì)熔融并滲透到熱障涂層中。CMAS在滲透 時(shí)會(huì)與陶瓷層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、誘發(fā)相變，會(huì)極大降低TBCs的應(yīng)變?nèi)菹?；另一方面，CMAS的熱 膨脹系數(shù)要明顯地低于熱障涂層，因而孔隙和裂紋處滲透有CMAS的陶瓷層在冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn) 生額外的壓應(yīng)力，這一壓應(yīng)力累積到足夠大時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱障涂層發(fā)生剝落。CMAS腐蝕已被廣 泛的認(rèn)為是熱障涂層脫落的主要因素。因此，研究熱障涂層的CMAS侵蝕機(jī)理，并找出其防 止措施是今后航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所必須解決的關(guān)鍵問題。此外，CMAS在熱障涂層中的滲入與 熔融的CMAS在熱障涂層表面的潤(rùn)濕性如接觸角、表面張力有直接的關(guān)系。如果能測(cè)量出熔 融的CMAS侵蝕熱障涂層時(shí)的接觸角與表面張力，并找到這些關(guān)鍵參數(shù)與涂層微觀結(jié)構(gòu)、表 面形貌以及外界環(huán)境如CMAS成分與配比的關(guān)系，則能為研究熱障涂層的CMAS侵蝕機(jī)理、找 出防止CMAS滲入的方法提供依據(jù)。
[0004] 測(cè)量液體在固體表面的接觸角與表面張力，通常是在室溫下進(jìn)行，對(duì)常溫下是固 體的CMAS是不適用的。國(guó)際上對(duì)熱障涂層CMAS侵蝕時(shí)的潤(rùn)濕性的研究中，將CMAS粉末堆 積在熱障涂層表面置于高于CMAS熔點(diǎn)的環(huán)境中反應(yīng)一段時(shí)間，待熱障涂層隨爐冷卻后鑲 樣拋光，并通過掃描電鏡圖像測(cè)得接觸角。此方法的缺點(diǎn)是：反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，缺乏對(duì)CMAS熔 融以及熔融的CMAS與熱障涂層表面接觸時(shí)形貌的實(shí)時(shí)觀察而不準(zhǔn)確，且還需額外制備掃 描電鏡的樣品，處理過程較為繁瑣。CMAS的熔點(diǎn)大多在1200°C以上，且熔融后的CMAS是一 種粘度高、腐蝕性強(qiáng)的熔融物，很難找到能夠不被CMAS腐蝕的容器，其熔融物的滴落極難 通過容器通道或開關(guān)來控制。目前關(guān)于接觸角的高溫測(cè)量裝置大多針對(duì)粘度較低的液體， 且溫度遠(yuǎn)低于CMAS熔點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，有2種常用的技術(shù)方案，方案1將固體材料做成毛 細(xì)管，毛細(xì)管的一端注入液體，另一端注入氣體，通過攝像機(jī)記錄氣液液面的形貌來實(shí)現(xiàn)液 固接觸角的測(cè)量。這一方法不適用于對(duì)熱障涂層的CMAS潤(rùn)濕性表征，這是因?yàn)楦哒扯鹊?CMAS極易粘附、堵塞毛細(xì)管，嚴(yán)重影響裝置的重復(fù)使用，且將熱障涂層加工成毛細(xì)管存在一 定的技術(shù)難度。方案2在高溫高壓環(huán)境下通過毛細(xì)管將液體注入至基底表面，通過成像系 統(tǒng)獲得所需圖像數(shù)據(jù)，多用于石油等液體和固體表面接觸角的測(cè)量，所能達(dá)到的最高溫度 為200°C，遠(yuǎn)低于CMAS的熔點(diǎn)，方案2同樣存在毛細(xì)管堵塞的問題?？梢?，現(xiàn)有的設(shè)備均無 法滿足1200°C以上、高粘度CMAS侵蝕熱障涂層時(shí)接觸角和表面張力的測(cè)量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種熔融CMAS侵蝕熱障涂層潤(rùn)濕性能的測(cè)試裝置，本 發(fā)明通過繞曲狀的鉑絲對(duì)CMAS液滴進(jìn)行導(dǎo)流，使得CMAS液滴能夠沿著鉑絲滴落到熱障涂 層樣品上，解決了高粘度熔融態(tài)CMAS吸附并堵塞毛細(xì)管的問題，同時(shí)通過成像系統(tǒng)對(duì)侵蝕 全過程的形貌進(jìn)行采集，從而可以實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算出熔融CMAS侵蝕熱障涂層的接觸角及表 面張力，為熱障涂層CMAS潤(rùn)濕性以及破壞機(jī)制的研究提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種熔融CMAS侵蝕熱障涂層潤(rùn)濕性能的測(cè)試裝 置，包括：高溫加熱系統(tǒng)，用于提供高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境以讓塊狀CMAS熔融；CMAS承載系統(tǒng)包括 鉑絲，所述鉑絲的一端為繞曲狀且末端成錐形，用于固定塊狀CMAS，并牽引熔融后的CMAS 液滴滴落到熱障涂層樣品表面；測(cè)試平臺(tái)，用于承載所述熱障涂層樣品；溫度控制系統(tǒng)，用 于控制所述高溫加熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)溫度和升溫速率；成像系統(tǒng)，用于采集塊狀CMAS形成液滴 到其滴落到所述熱障涂層樣品表面的圖像，并對(duì)采集到的所述圖像進(jìn)行分析，計(jì)算出熔融 CMAS侵蝕熱障涂層的接觸角及表面張力。
[0007] 其中，所述高溫加熱系統(tǒng)包括高溫腔體，所述高溫腔體上開設(shè)有入口孔、接入口和 用石英玻璃制備的圖像采集窗口，所述接入口與所述圖像采集窗口相對(duì)設(shè)置；CMAS承載系 統(tǒng)通過所述入口孔伸入所述高溫腔體內(nèi)部；測(cè)試平臺(tái)通過所述接入口伸入所述高溫腔體內(nèi) 部；成像系統(tǒng)通過所述圖像采集窗口對(duì)塊狀CMAS形成液滴到其滴落到所述熱障涂層樣品 表面的圖像進(jìn)行采集。
[0008] 其中，所述CMAS承載系統(tǒng)還包括：端蓋，其與鉑絲的一端固定連接，用于固定所述 鉑絲；密封蓋設(shè)于所述入口孔處，用于密封所述高溫腔體；第一剛玉管設(shè)于所述密封蓋下 方，用于固定和保護(hù)所述鉑絲。
[0009] 可選的，所述CMAS承載系統(tǒng)還包括：高度調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)所述鉑絲的高度。
[0010] 其中，所述測(cè)試平臺(tái)包括：水平導(dǎo)軌，設(shè)于水平導(dǎo)軌上方的支撐底板，其用于沿著 所述水平導(dǎo)軌在水平方向移動(dòng)；密封環(huán)設(shè)于所述接入口處，用于密封所述高溫腔體；剛玉 承載臺(tái)通過所述接入口伸入所述高溫腔體內(nèi)部，所述剛玉承載臺(tái)上方設(shè)有U型剛玉槽，用 于放置所述熱障涂層樣品；熱電偶，設(shè)于所述剛玉承載臺(tái)內(nèi)部，用于測(cè)量所述高溫腔體內(nèi)的 實(shí)驗(yàn)溫度，并將測(cè)量到的所述實(shí)驗(yàn)溫度反饋給所述溫度控制系統(tǒng)。
[0011] 其中，所述成像系統(tǒng)包括：平行光源，設(shè)置于所述接入口的外側(cè)，使得塊狀CMAS的 投影投射到成像屏上；暗箱，設(shè)置于所述圖像采集窗口的外側(cè)，所述暗箱內(nèi)部依次設(shè)有凸透 鏡、成像屏和攝像機(jī)；所述凸透鏡設(shè)于靠近所述圖像采集窗口的一側(cè)，用于對(duì)CMAS液滴滴 落到所述熱障涂層樣品的圖像進(jìn)行放大；成像屏設(shè)于凸透鏡503與攝像機(jī)505之間，用于將 凸透鏡503放大后的所述圖像進(jìn)行投影；攝像機(jī)與所述平行光源和所述熱障涂層樣品成一 條直線，且與所述平行光源相對(duì)設(shè)置，用于采集塊狀CMAS形成液滴到其滴落到所述熱障涂 層表面的圖像；影像分析中心與所述攝像機(jī)連接，用于對(duì)攝像機(jī)采集到的所述圖像進(jìn)行分 析，計(jì)算出熔融CMAS侵蝕熱障涂層的接觸角及表面張力。
[0012] 優(yōu)選的，所述測(cè)試平臺(tái)還包括：第二剛玉管，其設(shè)于所述熱電偶的一端，用于保護(hù) 所述熱電偶。
[0013] 可選的，所述高溫腔體采用管式電阻爐加熱。
[0014] 可選的，所述攝像機(jī)是帶高溫濾光鏡片的CCD攝像機(jī)，所述成像屏上設(shè)有網(wǎng)格，用 于定位塊狀CMAS的高度。
[0015] 本發(fā)明的另一方面提供了一種熔融CMAS侵蝕熱障涂層潤(rùn)濕性能的測(cè)試方法，其 特征在于，所述方法包括：
[0016] S1，制備熱障涂層樣品：采用電子束物理氣相沉積或等離子噴涂的方法制備熱障 涂層樣品；S2,制備塊狀CMAS:按預(yù)設(shè)的比例，將0&0、1%0^1203、510 2粉末混合均勻后加熱， 待其完全熔融后冷卻得到玻璃態(tài)CMAS，研磨得到粉末狀CMAS