СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR EVALUATION OF STRENGTH PROPERTIES OF HEAT SHIELDING COATING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к лабораторной испытательной технике, а именно к способу и устройству для определения прочностных свойств теплозащитных покрытий, применяемых в нагруженных деталях машин, преимущественно в авиакосмической технике.
Известен способ определения прочностных свойств высокотемпературных теплозащитных покрытий деталей и устройство для его осуществления (патент РФ №2339930, МПК G01M 15/14).
Указанный способ заключается в том, что рабочие лопатки турбин или их модели с высокотемпературным теплозащитным покрытием (ТЗП), преимущественно столбчатой структуры, образованной керамическими волокнами, направленными перпендикулярно поверхности, на которую они нанесены, подвергают циклическому нагреву и охлаждению до образования в лопатках турбин или их моделях трещин или повреждения самого ТЗП, при этом в процессе нагрева, при достижении максимальной температуры, синхронно с ним к рабочей лопатке или ее модели прикладывают осевую нагрузку, равную центробежной, и по направлению действия центробежной нагрузки создают ускорение, равное центробежному, действующему в сечении рабочей лопатки или модели с прогнозируемым наибольшим повреждением керамических волокон.
Устройство для осуществления способа содержит устройство для крепления лопатки, устройство нагрева, нагружающее устройство для синхронной с изменением температуры нагрузки, имитирующей центробежную, динамический силовозбудитель.
Известное техническое решение позволяет подвергать волокна ТЗП динамическому нагружению инерционной нагрузкой, которая вызывает знакопеременные напряжения, не соответствующие напряжениям в реальных рабочих условиях, имеющих постоянный знак, что не позволяет с большой степенью точности определить прочностные свойства ТЗП.
Кроме того, известное техническое оборудование является сложным и дорогостоящим, а способ испытаний трудоемким, т.е. являются не экономичными.
В основу изобретения положена задача создания способа и устройства, позволяющих повысить точность определения прочностных свойств ТЗП.
Техническим результатом является повышение точности определения прочностных свойств ТЗП за счет расширения функциональных возможностей имитации условий нагружения. Другим техническим результатом является снижение материальных затрат путем создания лабораторных простых испытательных способа и устройства.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения прочностных свойств теплозащитных покрытий, имеющих преимущественно столбчатую структуру, ориентированную перпендикулярно поверхности, на которую покрытие нанесено, при котором покрытие подвергают циклическому термомеханическому воздействию, включающему одновременное термическое нагружение нагревом - охлаждением и механическое нагружение, теплозащитное покрытие наносят на металлическую поверхность, имеющую поясное сужение, полученный образец размещают с возможностью вращения между поверхностями нагрева с минимальным зазором порядка 1 мм, при термомеханическом воздействии, по мере возрастания температуры нагрева образца, симметрично увеличивают его механическое нагружение центробежной силой увеличением скорости вращения и подвергают образец термомеханическому воздействию до возникновения изгибного разрушения столбчатой структуры теплозащитного покрытия.
Целесообразно, чтобы масса образца была бы подобрана так, чтобы напряжения в узком сечении от центробежных сил соответствовали бы эксплуатационным чертежами.
Целесообразно также, чтобы поверхности нагрева нагревали бы высокочастотным током с частотой не менее 440 кГц.
Поставленная задача решается также тем, что устройство для осуществления способа содержит жаропрочное кольцо с закрепленным на нем, по меньшей мере, одним образцом в виде теплозащитного покрытия, нанесенного на металлическую поверхность, и имеющим поясное сужение, диск вращения, на котором закреплено жаропрочное кольцо, и индуктор для нагрева образца, выполненный в виде двух узких, примерно 10 мм, и превышающих диаметр жаропрочного кольца колец, между которыми размещен образец, преобразователь частоты, соединенный приводом с диском вращения, датчик температуры с термопарой, установленной на выходе индуктора, и систему управления, которая соединена с термопарой, источником тока и преобразователем частоты, при этом датчик температуры предварительно калиброван посредством измерения цветовых сигналов, по меньшей мере, одного калибровочного цвета, нанесенного на образец.
Целесообразно, чтобы в устройстве диск был бы выполнен из титанового сплава, и вместе с индуктором и жаропрочным кольцом размещен в защитном кожухе из высокопрочного материала с дополнительной внутренней защитой, например в виде свинцового листа.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, где
на фиг.1а приведен принципиальный чертеж устройства согласно изобретению,
на фиг.1б - вид А-А фиг.1 в масштабе,
фиг.2(a, b, c) иллюстрирует столбчатую структуру теплозащитного покрытия до и в результате термомеханичского воздействия согласно изобретению.
Способ согласно изобретению осуществляют с помощью устройства.
Устройство для осуществления способа (фиг.1а-1б) содержит жаропрочное кольцо 3 с закрепленным на нем, по меньшей мере, одним образцом 1, диск 2 вращения, и индуктор 4 для нагрева образца, установленные в защитном кожухе 11.
Образец 1 содержит теплозащитное покрытие, нанесенное на его металлическую поверхность (основной материал). Теплозащитное покрытие при нормальных условиях имеет столбчатую структуру, ориентированную перпендикулярно поверхности, на которую покрытие нанесено (фиг.1а).
Для создания неравномерной нагрузки от действия центробежных сил образец имеет поясное сужение. Это сужение образует зону максимальной нагрузки образца при вращении от действия центробежных сил. По обе стороны от сужения нагрузка от действия центробежных сил неравномерно распределена.
Индуктор 4 выполнен в виде двух узких, примерно 10 мм, и превышающих диаметр жаропрочного кольца колец, между которыми размещен образец. Жаропрочное кольцо 3 закреплено на диске 2 и размещено между кольцами индуктора 4.
Устройство содержит также источник высокочастотного тока 5, подсоединенный к индуктору 4, преобразователь частоты 7, соединенный приводом 6, например ременной передачей, с диском 2 вращения, датчик 9 температуры с термопарой 10, установленной на выходе индуктора 4, и систему управления 8, которая соединена с термопарой 10, источником тока 5 и преобразователем частоты 7.
Источник тока 5 должен иметь частоту не менее 440 кГц. Это обеспечивает поверхностный разогрев до максимальных рабочих температур, идентичный условию разогрева в эксплуатации.
Измерение температуры образца в процессе его вращения является сложной задачей. Использование пирометров не представляется возможным в связи с недостаточными техническими характеристиками существующих моделей. Расположение термопары непосредственно на образце не целесообразно в связи с тем, что при малых габаритах и жестких условиях термомеханического воздействия (температура 1100°С, скорость вращения 20000 об/мин) снижается точность определения температуры.
Поэтому для повышения точности термопара 10 в устройстве расположена на выходе индуктора 4, а датчик 9 температуры предварительно калиброван посредством измерения цветовых сигналов, по меньшей мере, одного калибровочного цвета, нанесенного на образец. При калибровке два равновесных образца с ТЗП, идентичные испытуемым и покрытые термокраской, закрепляют в устройстве на кольце 3 и нагружают термомеханическим воздействием аналогично способу, измеряют цветовой сигнал, по меньшей мере, одного калибровочного цвета, и калибруют по нему датчик 9 температуры. Это позволяет в процессе испытания производить точное управление температурой косвенным методом при помощи датчика 9.
Так же необходимые напряжения в опасном сечении на рабочих частотах можно получить, изменяя массу образца на периферии. Нагрев на частоте не менее 440 кГц обеспечивает разогрев тонкого поверхностного слоя, что соответствует условиям эксплуатации детали. Защитный кожух из высокопрочного материала обеспечивает безопасное проведение испытаний.
Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом.
Теплозащитное покрытие, имеющее столбчатую структуру, наносят на металлическую поверхность, имеющую поясное сужение, закрепляют на жаропрочном кольце 3, которое крепят на диске 2, размещают между кольцами индуктора 4 и помещают в защитный кожух 11. При размещении образец совмещают поясным сужением с внешним диаметром кольца индуктора 4 и размещают между кольцами индуктора с минимальным зазором порядка 1 мм. Столбчатая структура теплозащитного покрытия до термомеханического воздействия ориентирована перпендикулярно поверхности (фиг.2(а)).
Для повышения точности эксперимента на диске 2 закрепляют два равновесных образца 1, которые размещены строго напротив друг друга для исключения биения. В устройстве могут быть таким образом размещены несколько образцов, в том числе с разными покрытиями.
Массу образца подбирают так, чтобы напряжения в узком сечении от центробежных сил соответствовали бы эксплуатационным. Кроме того, необходимые напряжения в опасном сечении поясного сужения на рабочих частотах можно получить, изменяя массу образца на периферии.
При включении источника питания 5 высокочастотный ток, проходя через ветви индуктора 4, способствует разогреву образцов 1 до рабочих температур. В поясном сужении образуется зона максимального разогрева. При высокой температуре, например 1100°С, вследствие разницы коэффициентов температурного расширения металлической основы и ТЗП в образце 1 возникают температурные напряжения и возникают зазоры в столбчатой структуре ТЗП (фиг.2(b)).
При нагреве включают преобразователь частоты 7, который через привод 6 с ременной передачей приводит во вращение диск 2. Вращение диска 2 передается образцам 1 и нагружает их механической центробежной силой. По мере возрастания температуры симметрично увеличивают механическое нагружение образца центробежной силой увеличением скорости вращения образца, например до 20000 об/мин при температуре примерно 1100°С.
Поясное сужение образца 1, располагаемое примерно по среднему диаметру колец индуктора 4, и частота (скорость) вращения, получаемая образцами 1 от диска 2, приводят к достижению рабочих режимов, идентичных эксплуатационным.
Управление нагревом образцов осуществляется косвенным методом по температуре датчика 9, определяемой термопарой 10.
При достижении максимальной рабочей температуры система управления 8 выдает сигнал на отключение источнику питания 5 и остановку привода 6 преобразователю частоты 7. При отключении происходит охлаждение до температуры порядка 400°С. При достижении этой температуры система управления 8 подает сигналы включения на источник питания 5 и на преобразователь частоты 7, таким образом обеспечивая синхронный нагрев и центробежную нагрузку. Происходит повторное циклическое температурное и механическое нагружение образцов 1.
Нагружение центробежной силой приводит к возникновению дополнительно к тепловым нагрузкам, силовым напряжениям в ТЗП, дополнительно увеличивающим зазоры между столбиками ТЗП, вызывает изгиб столбиков, возникновение изгибных напряжений, приводящих к разрушению ТЗП.
Характер изменения структуры ТЗП при нагружении образцов 1 температурными и центробежными нагрузками при осуществлении способа согласно изобретению показан на фиг.2(с).
b
При увеличении зазоров между столбиками изгибные напряжения у их основания растут, и при определенной величине, например при напряжении σ=150 МПа, происходит разрушение ТЗП.
Увеличение зазоров между столбиками, в свою очередь, определяется деформацией материала основы, которая может быть найдена математически:
Т
ц
где ε=αΔТ - деформация, вызванная температурным ΔТ расширением, ε - деформация от центробежных и газовых сил.
Предлагаемое изобретение увеличивает функциональные возможности имитации условий нагружения ТЗП и снижает материальных затраты путем создания испытательных способа и устройства, реализуемых в лабораторных условиях.
Теплозащитные покрытия находят широкое применение на деталях и узлах, работающих при высоких температурах. Покрытия, благодаря своей низкой теплопроводности, позволяют снизить температуру защищаемого материала на 50…100°С, тем самым повышая его ресурс и надежность. Однако в процессе работы ТЗП подвергаются действию напряжений, которые при достижении критической величины приводят к сколу покрытия с защищаемого материала. Разрушение ТЗП может повлечь за собой работу конструкции на нерасчетных термомеханических режимах, которые существенно снижают долговечность и надежность деталей.
Изобретение может быть использовано для прогнозирования долговечности ТЗП, применяемых в нагруженных деталях машин.