СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF DETERMINING THERMAL CHARACTERISTICS OF HEATPROOF COATS

Изобретение относится к области теплофизических измерений, а более точно касается определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий. Изобретение может быть использовано для определения теплофизических характеристик структурированных теплозащитных покрытий (ТЗП) из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов.
Долговечность и ресурс деталей, подверженных воздействию высоких температур, во многом определяется правильным выбором того или иного теплозащитного покрытия, которое позволяет снизить температуру основного материала на 50…100°С и более. Одной из основных характеристик высокотемпературного теплозащитного покрытия является теплопроводность, высокая точность измерения которой особенно необходима для правильного выбора теплозащитного покрытия.
Известен способ определения теплофизических свойств электропроводящих твердых материалов (патент RU №2359258, МПК G01N 25/18, 20.06.2009). В известном способе исследуемый электропроводящий образец помещают в вакуумной камере. Рядом с образцом параллельно его поверхности размещают электрод. Концы образца закрепляют на гибких элементах. Образец нагревают пропусканием электрического тока. Для нескольких значений тока нагрева определяют величину тока и падения напряжения, ток эмиссии, по которому рассчитывают температуру образца, не менее чем в 3 точках на изотермическом участке образца и на участке с градиентом температур. В процессе охлаждения определяют ток эмиссии в зависимости от времени охлаждения и по полученным значениям параметров определяют теплофизические свойства материала, в частности теплопроводность.
Данный способ позволяет определить теплопроводность только электропроводящих материалов и не может быть использован для измерения теплопроводности нетокопроводящих теплозащитных покрытий. Кроме того, в данном способе не производится прямого измерения температуры, что отрицательно сказывается на точности полученных результатов.
Известен способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий («Новые технологические процессы и надежность ГТД», выпуск 7. М., ЦИАМ, 2008, с.171), который по совокупности признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.
Указанный способ заключается в том, что исследуемый образец, представляющий собой плоский диск с теплозащитным покрытием из высокотемпературного нетокопроводящего керамического материала, нанесенным на одну боковую грань по электронно-лучевой технологии, поверх которого нанесен тонкий слой интерметаллида, помещают в вакуумную камеру, вакуумируют из нее газ и облучают с помощью лазера коротким импульсом лучистой энергии со стороны слоя интерметаллида. Возрастание температуры на обратной стороне образца измеряется при помощи термопары или инфракрасного детектора. Экспериментально определяют температуропроводность и теплоемкость, затем по этим характеристикам рассчитывается теплопроводность.
Недостатком указанного способа является то, что данный способ не эффективен для исследования структурированных ТЗП, например наносимых электронно-лучевым методом. Это связано с тем, что нанесенное таким образом ТЗП состоит из несвязных столбчатых волокон, и тепловой поток при лучистом нагреве передается не только теплопроводностью по волокнам покрытия, но и излучением, часть которого проникает между волокон. Интерметаллидное покрытие, которое применяют для исключения рассматриваемого лучистого потока, при нагреве само становится источником лучевой энергии, что приводит к недостоверным результатам, ошибка в которых может достигать 30%.
В основу изобретения положена задача создания способа определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов, повышающего достоверность определения теплофизических характеристик структурированных теплозащитных покрытий.
Техническим результатом является уменьшение ошибки определения изменения температуры структурированного ТЗП.
Поставленная задача решается тем, что при определении теплофизических характеристик теплозащитных покрытий из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов теплозащитное покрытие определенной толщины наносят на одну из поверхностей металлического носителя электронно-лучевым методом, полученный образец помещают в вакуумную камеру, вакуумируют из нее газ и нагревают образец до рабочих температур, причем нагрев образца осуществляют электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, изменение температуры которого регистрируют термопарой, расположенной на его поверхности, изменение температуры теплозащитного покрытия, нагреваемого металлическим носителем, регистрируют дистанционно регистратором, например пирометром, расположенным со стороны теплозащитного покрытия, а измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность.
Целесообразно использование носителя в виде плоской прямоугольной пластины или трубчатого носителя.
Теплозащитное покрытие из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов, относящееся к данному изобретению, обладает свойствами, которые позволяют наносить его только электронно-лучевым методом на какую-либо поверхность, обычно из металлического материала, имеет специфическую столбчатую структуру с кристаллитами, ориентированными перпендикулярно поверхности образца (фиг.2). При нагреве образца с теплозащитным покрытием происходит расширение металлического материала, что приводит к увеличению расстояния между столбиками покрытия. При нагреве образца коротким импульсом лучистой энергии со стороны теплозащитного покрытия часть излучения проникает между столбиками покрытия, внося существенную ошибку в результаты измерения. В связи с увеличением расстояния между столбиками теплозащитного покрытия при нагреве металлического образца происходит увеличение излучения, проникающего между волокнами теплозащитного покрытия, а следовательно, и ошибки измерения. В предлагаемом же способе нагрев осуществляется электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, что исключает описанный выше эффект и повышает точность измерения температуры.
Непрерывное измерение температур теплозащитного покрытия и металлического носителя осуществляется пирометром и термопарой соответственно, и по полученным разностям температур металлического носителя и теплозащитного покрытия в различные моменты времени строится график относительной температуры от времени ln(θ)=f(τ) (Фиг.3) и определяется величина темпа охлаждения m=tgφ. При наступлении регулярного режима темп нагрева не зависит ни от координат, ни от времени и является величиной постоянной для всех точек тела. Темп нагрева характеризует относительную скорость изменения температуры в теле и зависит только от физических свойств тела, процесса нагрева на его поверхности, геометрической формы и размеров тела.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, на которых на фиг.1 изображена принципиальная схема установки для осуществления заявляемого способа, фиг.2 иллюстрирует изменение структуры ТЗП с изменением температуры, фиг.3 иллюстрирует пример осуществления способа.
Способ осуществляют с использованием установки (фиг.1) следующим образом.
2
2
3
На одну из поверхностей металлического носителя 1 наносят высокотемпературное нетокопроводящее керамическое теплозащитное покрытие 2 определенной толщины электронно-лучевым методом. В качестве такого покрытия может быть использована керамика, например, с составом ZrO-7÷8%YO.
Металлический носитель 1 может быть в виде плоской прямоугольной пластины или иметь трубчатую форму.
Полученный образец подсоединяют к источнику 5 постоянного электрического тока с помощью шины 7 и потенциальных концов 6 и помещают в вакуумную камеру 8.
На поверхности металлического носителя закрепляют термопару 3, со стороны теплозащитного покрытия устанавливают пирометр 4.
Вакуумируют из камеры 8 газ и включают источник 5 постоянного тока. Электрический ток, пропускаемый через металлический носитель 1, нагревает его до рабочей температуры, примерно до 2000 К, изменение которой регистрируется термопарой 3.
Тепловая энергия от поверхности металлического носителя передается внутренней поверхности ТЗП и вызывает возмущение температуры на его наружной поверхности, которое регистрируется пирометром 4.
Использование вакуумной камеры позволяет повысить точность экспериментально измеряемых величин.
Измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность следующим образом.
Теплопроводность теплозащитного покрытия рассчитывается по следующей формуле:
2
где a - температуропроводность, (см/с)
3
ρ - плотность, (г/см)
Сp - теплоемкость, (Дж/г·К).
Коэффициент температуропроводности находится из выражения
где K - коэффициент формы, зависящий от формы и размеров образца.
m=tgφ - темп нагрева образца определяется из графика изменения относительной температуры от времени (фиг.3).
Удельная теплоемкость высокотемпературного теплозащитного покрытия определяется из следующего выражения:
где i - сила тока, А;
20
R - активное сопротивление металлического образца при температуре 20°С, Ом·м;
- коэффициент температурного расширения металлического образца;
T - температура металлического образца, °С;
ΔT - температура, на которую нагрели теплозащитное покрытие, °С;
- масса высокотемпературного теплозащитного покрытия, г;
t - время, с.
Представленный способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий позволяет снизить ошибку измерения до 5%.