Устройство для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость

Полезная модель относится к испытательной технике для исследования прочностных свойств материалов, а именно к устройствам для крепления образцов с керамическим покрытием при испытаниях на термоусталость, и может быть использована при испытаниях кольцевых или трубчатых образцов из хрупких керамических материалов.
Теплозащитные покрытия (ТЗП), состоящие из внешнего керамического слоя и металлического подслоя, наносят на детали различных изделий для снижения температуры их основного материала.
Одна из наиболее острых проблем ТЗП - значительное различие в коэффициентах термического расширения керамического слоя и металлического подслоя, из-за которого в процессе эксплуатации возникают термические напряжения, приводящие в последующем к разрушению (сколу) покрытия.
Известно устройство для испытания трубчатых образцов на растяжение, содержащее установленные с возможностью перемещения соосно расположенные захваты, включающие клиновые вкладыши, предназначенные для взаимодействия с концами образца при испытании последнего (SU 1173237, 1985).
В известном техническом решении конические поверхности клиновых вкладышей захватов взаимодействуют с силовыми элементами устройства.
Существенным недостатком известного технического решения является низкая точность испытаний, обусловленная резьбовым креплением конических элементов к концевым участкам испытуемого образца, что создает концентраторы напряжений, влияющих на результаты испытаний.
Известно устройство для испытания трубчатых образцов, содержащее установленные с возможностью перемещения соосно расположенные захваты, включающие усеченные конические элементы, предназначенные для взаимодействия с концами образца при обеспечении градиента температуры по толщине материала (SU 1569670, 1990).
В известном техническом решении концы испытуемого образца включают участки, предназначенные для взаимодействия с коническими элементами захватов, выполненные в виде усеченных конусов, вершины которых направлены навстречу друг другу. Заданный градиент температур по толщине материала образца осуществляется с помощью размещенных внутри и снаружи образца полых цилиндров со сквозными отверстиями, предназначенных для нагрева с одной стороны образца при помощи индуктора и охлаждения с другой стороны при помощи охлаждающего газа.
Существенным недостатком известного технического решения является сложность обеспечения заданного градиента температуры.
Известно устройство для испытания цилиндрических полых образцов на термопрочность, содержащее соосно расположенные захваты, выполненные в виде дисков с теплоизоляционными прокладками, между которыми размещается испытуемый образец, и лепестков в виде сегмента круга, хорда которого параллельна оси дисков (SU 621988, 1978).
В известном техническом решении лепестки захватов обеспечивают контакт с внутренней поверхностью образца, фиксируя ее перед охлаждением.
Существенным недостатком известного технического решения также является сложность обеспечения заданного градиента температуры.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является устройство для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость, содержащее установленные с возможностью перемещения соосно расположенные захваты, включающие усеченные конические выступы, предназначенные для взаимодействия с концами цилиндрического образца, вершины которых направлены навстречу друг другу, первый захват выполнен в виде полого цилиндра, на конце которого размещен первый усеченный конический выступ (SU 1015281, 1983).
В известном техническом решении нагревательное устройство размещают во внутренней полости, образованной пакетом образцов, а градиент температур создают при помощи потока охлаждающей среды, подаваемой в зазор между нагревательным устройством и внутренней поверхностью пакета образцов. При этом происходит воздействие охлаждающей среды как на образцы, так и на нагревательное устройство, причем от скорости потока охлаждающей среды зависит только температура нагреваемой поверхности образцов.
Недостатком известного технического решения является низкая достоверность результатов испытания, обусловленная сложностью задания градиента температур по стенке образца, соответствующего реальным условиям эксплуатации материала изделия.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении достоверности испытаний путем моделирования реальных условий эксплуатации керамического покрытия при повышенных температурах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в создании заданного градиента температур по стенке образца.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость, содержащем установленные с возможностью перемещения соосно расположенные захваты, включающие усеченные конические выступы, предназначенные для взаимодействия с концами цилиндрического образца, вершины которых направлены навстречу друг другу, первый захват выполнен в виде полого цилиндра, на конце которого размещен первый усеченный конический выступ, согласно предлагаемой полезной модели второй захват выполнен в виде стакана, в средней части которого размещен второй усеченный конический выступ, обращенная к усеченному конусу первого захвата верхняя часть стакана установлена во внутренней полости цилиндра коаксиально последнему таким образом, что внутренняя поверхность цилиндра и внешняя поверхность верхней части стакана образуют кольцевой канал, предназначенный для прохождения охлаждающей среды, а в стенке средней цилиндрической части стакана выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные прорези, сообщенные с кольцевым каналом.
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая устройство для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием устройства для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость и его работы со ссылкой на иллюстрации, где на фиг. 1 и 2 представлен вариант схемы крепления кольцевого образца.
На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:
1 - опорная плита;
2 - Г- образная стойка;
3 - индуктор;
4 - гайка крепления первого (верхнего) захвата;
5 - пружина;
6 - полый цилиндр (первый захват);
7 - конический выступ первого захвата;
8 - гайка крепления второго (нижнего) захвата;
9 - стакан (второй захват);
10 - конический выступ второго захвата;
11 - кольцевой канал;
12 - сквозные прорези второго захвата;
13 - штуцер;
14 - внутренняя полость стакана 9;
15 - кольцевой металлический образец;
16 - слой керамического покрытия.
Установка для испытания на термоусталость образцов с керамическим покрытием включает опорную плиту 1 с закрепленной на ней Г-образной стойкой 2, нагревательное устройство в виде индуктора 3 и устройство для крепления образцов с керамическим покрытием, содержащее установленные с возможностью перемещения соосно расположенные захваты (фиг. 1-2). Первый (верхний) захват закреплен на Г-образной стойке 2 при помощи гайки 4 и пружины 5 и выполнен в виде полого цилиндра 6, на конце которого размещен первый усеченный конический выступ 7. Второй (нижний) захват закреплен на опорной плите 1 при помощи гайки 8 и выполнен в виде стакана 9, в средней части которого размещен второй усеченный конический выступ 10. Усеченные конические выступы 7 и 10 предназначены для взаимодействия с концами цилиндрического образца, а их вершины направлены навстречу друг другу. Обращенная к усеченному конусу выступа 7 первого захвата верхняя часть стакана 9 установлена во внутренней полости цилиндра 6 коаксиально последнему таким образом, что внутренняя поверхность цилиндра 6 и внешняя поверхность верхней части стакана 9 образуют кольцевой канал 11, предназначенный для прохождения охлаждающей среды. В стенке средней цилиндрической части стакана 9 выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные прорези 12, сообщенные с кольцевым каналом 11. На опорной плите 1 закреплен штуцер 13, предназначенный для подачи охлаждающей среды во внутреннюю полость 14 стакана 9.
Устройство для крепления образцов с керамическим покрытием при испытании на термоусталость работает следующим образом.
Кольцевой металлический образец 15 с нанесенным на его внешнюю поверхность слоем 16 керамического покрытия устанавливают между усеченными коническими выступами 7 и 10 соответственно первого (верхнего) и второго (нижнего) захватов и фиксируют при помощи пружины 5. Концентрично образцу 15 устанавливают индуктор 3 и осуществляют нагрев образца 15. Индукционный нагрев обеспечивает высокую скорость поверхностного нагрева со стороны керамического покрытия. Через штуцер 13 во внутреннюю полость 14 стакана 9 подают охлаждающую среду (воздух, инертный газ), поток которой через сквозные прорези 12 в стенке средней цилиндрической части стакана 9 поступает в зазор между цилиндрической поверхностью средней части стакана 9 и внутренней поверхностью образца 15, а затем удаляется через кольцевой канал 11 между внутренней поверхностью цилиндра 6 и внешней поверхностью верхней части стакана 9. В процессе прохождения потока охлаждающей среды осуществляется охлаждение внутренней поверхности образца 15. Путем изменения скорости потока охлаждающей среды, количества, размеров и формы сквозных прорезей 12 и величины кольцевого канала 11 создают заданный температурный градиент по стенке испытуемого образца, что позволяет имитировать реальные условия эксплуатации керамического покрытия 16.
Таким образом, выполнение второго захвата в виде стакана, в средней части которого размещен усеченный конический выступ, размещение верхней части стакана во внутренней полости цилиндра первого захвата коаксиально последнему, образование между внутренней поверхностью цилиндра и внешней поверхностью верхней части стакана кольцевого канала для прохождения охлаждающей среды и выполнение в стенке средней цилиндрической части стакана равномерно расположенных по окружности сквозных прорезей, сообщенных с кольцевым каналом, позволяет повысить достоверность испытаний путем создания градиента температур по стенке образца, соответствующего реальным условиям эксплуатации керамического покрытия при повышенных температурах.