УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована для определения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) теплозащитных пленочных покрытий (ТЗП), применяемых для защиты деталей машин от высоких температур, преимущественно в авиационной технике.
Снижение температуры основного материала с помощью ТЗП, состоящих преимущественно из верхнего керамического слоя (КС) и соединительного жаростойкого металлического подслоя (МП), позволяет значительно снизить термонапряженность, увеличить долговечность деталей и повысить температуру газа перед турбиной двигателя. В свою очередь, в процессе нагрева и охлаждения происходит отслаивание керамического покрытия от поверхности деталей во многом из-за напряжений, возникающих вследствие разности ТКЛР отдельных слоев ТЗП. В связи с этим достоверные данные ТКЛР покрытий, нанесенных по существующим технологиям и имеющих реальные характеристики (состав, толщину, пористость и др.), необходимы на стадии проектирования для выбора оптимальных характеристик и точного прогнозирования работоспособности ТЗП в эксплуатационных условиях. Современные керамические ТЗП в процессе эксплуатации разогреваются до 1200 С, тогда как перспективные покрытия будут работоспособны при 1350 С. В связи с тем, что слои ТЗП на деталях газотурбинных двигателей имеют малую толщину (50…150 мкм), определение их ТКЛР осуществляют по стандартным методикам испытаний твердых материалов при помощи образцов, изготавливаемых из материалов покрытий, нанесенных на подложку и имеющих габариты, превышающие реальные покрытия в десятки раз. Существующие методы определения ТКЛР твердых материалов основываются на разогреве образца в специальном устройстве и регистрации его удлинений различными методами.
Известно устройство для определения температурного коэффициента линейного расширения материалов, содержащее нагреватель с термостатом, размещенный в последнем держатель образца и регистрирующее устройство (патент РФ №2089890, кл. G01N 25/16, 1993 г.). Устройство предназначено для испытаний образцов, выполненных из малорасширяющихся твердых материалов. Недостатком известного технического решения является низкая точность, поскольку образец выполняется путем нанесения испытуемого покрытия на подложку, оказывающую влияние на результаты испытаний.
Известно устройство для определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов, включающее в себя герметичную камеру с кварцевыми окнами, предназначенными для наблюдения за образцом, источник нагрева, зажимы для крепления концов образца, выполненные из электропроводной керамики, совместимой с образцом при высокой температуре, и систему измерения температурных параметров (патент РФ №2132549, кл. G01N 25/18, 1998 г.). Недостатком известного технического решения является ограниченная область его применения, поскольку устройство предназначено для испытаний электропроводных материалов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является известное устройство для определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий, выполненное в виде нагревателя с внутренней полостью, содержащей теплоизоляцию и предназначенной для размещения образца с держателями, и окнами, выполненными на противоположных концах нагревателя, причем устройство также включает систему разогрева, расположенную на внешней поверхности нагревателя и систему измерения температуры и длины образца («Дилатометрический
анализ силикатных материалов. Методические указания к лабораторному практикуму и самостоятельной работе студентов по курсу «Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов», Томск, Изд. ТПУ, 2006 г. 20 стр.). Регистрация изменения длины образца при нагревании осуществляется через кварцевые окна оптическими средствами контроля. При этом известное устройство позволяет исключить влияние захватов на результаты испытаний, поскольку для размещения испытуемого образца используется держатель образца в виде ложемента, который позволяет проводить испытания при свободном положении образца. Недостатком известного технического решения является недостаточная достоверность результатов испытаний, обусловленная сложностью позиционирования образца на ложементе и влиянием последнего на распределение температур по длине образца.
В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения точности определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении равномерности распределения температур по длине образца в процессе испытаний.
Заявленный технический результат достигается тем что устройство для определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий выполнено в виде нагревателя с внутренней полостью, содержащей теплоизоляцию и предназначенной для размещения образца с держателями, и окна, выполненные на противоположных концах нагревателя. Устройство также включает систему разогрева, расположенную на внешней поверхности нагревателя и систему измерения температуры и длины образца. Согласно предлагаемому техническому решению нагреватель выполнен разъемным вдоль продольной оси. Держатели образца выполнены в виде перегородок с вырезами, предназначенными для размещения образца и установленными на противоположных концах нагревателя и ограничивающих внутреннюю полость между окнами. При этом устройство также включает захваты, выполненные в виде графитовых замкнутых элементов, закрепляемых на поверхности образца и контактирующих с внешней поверхностью перегородок, порошкообразный наполнитель, размещаемый в полости между перегородками и контактирующий с образцом, дозатор, установленный на одном из концов нагревателя и сообщающийся с
внутренней полостью последнего. При этом вырезы и захваты выполнены из условия геометрического подобия образцу.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата, так как:
- выполнение нагревателя разъемным вдоль продольной оси, держателей в виде перегородок с вырезами, предназначенными для размещения образца, установленных на противоположных концах нагревателя и ограничивающих внутреннюю полость между окнами, захватов в виде графитовых замкнутых элементов, закрепляемых на поверхности образца и контактирующих с внешней поверхностью перегородок и выполнение вырезов и захватов из условия геометрического подобия образцу обеспечивает заданную точность позиционирования образца в нагревателе и одновременно исключает возможность влияния держателей на результаты испытаний;
- выполнение теплоизоляции в виде порошкообразного наполнителя, размещаемого в полости между перегородками и контактирующего с образцом, и снабжение устройства дозатором, установленным на одном из концов нагревателя и сообщающимся с внутренней полостью последнего обеспечивает заданный градиент температур по длине образца за счет равномерного распределения порошкообразного наполнителя по длине образца.
Настоящая полезная модель поясняется следующим описанием со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1, фиг. 2, и фиг. 3, где:
на фиг. 1 изображена схема предлагаемой полезной модели;
на фиг. 2 изображено сечение А-А на фиг. 1 (плоский образец);
на фиг. 3 изображено сечение А-А на фиг. 1 (цилиндрический образец).
Устройство для определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий содержит разъемный вдоль продольной оси полый нагреватель 1, выполненный из жаропрочной стали, с кварцевыми окнами 2, расположенными на его противоположных концах. В нагревателе 1 размещены термопара 3 системы контроля температуры, держатели, выполненные в виде перегородок 4, ограничивающих полость нагревателя 1 между окнами 2. В перегородках 4 выполнены вырезы 5, предназначенные для размещения испытуемого образца 6. На конце одной из разъемных частей нагревателя 1 установлен дозатор 7, сообщающийся с полостью, ограниченной перегородками 4.
Устройство работает следующим образом. На поверхности образца 6 при помощи клея закрепляют захваты в виде замкнутых элементов 8, выполненных из графита и содержащих соответствующие вырезы 9 для
температуры, держатели, выполненные в виде перегородок. 4, ограничивающих полость нагревателя 1 между окнами 2. В перегородках 4 выполнены вырезы 5, предназначенные для размещения испытуемого образца 6. На конце одной из разъемных частей нагревателя 1 установлен дозатор 7, сообщающийся с полостью, ограниченной перегородками 4.
0
0
1
1
Устройство работает следующим образом. На поверхности образца 6 при помощи клея закрепляют захваты в виде замкнутых элементов 8, выполненных из графита и содержащих соответствующие вырезы 9 для образца 6. При этом вырезы 9 элементов 8 и вырезы 5 перегородок 4 выполнены исходя из условия геометрического подобия образцу 6. В полости части нагревателя 1 между перегородками 4 размещают порошкообразный наполнитель 10 и устанавливают образец 6 таким образом, что обращенные друг к другу поверхности элементов 8 располагаются с внешней стороны перегородок 4 и контактируют с соответствующими поверхностями последних. После этого образец 6 закрывают ответной частью нагревателя 1 и фиксируют части нагревателя 1 относительно друг друга (например контактной сваркой). При помощи дозатора 7 заполняют свободную часть полости нагревателя 1 порошкообразным наполнителем 10 и помещают нагреватель 1 в теплоизолированный кожух 11. Последний располагают между ветвями индуктора 12, электрически связанного с генератором 13. Бесконтактной системой измерения через окна 2 производят замер начальной длины (L) образца 6 при нормальной температуре (T). Затем при помощи генератора 13, индуктора 12 и нагревателя 1 производят нагрев образца 6 до заданной температуры (T) и измеряют длину (L) последнего. В процессе нагрева элементы 8 захватов под действием температуры разрушаются и не препятствуют перемещению концов образца 6 в результате удлинения последнего, и не влияют на градиент температур по длине образца 6. При этом испытания возможно проводить как в горизонтальном, так и в вертикальном положении нагревателя 1, поскольку элементы 8 захватов не позволяют наполнителю 10 просыпаться за пределы перегородок 4, а наполнитель 10 не препятствует перемещению образца 6. По результатам измеренных величин температуры и длины последнего определяют коэффициент температурного расширения материала покрытия по стандартному соотношению:
i
i
В дальнейшем образец 6 нагревают ступенчато до температур (T), измеряя его длину (L) на каждом этапе и вычисляют по указанному выражению коэффициент температурного расширения материала покрытия.
При испытаниях цилиндрического образца в полости последнего размещают наполнитель, выполненный из термостойкой минеральной ваты. При этом захваты могут быть выполнены в виде жгутов из материала, аналогичного материалу, наполнителя. Жгуты закрепляются на цилиндрической поверхности образца, поэтому вырезы не требуются.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить точность определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий за счет исключения влияния держателей на равномерность распределения температур по длине испытуемого образца в процессе испытаний.