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                      涂層隔熱性能測試方法分析

                      [2017-06-27 14:48]

                      對于航空發動機、燃氣渦輪機等高溫工況下服役的零部件,通常會利用熱障涂層(TBCs)優異的隔熱性能來充分降低金屬基體的實際工作溫度,進而達到顯著提高使用性能和壽命的目的。陶瓷材料具有優異的隔熱性能(如 ZrO2 熱導率λ為2.12 W/(m·K)(1273K))[1],被大量用于熱障涂層材料。由于熱障涂層具有廣泛的應用前景,為了進一步提高其隔熱性能,近年來國內外開展了大量的研究工作[2?13]。通過試驗模擬熱障涂層服役工況條件來研究熱障涂層隔熱性能是一種非常有效的途徑。為更好評估涂層隔熱效果,合理設計熱障涂層隔熱性能測試方法非常重要。文中主要利用4種不同的測試方法對陶瓷涂層的隔熱效果進行了試驗測試,并對幾種測試方法進行了對比分析,旨在研究不同熱障涂層隔熱性能測試方法的差異和應用。

                      1 試驗材料及測試方法
                      所用試樣金屬基體材料為 H13鋼,熱障涂層粘結層為 Ni Cr合金(厚度0.05mm),熱障涂層表層陶瓷涂層材料為含質量分數5%CaO 穩定的ZrO2。采用SX 5000型超音速火焰噴涂設備利用氧 乙炔燃燒為熱源,將連續均勻送入火焰中的熱障涂層原料棒材端部加熱到熔化狀態,借助于高壓氣體將熔化狀態的棒材霧化成微粒,噴射到工件表面形成涂層的工藝方法制備表面陶瓷涂層,然后利用金剛石砂輪拋光涂層表面,獲得所需厚度的試樣。文中采用以下4種測試方法對陶瓷熱障涂層的隔熱效果進行測試。
                      方法1:將100mm×50mm×6mm試樣的涂層面分別置于800 W 電爐子(爐絲溫度1000 ℃)上,通過電阻絲熱輻射加熱涂層面,同時利用紅外測溫儀測量試樣背面金屬基材溫度。
                      方法2:將100mm×50mm×6mm試樣的涂層面分別置于氧氣乙炔火焰(火焰溫度>2000℃)正上方,試樣涂層表面與火焰槍噴嘴距離固定為85mm,火焰氣流強度始終不變,以避免加熱源因素帶來的測試誤差,通過氧氣乙炔火焰直接加熱涂層面,并同時用紅外測溫儀 ST677測量試樣位于火焰加熱區背面中心部分的金屬表面溫度。
                      方法3:以150mm×150mm×6mm 試樣作為馬弗爐頂部蓋子,涂層面與爐腔同側,受爐腔熱輻射作用加熱試樣涂層,同時測試該加熱區背面金屬表面中部溫度,試驗中爐溫恒為1400 ℃。方法4:將Φ20×100(一側有Φ8×70盲孔)試樣表面完全噴涂陶瓷熱障層,并分別置于管式加熱爐(爐溫1600 ℃)內加熱60s后移出風冷,將熱電偶插入試樣盲孔測溫,利用與 K 型熱電偶連接的溫度記錄儀 YBJL 809 2全程記錄試樣基體溫度變化。

                      2 結果與討論
                      2.1 涂層隔熱性能測試結果及分析
                      采用方法1獲得了加熱過程中涂層厚度分別為無涂層、0.4mm 和1.1mm 試樣金屬基體背面的溫度變 化 曲 線 (圖 1)。從 試 驗 結 果 看,150s內,3種涂層厚度獲得的隔熱效果無明顯差別;隨試樣加熱時間延長,無涂層試樣金屬基體溫度在250~300s時間段明顯高于有涂層試樣金屬基體溫度;金屬基體達到600℃時3組試樣所需時間分別為300、390和490s,有涂層試樣比無涂層試樣升溫速度明顯降低,說明陶瓷涂層有一定的隔熱效果,但因設備簡陋,該試驗方法只能在一定范圍內定性描述陶瓷涂層對電阻絲熱輻射有一定的隔熱效果,但隨加熱時間延長,陶瓷層加熱和基體背面散熱(對流、輻射)逐漸增大,達到平衡,涂層和無涂層試樣背面溫度趨于一致,難以獲得定量的、涂層長期穩定的隔熱效果。
                      圖2為采用方法2獲得的涂層厚度分別為無涂層、0.40、0.50、0.80和1.00mm 試樣金屬基體溫度變化曲線。
                      從試驗結果看,涂層越厚,試樣加熱區背面金屬基體的溫度越高,達到1000 ℃所需時間也越長,無涂層的試樣經75s達到1000 ℃,0.40mm涂層試樣則需105s,1mm 涂層試樣達到165s。
                      圖3為方法2試驗前后試樣表面形貌照片。加熱前,試樣陶瓷涂層表面呈均勻的淡白色,試樣金屬基體表面平整且顏色均勻;加熱后,試樣陶瓷涂層表面加熱區域呈紅白相間的顏色,由于加熱時試樣金屬基體達到的溫度已高于1000℃,試樣金屬基體表面出現大量氧化皮。
                      方法3中,熱障涂層將試樣金屬基體與馬弗爐的高溫爐腔分隔開,由于熱導率非常低,熱障涂層有效阻礙了熱量傳遞給試樣金屬基體。加熱時間達到5min時,試樣溫度仍不到200℃(圖4),而加熱相同時間的無涂層試樣,溫度已達到770℃。有涂層試樣的溫度變化較為平緩,涂層越厚則金屬基體溫度升高越慢,這充分說明ZrO2 陶瓷涂層具有優異的隔熱性能。
                      圖5為采用方法4所得的試驗結果。與其他測試方法不同,此試驗過程同時記錄了試樣加熱和冷卻過程的金屬基體溫度變化,幾種不同厚度涂層試樣的溫度變化趨勢一致。在相同時間內,無涂層試樣溫度升高和降低的速率明顯高于有涂層試樣。加熱時間為66s時,不同厚度涂層試樣金屬基體所達到的溫度對比見表1。
                      從4種熱障涂層隔熱性能測試結果可以看出,有熱障涂層的試樣金屬基體的升溫速率明顯低于無涂層試樣的升溫速率,且有涂層試樣的升溫速率趨于一致。4組試驗中,在0.4~1.16mm 涂層厚度范圍,涂層越厚則隔熱性能越好。
                      2.2 測試方法對比分析
                      4種測試方法獲得的熱障涂層隔熱性能趨勢一致,說明這4種測試方法均能在一定程度上反映熱障涂層隔熱性能,但由于采用熱源或加熱方式的不同,使熱障涂層處于不同狀態的環境溫度場中,導致4種測試方法存在明顯差異。
                      方法1中,試樣處于一個與周圍環境全開放(熱交換)的空間,電阻絲輻射熱流向試樣傳遞熱量的同時,試樣也通過對流、輻射向外散熱,最終可達到一熱平衡溫度(流入的熱量等于流出的熱量),此時熱障涂層兩側溫度一致,無法測出平衡時的涂層隔熱效果;另一方面,電爐功率有限,輻射熱流對表面涂層加熱速率相對慢,例如厚0.40mm 的熱障涂層試樣加熱7min時,試樣背面的基體溫度剛接近600 ℃。該測試方法簡陋,只能定性地描述加熱過程中一段時間內不同熱障涂層體系(如不同熱導率、不同厚度和結構)的區別,應用的科學價值低。
                      方法2本質上同方法1是一樣的,只是火焰焰流直接接觸試樣涂層表面,熱流傳遞效率大幅提高,試樣升溫迅速,最終的平衡溫度也大幅提高。由于溫度高,對基體材料氧化現象嚴重,影響紅外測量的準確性。同樣,由于測試方法簡陋,應用價值較低。
                      方法3和4與上述兩種方法相比,最大的區別在于試樣背面處于一個半開放的散熱環境中,散熱量可控,而涂層表面熱源傳遞的熱流均勻穩定,可以設定一穩態的熱流條件,控制試樣表面、背面存在一定的溫度差,保證涂層試樣處于一定的梯度溫度場中,可通過有涂層/無涂層溫差法測得涂 層 的 隔 熱 效 果,并 可 通 過 檢 測 涂 層 熱 導率[14],結合理論計算和數值模擬建立平面或曲面平板導熱模型,獲得涂層隔熱的計算值,與實際測得的涂層隔熱效果進行分析對比。此外,試驗過程中可通過熱電偶和溫度記錄儀全程監測和記錄試樣兩側溫度變化。方法3和方法4受加熱爐功率(最高工作溫度)限制,試樣很難達到火焰槍那種高溫受熱狀態。因此,這兩種測試方法通常情況可用于模擬受熱溫度不超過2000 ℃的工況環境(如超高溫成形模具的熱作件[15])。
                      而方法3與方法4的主要區別在于前者試樣背面金屬側暴露在環境空氣中,通過界面處與環境氣體的對流與熱交換形成動態穩定的梯度溫度場。方法4加熱時試樣全部置于管式爐中,屬于一種準絕熱狀態,試樣加熱時金屬基體基本處于吸熱狀態;當試樣從管式爐中取出進行冷卻,試樣則處于全散熱狀態?啥糠治鰺嵴贤繉拥臒醾鬟f和預測基體將達到的溫度,這對優選熱障涂層制備方法及零部件基體材料都有重要參考價值。

                      3 結 論
                      (1)給出4種隔熱性能測試方法,由于熱源強弱及試樣所處溫度場的不同,所得試驗結果存在一定差異,后兩種測試方法熱源傳遞的熱流均勻穩定且測溫相對準確,通過理論計算和數值模擬與試驗結果結合分析,具有一定科學應用價值。
                      (2)4種測試方法均可不同程度地反映熱障涂層的隔熱效果及變化趨勢,在接近實際服役工況條件下,可定性評估涂層隔熱性能。



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