抗氧化涂層熱震性能試驗(yàn)裝置

安東陽,張景勝,唐增武,張珊珊

(1.北京星航機(jī)電裝備有限公司檢測試驗(yàn)中心，北京 100074；2.光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

1 引言

抗氧化涂層的研究距今已有數(shù)十年的歷史，其中雙組元液體火箭發(fā)動機(jī)推力室喉部及尾噴管是其主要應(yīng)用方向之一。世界各國幾乎所有現(xiàn)有型號和預(yù)研型號的火箭發(fā)動機(jī)都涂覆有某些種類的抗氧化涂層，且對涂層的性能提出了越來越高的要求，使得抗氧化涂層事實(shí)上成為火箭發(fā)動機(jī)不可或缺的組成部分[1-3]。人類在進(jìn)行空間探索時，飛行器需要經(jīng)受各種復(fù)雜空間環(huán)境因素的作用?？臻g環(huán)境因素復(fù)雜是導(dǎo)致航天器抗氧化涂層性能退化的主要原因之一，甚至對在軌航天器的壽命與安全性造成嚴(yán)重的威脅。根據(jù)測試設(shè)備中使用加熱元件和測溫元件的功能及特點(diǎn)，要研制與航天發(fā)動機(jī)抗氧化涂層相應(yīng)溫度工作區(qū)間匹配的設(shè)備[5-10]?；鸺l(fā)動機(jī)抗氧化涂層在500℃以上區(qū)間工作時，其熱震性能是衡量涂層性能的重要指標(biāo)。本文研制了一套抗氧化涂層熱震性能裝置，測試溫度范圍500～2000℃，控溫精度達(dá)到±5℃；測重精度達(dá)到±0.1mg，能夠在保證測量結(jié)果可靠性的前提下，突破涂層測試的溫度瓶頸。本文研制的裝置將會促進(jìn)涂層的研究工作，同時對提高發(fā)動機(jī)系統(tǒng)性能，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命具有極其重要的促進(jìn)意義。

2 空氣/真空熱震試驗(yàn)裝置

2.1 熱震/真空爐

空氣/真空熱震試驗(yàn)裝置采用直接夾持電加熱方式實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法為：直接利用試樣的導(dǎo)電性將其作為加熱體，中空電極采用水冷保護(hù)，其兩端用中空的鋁電極對其進(jìn)行夾持導(dǎo)電加熱，電極最小間距為50mm。采用光纖高溫計(jì)實(shí)時檢測試樣溫度，調(diào)節(jié)電源輸出使試樣在設(shè)定時間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度。由于加熱需要低壓大電流，所以大功率的低壓變壓器和控制柜就近放置在工作臺的后方和側(cè)方。真空爐為實(shí)現(xiàn)高真空目的，專門設(shè)計(jì)了真空罩，在真空罩外與試樣高度一致的地方設(shè)計(jì)玻璃視窗，方便光纖高溫計(jì)、CCD相機(jī)、光譜儀觀察并測量試樣溫度、表面狀態(tài)和發(fā)射率，并在試驗(yàn)平臺下方設(shè)計(jì)抽真空系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)行熱震性能試驗(yàn)時，利用電機(jī)驅(qū)動將真空罩升起，使試樣處于空氣中，當(dāng)進(jìn)行真空性能試驗(yàn)時，利用電機(jī)驅(qū)動將真空罩落下，然后進(jìn)行抽真空，使試樣處于高真空環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一套裝置兩種用途?？諝?真空熱震試驗(yàn)裝置外形尺寸為250mm×400mm×250mm(長×寬×高)，加熱功率為10kW，空氣/真空熱震試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 空氣/真空熱震試驗(yàn)裝置

真空性能試驗(yàn)的真空度要求非常高，達(dá)到≤6.7×10-6Pa的超高真空度，為實(shí)現(xiàn)這一真空度，抽真空系統(tǒng)選用兩級真空系統(tǒng)：第一級為機(jī)械式真空泵；第二級為渦輪分子泵，如圖2所示。采用渦輪分子泵串聯(lián)機(jī)械泵的真空系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，該系統(tǒng)不烘烤可以獲得10-6Pa的真空度，烘烤后真空度可以達(dá)到10-8Pa。而且該系統(tǒng)比較清潔，可構(gòu)成無油超高真空系統(tǒng)。

圖2 高真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

用兩套裝置實(shí)現(xiàn)真空度測量：采用電阻規(guī)(ZJ-52J)實(shí)現(xiàn)低真空度測量(1×105—1×10-1Pa)；采用電離規(guī)(ZJ-12)實(shí)現(xiàn)高真空度測量(10-1—1×10-8Pa)。抽真空系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 抽真空系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2 控制系統(tǒng)

熱震/高真空試驗(yàn)系統(tǒng)由熱震/真空爐、大功率低壓變壓器、抽真空系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺和控制系統(tǒng)構(gòu)成。熱震/高真空試驗(yàn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由工控機(jī)、控溫儀表，溫度數(shù)字顯示儀表、功率輸出、真空度測量與控制裝置組件構(gòu)成，用以完成試驗(yàn)中試樣實(shí)時溫度的采集和控制，試樣圖像的信號采集和記錄和真空度的測量與自動抽真空功能。整個的試驗(yàn)過程可以采用手動控制方式或全自動控制方式，控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 熱震/高真空控制系統(tǒng)框圖

真空的測量采用ZDF-5210 復(fù)合真空計(jì)實(shí)現(xiàn)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 ZDF-5210復(fù)合真空計(jì)技術(shù)參數(shù)

2.3 軟件系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)

熱震/高真空試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由三大部分組成：(1)可設(shè)定加熱溫度、升溫時間、保溫時間和冷卻時間，可以實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制；(2)可以設(shè)置循環(huán)次數(shù)，并顯示當(dāng)前循環(huán)次數(shù)；(3)試樣溫度、圖像等信息的采集處理。下面以熱震試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為例，介紹軟件系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 熱震性能試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)界面

實(shí)驗(yàn)有自動、手動兩種控制方式，溫度設(shè)定和控制誤差可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)加熱控制溫度和精度，輸出初值和輸出上限完成溫度控制，程序內(nèi)置溫度控制算法。循環(huán)次數(shù)和當(dāng)前次數(shù)分別顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)和當(dāng)前進(jìn)度，升溫時間、保溫時間和冷卻時間根據(jù)試樣要求設(shè)置，溫度波形圖實(shí)時顯示試樣重量信息，重量數(shù)據(jù)可以保存到excel中，便于以后數(shù)據(jù)分析。

攝像系統(tǒng)采用高像質(zhì)CCD攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)試樣表面涂層脫落的記錄，采用的CCD攝像機(jī)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 CCD攝像機(jī)技術(shù)參數(shù)

冷卻水系統(tǒng)負(fù)責(zé)給各試驗(yàn)項(xiàng)目中的高溫和大功率設(shè)備提供冷卻水，系統(tǒng)由一個容積為1m3的儲水箱、制冷機(jī)、給水泵和凈化過濾等部分組成。工作時冷卻水通過給水泵加壓后輸往需冷卻的試驗(yàn)設(shè)備，回流的冷卻水經(jīng)過濾后回到儲水箱，經(jīng)制冷機(jī)制冷后將不高于25℃的冷卻水循環(huán)供給需冷卻的試驗(yàn)設(shè)備。系統(tǒng)通過凈化過濾設(shè)施對循環(huán)冷卻水和儲水箱的補(bǔ)充水進(jìn)行凈化過濾，以防止循環(huán)冷卻水受到污染，從而導(dǎo)致整個冷卻系統(tǒng)及被冷卻設(shè)備的制冷能力下降及使用壽命的縮短。

3 空氣中熱震及真空試驗(yàn)裝置的測試結(jié)果及分析

3.1 空氣中加熱試驗(yàn)

(1) 最大加熱速度測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中首先接通涂層熱震及真空試驗(yàn)裝置控制柜電源，待溫控表穩(wěn)定后，設(shè)定熱震及真空試驗(yàn)裝置加熱范圍的最低溫，溫度穩(wěn)定后設(shè)定目標(biāo)溫度為加熱范圍的最高溫；最大加熱/制冷速率為采用溫度范圍差值除以所用的時間計(jì)算得到，如表4所示，測試結(jié)果表明：熱震試驗(yàn)裝置的最大加熱速度為13500k/min。

表4 最大加熱速度測試記錄表

(2) 溫度范圍及控溫精度測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中，選取熱震試驗(yàn)裝置的五個溫度點(diǎn)，分別為500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃；各測溫點(diǎn)穩(wěn)定10min 后觀察溫度變化，加熱/制冷總時間為5min，每隔1min記錄一次溫度，采用貝塞爾公式計(jì)算控溫精度，并根據(jù)結(jié)果評估溫度范圍和控溫精度，如表5所示。

表5 熱震測試溫度范圍及控溫精度測試記錄表

溫度范圍、控溫精度測試結(jié)果表明：熱震試驗(yàn)裝置在測溫點(diǎn)500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃的平均溫度分別為500.1℃，1000.1℃，1501.3℃，1900.3℃，2351.3℃，控溫精度為±1.1℃，±1.4℃，±1.7℃，±2.0℃，±2.7℃；涂層熱試驗(yàn)裝置的加熱/制冷溫度范圍為-185～2350℃，其控溫精度均小于±5℃。

(3) 循環(huán)次數(shù)驗(yàn)證測試結(jié)果及分析

在熱震試驗(yàn)裝置測試溫度范圍內(nèi)的若干待測溫度點(diǎn)下設(shè)定循環(huán)次數(shù)為300 次，每隔50 次記錄試樣循環(huán)是否正常，如表6所示。測試結(jié)果表明：熱震試驗(yàn)裝置能夠完成冷熱循環(huán)試驗(yàn)。

表6 循環(huán)次數(shù)驗(yàn)證測試記錄表

3.2 真空中加熱試驗(yàn)

(1) 真空度測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中，首先打開系統(tǒng)電源，將被測試樣夾持在電極上，打開冷卻水，通過移動升降系統(tǒng)閉合真空罩、啟動機(jī)械泵、啟動分子泵和開啟電離規(guī)，反復(fù)五次進(jìn)行抽真空，并記錄真空度，計(jì)算其平均值，如表7所示。測試結(jié)果表明：真空度的平均值為6.69×10-6Pa。

(2) 最大加熱速度測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中，接通涂層熱試驗(yàn)裝置控制柜電源，待溫控表穩(wěn)定后，設(shè)定熱震試驗(yàn)裝置加熱范圍的最低溫，溫度穩(wěn)定后設(shè)定目標(biāo)溫度為加熱范圍的最高溫；記錄所用的時間，最大加熱/制冷速率為采用溫度范圍差值除以所用的時間即得到，如表8所示。測試結(jié)果表明：真空試驗(yàn)裝置的最大加熱速度為19890k/min。

表8 最大加熱速度測試記錄表

(3) 溫度范圍及控溫精度測試結(jié)果及分析

選取真空試驗(yàn)裝置的五個溫度點(diǎn)，分別為500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃；各測溫點(diǎn)穩(wěn)定10min 后觀察溫度變化，加熱/制冷總時間為5min，每隔1min 記錄一次溫度，采用貝塞爾公式計(jì)算控溫精度，并根據(jù)結(jié)果評估溫度范圍和控溫精度，如表9所示。

表9 真空測試溫度范圍及控溫精度測試記錄表

溫度范圍、控溫精度測試結(jié)果表明：真空試驗(yàn)裝置在測溫點(diǎn)500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃的平均溫度分別為499.6℃，1000.0℃，1500.1℃，1900.1℃，2348.8℃，控溫精度為±0.8℃，±1.2℃，±1.4℃，±1.7℃，±2.4℃；涂層熱試驗(yàn)裝置的加熱/制冷溫度范圍為-185～2350℃，其控溫精度均小于±5℃，優(yōu)于任務(wù)書指標(biāo)。

(4) 循環(huán)次數(shù)驗(yàn)證測試結(jié)果及分析

在真空試驗(yàn)裝置測試溫度范圍內(nèi)的若干待測溫度點(diǎn)下設(shè)定循環(huán)次數(shù)為300 次，每隔50 次記錄試樣循環(huán)是否正常，如表10所示。測試結(jié)果表明：真空試驗(yàn)裝置能夠完成冷熱循環(huán)試驗(yàn)。

表10 循環(huán)次數(shù)驗(yàn)證測試記錄表

4 結(jié)束語

本文研制了一套抗氧化涂層熱震/熱疲勞性能測試裝置，涂層熱震試驗(yàn)裝置由熱震/高真空試驗(yàn)爐、冷卻水系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。使用搭建的熱震試驗(yàn)平臺對材料試樣進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺的功能及穩(wěn)定性。本文研制的裝置將促進(jìn)涂層的研究工作，同時對提高發(fā)動機(jī)系統(tǒng)性能，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命具有極其重要的促進(jìn)意義。