到目前为止，人们对热障涂层的研究认为，热障涂层的失效是发生在粘结层与陶 瓷层之间由于高温氧化所形成的热氧化生长层内，其原因主要是由于陶瓷层与粘结层 之间的热不匹配热应力与热氧化层形成所产生的残余应力的共同作用所致。需要指出 的是，这些结果和分析基本上是基于在平衡的热状态下，即稳定的温度场的环境中获 得的，对于在热障涂层的表面以及各层之间温度梯度这一动态过程对热障涂层失效行 为的影响研究的内容较少。另一方面，在失效过程的研究中，多数研究者忽略了外加 载荷的影响，在航空发动机的叶片上的热障涂层的使用过程中，高温恒定载荷(蠕变)、 高温下的交变载荷(高低周疲劳)对热障涂层失效行为及使用寿命的影响及作用如何 进行的，对研究开发适用于航空发动机的叶片上的热障涂层提供可靠的数据，并为热 障涂层材料设计与优化，生产工艺的改进与发展具有重要的指导意义。
目前国际上对热障涂层的服役性能主要采用①单管燃烧器；②高温风洞实验；③ 发动机试车台等方式进行评价。这几种方法虽然可以较好地模拟航空发动机的实际工 作环境，但是①经济性差；②不易获得；③缺乏(甚至无法)对热障涂层试验的过程 信息的获取或原位检测，因此很难用于基础研究。如何采用经济有效的方法和手段对 热障涂层的服役环境行为进行表征，是该领域研究工作中直接面临的问题。
航空发动机的叶片上的热障涂层的工作环境具有如下的一些特点：
1)温度高。在现有的冷却技术条件下，发动机的叶片上的热障涂层的工作温度 最高可达2000K，低温可达2000K；
2)升温速率快。航空发动机从点火到进入工作状态所需时间以秒计时，一般巡 航时间为30～60min；
3)各方向的温度梯度。由于空心气流冷却，和不规则的外形，航空发动机的叶 片的径向与表面存在较大的温度梯度；
4)腐蚀性气氛。O、S、Cl、Na、V以及水蒸气等腐蚀性气氛；
5)外力影响。航空发动机的叶片上的热障涂层将承受恒定外载荷(高温蠕变)、 交变载荷(高低周疲劳)等应力以及强气流冲刷。

本发明的目的之一是提供一种热障涂层服役环境模拟装置，它能够同时进行加 热、加力和腐蚀的环境模拟，并且可以实现温度与机械载荷同步上升、保持、同步下 降，解决了现有环境模拟装置中只能模拟单一环境状况的缺陷，有效地解决了热障涂 层服役环境中多因素耦合作用难以实现模拟的困难，并可在模拟过程中对结构演变及 失效过程进行原位监测，获得了用于基础研究的过程信息。
本发明的目的之二是提供一种运用热障涂层服役环境模拟装置进行模拟服役环 境的控制方法，它可以根据航空发动机的工作特点控制环境模拟参数。对航空发动机 启动、巡航和关闭过程温度迅速上升，保持在较高温度水平和温度下降过程以及在整 个过程中伴随的载荷的增加，疲劳或蠕变载荷和载荷的下降过程进行耦合模拟，并可 对腐蚀性气氛的含量进行控制实现对热障涂层服役环境的模拟。
本发明的一种热障涂层服役环境模拟装置，包括材料力学性能试验机、红外快速加 热设备、声发射设备、材料电性能交流阻抗谱测试设备、温度采集设备和夹具。
本发明热障涂层服役环境模拟装置的模拟环境控制方法步骤有：
步骤一，连接各设备
各设备的连接组合成一个热障涂层服役环境模拟系统，在此系统中可以对各模拟 参数进行设定，以及动态信号采集进行参数设定，所述的动态记录能够为改善热障涂 层材料的制备工艺提供实验依据，为热障涂层材料的优化设计提供了实验参数。
步骤二，对试样进行热——-力耦合模拟
(A)充入冷却气体
冷却气体通过下夹具的进气嘴进入通孔中，并由上夹具的排气嘴排出，形成一个 气冷却系统；
(B)对试样进行热冲击加热，启动红外快速加热设备对试样进行加热，升温速 率控制在50～150℃/s，使试样表面的温度达到1000～1800℃并保持恒定2～ 10min；在启动红外线红外快速加热设备的同时启动材料力学性能试验机，在升温 的过程中载荷以0～5kN/s的速度增加到0～100kN，在温度保持的过程中施加疲 劳、蠕变等载荷；
(C)对试样进行热冲击冷去却，调解红外线红外快速加热设备，降低试样表面温 度，将降温速率控制在50～150℃/s，使试样表面温度达到室温并保持恒定2～ 10min。；在降温的过程中以0～5kN/s的速度降低材料力学性能试验机对试样施加 的载荷，试样表面温度到达室温后，载荷减小到0；
(D)在启动红外线红外快速加热设备与材料力学性能试验机的同时启动温度采 集设备、声发射设备和材料电性能交流阻抗谱测试设备，并记录模拟过程中的载荷信 号、温度信号、声发射信号和交流阻抗信号。用声发射信号对裂纹形成与扩展进行分 析，用交流阻抗谱信号对热障涂层微观组织结构的演变过程进行分析。；
重复(B)步骤和(C)步骤使石英管中的试样处于加热-冷却-再加热-再冷却的 过程，完成热-力耦合试验模拟。；
步骤三，腐蚀性气氛模拟
将腐蚀性气体通过设在下波纹管支撑盘上的进气嘴进入石英管内，并由上波纹管 支撑盘上的排出嘴导出，通过调节腐蚀性气体的流量及压力，使石英管内的腐蚀性气 分压达到0～0.01MPa。
本发明优点：(1)通过夹具将材料力学性能试验机、红外快速加热设备、声发 射设备、材料电性能交流阻抗谱测试系统有机结合组成一个一体形式的环境模拟系统 设备；(2)有效的模拟航空发动机热障涂层的热物理化学环境和复杂力学环境工作 特点；(3)本发明热障涂层服役环境模拟装置对热障涂层在服役过程中对裂纹的形 成与扩展信息以及热障涂层微观组织结构演变信息进行原位无损检测，获得涂层优化 设计的实验依据。
附图说明
图1是本发明上夹具的装配示意图。
图2是本发明下夹具的装配示意图。
图3是上夹具剖视图。
图4是下波纹管放大剖视图。
图5是与试样连接的器件装配示意图。
图中：1.上夹具  101.连接端　102.凸台　103.上波纹管 104.冷却气体排气嘴　105.腐蚀气体排出嘴　106.交流阻抗第一连接端 107.声发射第一连接端　108.温度采集第一连接端　109.上波纹管支撑盘 110.支撑台　111.通孔　112.试样连接端　2.下夹具　201.连接端 202.凸台　203.下波纹管　204.冷却气体进气嘴　205.腐蚀气体进气嘴 206.交流阻抗第二连接端　207.声发射第二连接端　208.温度采集第二连接端 209.下波纹管支撑盘　210.波纹旋管　211.下波纹管端盖　212.通孔 3.石英管　4.试样　401a.第一金属电极　401b.第二金属电极 402a.第一波导管　402b.第二波导管　403a.第一热电偶 403b.第二热电偶　5.热障涂层

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的服役环境模拟装置模拟了一种涂覆于航空发动机叶片上的热障涂 层材料在实际服役环境中的全过程。通过对航空发动机实际工作环境的模拟为改善热 障涂层材料的制备工艺提供实验依据，为热障涂层材料的优化设计提供了实验参数。
本发明的一种热障涂层服役环境模拟装置，它由夹具、材料力学性能试验机、红 外快速加热设备、声发射设备、材料电性能交流阻抗谱测试设备和温度采集设备组成， 所述温度采集设备包括计算机、温度采集卡和数字电压表；所述声发射设备包括工控 计算机、声发射信号采集卡。
请参见图1～3、5所示，试样4与上下夹具、材料力学性能试验机的连接关系： 试样4为表面涂覆有热障涂层5的高温合金，试样4的两端加工有螺纹，试样4一 端与上夹具1的试样连接端112螺纹连接，试样4另一端与下夹具2的试样连接端 螺纹连接，实现将试样4固紧于上夹具1和下夹具2之间；上夹具1的上连接端101 与材料力学性能试验机的上螺纹口连接，下夹具2的下连接端201与材料力学性能 试验机的下螺纹口连接；
请参见图1～2、4～5所示，试样4与温度采集设备的连接关系：在热障涂层5 与高温合金之间设有第一热电偶403a，在热障涂层5表面上设有第二热电偶403b， 所述两个热电偶用于实现热障涂层的隔热效果；所述第一热电偶403a的输出端通过 上波纹管支撑盘109上的温度采集第一连接端108与温度采集设备实现连接，第二 热电偶403b的输出端通过下波纹管209支撑盘上的温度采集第二连接端208与温 度采集设备实现连接，所述温度采集设备实现隔热效果的原位测试；
请参见图1～3、5所示，试样4与材料电性能交流阻抗谱测试设备的连接关系： 在热障涂层5表面涂覆有两个金属电极401a、401b，其中第一金属电极401a与 上波纹管支撑盘109上的交流阻抗第一连接端106连接，第二金属电极401b与下 波纹管支撑盘209上的交流阻抗第二连接端206连接，交流阻抗第一连接端106 和交流阻抗第二连接端206与材料电性能交流阻抗谱测试设备实现连接，所述材料 电性能交流阻抗谱测试设备实现热障涂层材料微观结构性能测试；
请参见图1～3、5所示，试样4与声发射设备的连接关系：在试样4两端的高 温合金上焊接有两个波导管402a、402b，其中第一波导管402a与上波纹管支撑盘 109上的声发射第一连接端107连接，第二波导管402b与下波纹管支撑盘209上 的声发射第二连接端207连接，声发射第一连接端107和声发射第二连接端207 与声发射设备实现连接，所述声发射设备实现热障涂层5内部裂纹的萌生与扩展及 裂纹的定位的动态信息原位测试；
红外快速加热设备放置于石英管3的外侧。
请参见图1～5所示，本发明的夹具由上夹具1和下夹具2、上波纹管103和下 波纹管203以及石英管3构成，上夹具1、下夹具2、上波纹管103和下波纹管203 均为一体加工成型件，且上夹具1和下夹具2结构相同，上波纹管103和下波纹管 203结构相同。所述上夹具1上设有凸台102、支撑台110，凸台102与支撑台110 之间设有冷却气体排出的排气嘴104，与冷却气体排气嘴104相导通的是空心通孔 111，空心通孔111端部是与试样4螺纹连接的试样连接端112，上夹具1与所述材 料力学性能试验机通过设有外螺纹的连接端101实现将试样4固紧于材料力学性能试 验机上；所述上波纹管103上设有上波纹管支撑盘109、波纹旋管，上波纹管103 的中心是空心通孔，上波纹管103通过端盖固紧在上夹具1的支撑台110上实现与 上夹具1的连接，上波纹管支撑盘109上设有腐蚀性气体排出嘴105、交流阻抗第一 连接端106、声发射第一连接端107和温度采集第一连接端108；温度采集第一连接 端108用于实现与温度采集的第一热电偶403a连接；交流阻抗第一连接端106用于 实现与第一金属电极401a连接；声发射第一连接端107用于实现与声发射的第一波 导管402a连接；石英管3的一端密封套接在上波纹管103的上波纹管支撑盘109 上。所述下夹具2上设有凸台202、支撑台，凸台202与支撑台之间设有冷却气体进 入的进气嘴204，与冷却气体进气嘴204相导通的是空心通孔，空心通孔端部是与试 样4螺纹连接的试样连接端，下夹具2与所述材料力学性能试验机通过设有外螺纹的 下连接端201实现将试样4固紧于材料力学性能试验机上；所述下波纹管203上设 有下波纹管支撑盘209、波纹旋管210，下波纹管203的中心是空心通孔212，下波 纹管203通过端盖211固紧在下夹具2的支撑台上实现与下夹具2的连接，下波纹 管支撑盘209上设有腐蚀性气体进气嘴205、交流阻抗第二连接端206、声发射第二 连接端207和温度采集第二连接端208；温度采集第二连接端208用于实现与温度 采集的第二热电偶403b连接；交流阻抗第二连接端206用于实现与第二金属电极 401b连接；声发射第二连接端207用于实现与声发射的第二波导管402b连接。石 英管3的另一端密封套接在上波纹管103的上波纹管支撑盘109上，石英管3的另 一端密封套接在下波纹管203的下波纹管支撑盘209上，石英管3的密封套接形成 一个服役环境的密闭空间。由于石英管3为透明结构对热障涂层5在服役环境模拟状 态的过程易观察，且对状态调节易于控制操作。试样4的表面涂覆有热障涂层5，在 热障涂层5与试样4之间设有第一热电偶403a，在热障涂层5表面上设有第二热电 偶403b；在热障涂层5表面涂覆有第一金属电极401a、第二金属电极401b；在 试样4两端的高温合金上焊接有第一波导管402a、第二波导管402b。其中，两个 热电偶403中的一个可以安装在热障涂层5与试样4之间，另一个安装在外表面热障 涂层5，两个热电偶的不同放置位置，可以得到环境模拟过程中温度梯度的变化过程。
本发明的一种热障涂层服役环境的模拟环境控制方法，其包括下列步骤：
步骤一，连接各设备
各设备的连接组合成一个热障涂层服役环境模拟系统，在此系统中可以对各模拟 参数进行设定，以及动态信号采集进行参数设定，所述的动态记录能够为改善热障涂 层材料的制备工艺提供实验依据，为热障涂层材料的优化设计提供了实验参数；
步骤二，对试样进行热-力耦合模拟
(A)充入冷却气体
冷却气体通过下夹具2的进气嘴204进入通孔111中，并由上夹具1的排出嘴 104排出，形成一个气冷却系统；
(B)对试样进行热冲击加热，启动红外快速加热设备对试样进行加热，升温速 率控制在50～150℃/s，使试样表面的温度达到1000～1800℃并保持恒定2～ 10min；在启动红外快速加热设备的同时启动材料力学性能试验机，在升温的过程 中载荷以0～5kN/s的速度增加到0～100kN，在温度保持的过程中施加疲劳、蠕 变等载荷；
(C)对试样进行热冲击冷去，调解红外快速加热设备，降低试样表面温度，将降 温速率控制在50～150℃/s，使试样表面温度达到室温并保持恒定2～10min。在降 温的过程中以0～5kN/s的速度降低材料力学性能试验机对试样施加的载荷，试样 表面温度到达室温后，载荷减小到0；
(D)在启动红外快速加热设备与材料力学性能试验机的同时启动温度采集设 备、声发射设备和材料电性能交流阻抗谱测试设备，并记录模拟过程中的载荷信号、 温度信号、声发射信号和交流阻抗信号。用声发射信号对裂纹形成与扩展进行分析， 用交流阻抗谱信号对热障涂层微观组织结构的演变过程进行分析。
重复(B)步骤和(C)步骤使石英管3中的试样4处于加热-冷却-再加热-再冷 却的过程，完成热-力耦合试验模拟。
步骤三，腐蚀性气氛模拟
将腐蚀性气体通过设在下波纹管支撑盘209上的进气嘴205进入石英管3内， 并由上波纹管支撑盘109上的排出嘴105导出，通过调节腐蚀性气体的流量及压力， 使石英管3内的腐蚀性气分压达到0～0.01MPa。
经上述步骤实现了热障涂层5服役环境性能的实验模拟。
采用本发明的环境模拟装置对航空发动机叶片工作环境的模拟主要通过以下几 个方面予以实现。
(1)红外辐射并配合椭球面聚焦加热实现快速升温
实现快速升温是本试验模拟器的一项重要指标。
目前通常采用的加热方式主要有电阻加热、高频感应加热、火焰加热、辐射加热 等。其中虽然火焰加热的升温速率最快、较为接近航空发动机叶片工作环境，但设备 以及运行费用昂贵；高频感应直接加热样品所获得的升温速率快，但由于只能加热高 温合金基体，与航空发动机的加热方式不符；而采用石墨、硅碳棒等电阻加热方式的 升温速率较低，难以满足航空发动机快速升温的条件。
红外辐射并配合椭球面聚焦，是获得局部加热、高速升温的有效手段，且热效率 高、无污染，更适合于模拟器中所必须采取的一系列原位测试。同时，根据聚焦大小 不同，可以控制加热区，获得沿样品长度方向上的温度梯度。因此，本试验模拟器中 采用了红外辐射并配合椭球面聚焦的加热方式。
(2)采用加热中空样品、中间气流(或水)冷却获得横向温度梯度
本试验模拟器中采用了加热中空样品、中间气流(或水)冷却方式获得横向温 度梯度。由于航空发动机叶片/热障涂层在径向具有较大的温度梯度，仅以陶瓷涂层 为例，其径向温度梯度(隔热效果/陶瓷涂层厚度)约为0.5℃/μm。因此，试验模拟 器设计时，充分考虑了模拟器的冷却效果，设计了冷却气流(或水)流量可控的冷却 装置。
(3)腐蚀性气氛的获取以及控制
本模拟试验平台采用浴槽加热NaSO4、NaCl等盐类物质获取腐蚀性气氛，并通 过控制浴槽温度控制气氛在整体环境气氛中的比例；
在测试过程中，腐蚀性气氛不仅对测试样品，而且对周围的所有部件都将产生影 响。因此，采用高纯石英玻璃管将加热器与腐蚀性气体隔离，确保了设备以及原位检 测探测头不受腐蚀性气氛的影响。
(4)力学环境的获得
叶片在航空发动机中的受力可以分解为蠕变，高、低周疲劳，热机械疲劳等，将 模拟试验平台的主体加热部分连接到材料力学性能试验机获得了力学环境。
(5)动态原位测试功能的实现
声发射动态原位内部裂纹检测
当涂层内部及表面产生裂纹时，将发射出声波，声发射的灵敏度在10-8cm量级 (纳米级)。对声波的检测则可判断出裂纹的产生。采用双通道的探测器，可以判断在 长度方向上裂纹的位置。由于垂直表面的裂纹与平行表面的裂纹所发生的声波状态不 同、产生的先后顺序不同，由此可判断区别横向裂纹与垂直裂纹，从而实现裂纹的三 维检测。
热障涂层内部结构变化、裂纹萌生的动态原位交流阻抗检测
热障涂层是由多层结构所组成，其自身可以等效成阻抗、容抗、感抗的集合体， 即交流阻抗电路。当环境温度变化、陶瓷涂层/粘结层界面处产生热氧化层(TGO)乃 至裂纹时，交流阻抗值将发生变化。记录交流阻抗值的变化，并通过实验确定交流阻 抗变化与TGO增厚及产生裂纹的内在关系，则可以实现热障涂层内部结构变化、裂 纹萌生的动态原位检测。
隔热效果的原位测试
热障涂层的隔热效果不仅取决于涂层的厚度及其导热系数，而且与高、低温端温 度、冷却气体流量等有关。因此，模拟器中设置有两个热电偶端口，在制备试样的过 程中，在沉积陶瓷层之前，利用Gleeble焊接技术在粘结层的表面焊接热电偶，以获 得试验过程中陶瓷层底部的温度。在试样的表面捆绑热电偶获得样品的表面温度，经 过计算，两个热电偶之间的温度差即为热障涂层的隔热效果，实现对热障涂层的隔热 效果进行原位监控测试。
将具有以上功能的各个部件集合则构成了本发明的环境模拟装置，下面将通过对 各部件实现的功能进行简单的介绍。
材料力学性能试验机
用于将机械载荷加载给试样，在本发明中，选取英国生产的INSTRON 8803材 料力学性能试验机，其最大载荷250kN，交变载荷频率40Hz，动力提供INSTRON 3411液压提供动力单元，最大工作压力250kN。
红外快速加热设备
红外快速加热设备用于提供服役环境模拟装置中在高温、快速升温、不均匀的温 度场等。选取日本Crystal公司生产的10K—HR-1型号的红外快速加热设备，最 高使用温度2473K，常规使用温度可达2073K，升温速率(通过控制功率获得)可 达100K/s，监视CCD摄像头，显示器Sony9时可以观察试样背部，控制功率设 备Eurotherm 903P，升温过程可通过编程控制。
声发射设备
动态原位内部裂纹的萌生与扩展及裂纹定位是由声发射设备对航空发动机叶片/ 热障涂层服役环境模拟试验平台试验过程中，将噪声信号滤波处理后获得的声发射信 号进行分析处理而获得的信息。
声发射信号采集卡，具有PCI插槽接口，连接到工控计算机主板，采集分析数 据。
声发射PCI—DSP板选取美国物理声学公司的，其电参数：AE四通道输入，输 入阻抗50Ω，传感器测试AST，响应频率10kHz～2.0MHz(在3dB点)，信号处 理模块：滤波器：可调10kHz，噪声：最小门槛值22dB AE，最大信号幅值：100dB AE，ADC类型：每通道16bit 10MSPS，动态范围：>82dB，样品速率：固定在 10MSPS。
精度             振幅             误差
77～100dB        ±1％            ±0.1dB
75～77dB         ±2％            ±0.2dB
74～40dB         ±1％            ±0.3dB
30～40dB         ±11％           ±1dB
26～30dB         ±15％           ±1.5dB
20～26dB         ±34％           ±2.5dB
本发明的声发射设备可实现信号采集滤波及图形滤波。
热障涂层是由多层结构所组成，在服役过程中陶瓷涂层与粘结层的接合界面处产 生热氧化层(TGO)、陶瓷层的裂纹引起交流阻抗值发生。测量交流阻抗谱，并利用软 件对阻抗谱进行分析，可以实现热障涂层内部结构变化、裂纹萌生的动态原位检测。
材料电性能交流阻抗谱测试设备
选取英国Solartron公司生产的Solartron1260+1296材料电性能交流阻抗谱 测试系统，其技术参数：
频率范围：10μHz～10MHz       信号振幅：≤7Vrms
直流偏压：±40V之间          电流可测范围：1fA～100mA
阻抗范围：100Ω～1014Ω       电容范围：1pF～0.1F
可获得参数：Z＊，Y＊，ε＊，C＊(实部、虚部、幅值、相位角、tanδ等)，频率，时 间，偏压等。
软件支持：测量软件Impedance，Smart等，数据分析软件：Zview