抗氧化涂层热震性能试验装置

安东阳,张景胜,唐增武,张珊珊

(1.北京星航机电装备有限公司检测试验中心，北京 100074；2.光电信息控制和安全技术重点实验室，天津 300308)

1 引言

抗氧化涂层的研究距今已有数十年的历史，其中双组元液体火箭发动机推力室喉部及尾喷管是其主要应用方向之一。世界各国几乎所有现有型号和预研型号的火箭发动机都涂覆有某些种类的抗氧化涂层，且对涂层的性能提出了越来越高的要求，使得抗氧化涂层事实上成为火箭发动机不可或缺的组成部分[1-3]。人类在进行空间探索时，飞行器需要经受各种复杂空间环境因素的作用。空间环境因素复杂是导致航天器抗氧化涂层性能退化的主要原因之一，甚至对在轨航天器的寿命与安全性造成严重的威胁。根据测试设备中使用加热元件和测温元件的功能及特点，要研制与航天发动机抗氧化涂层相应温度工作区间匹配的设备[5-10]。火箭发动机抗氧化涂层在500℃以上区间工作时，其热震性能是衡量涂层性能的重要指标。本文研制了一套抗氧化涂层热震性能装置，测试温度范围500～2000℃，控温精度达到±5℃；测重精度达到±0.1mg，能够在保证测量结果可靠性的前提下，突破涂层测试的温度瓶颈。本文研制的装置将会促进涂层的研究工作，同时对提高发动机系统性能，延长发动机的使用寿命具有极其重要的促进意义。

2 空气/真空热震试验装置

2.1 热震/真空炉

空气/真空热震试验装置采用直接夹持电加热方式实现，具体实现方法为：直接利用试样的导电性将其作为加热体，中空电极采用水冷保护，其两端用中空的铝电极对其进行夹持导电加热，电极最小间距为50mm。采用光纤高温计实时检测试样温度，调节电源输出使试样在设定时间内达到目标温度。由于加热需要低压大电流，所以大功率的低压变压器和控制柜就近放置在工作台的后方和侧方。真空炉为实现高真空目的，专门设计了真空罩，在真空罩外与试样高度一致的地方设计玻璃视窗，方便光纤高温计、CCD相机、光谱仪观察并测量试样温度、表面状态和发射率，并在试验平台下方设计抽真空系统，当进行热震性能试验时，利用电机驱动将真空罩升起，使试样处于空气中，当进行真空性能试验时，利用电机驱动将真空罩落下，然后进行抽真空，使试样处于高真空环境，实现一套装置两种用途。空气/真空热震试验装置外形尺寸为250mm×400mm×250mm(长×宽×高)，加热功率为10kW，空气/真空热震试验装置结构图和实物图如图1所示。

图1 空气/真空热震试验装置

真空性能试验的真空度要求非常高，达到≤6.7×10-6Pa的超高真空度，为实现这一真空度，抽真空系统选用两级真空系统：第一级为机械式真空泵；第二级为涡轮分子泵，如图2所示。采用涡轮分子泵串联机械泵的真空系统的优点是，该系统不烘烤可以获得10-6Pa的真空度，烘烤后真空度可以达到10-8Pa。而且该系统比较清洁，可构成无油超高真空系统。

图2 高真空系统结构原理图

用两套装置实现真空度测量：采用电阻规(ZJ-52J)实现低真空度测量(1×105—1×10-1Pa)；采用电离规(ZJ-12)实现高真空度测量(10-1—1×10-8Pa)。抽真空系统主要设备技术参数如表1所示。

表1 抽真空系统主要设备技术参数

2.2 控制系统

热震/高真空试验系统由热震/真空炉、大功率低压变压器、抽真空系统、试验平台和控制系统构成。热震/高真空试验系统的控制系统由工控机、控温仪表，温度数字显示仪表、功率输出、真空度测量与控制装置组件构成，用以完成试验中试样实时温度的采集和控制，试样图像的信号采集和记录和真空度的测量与自动抽真空功能。整个的试验过程可以采用手动控制方式或全自动控制方式，控制系统的系统框图如图3所示。

图3 热震/高真空控制系统框图

真空的测量采用ZDF-5210 复合真空计实现，具体参数如表2所示。

表2 ZDF-5210复合真空计技术参数

2.3 软件系统及辅助系统

热震/高真空试验系统的软件系统主要由三大部分组成：(1)可设定加热温度、升温时间、保温时间和冷却时间，可以实现对温度的精确控制；(2)可以设置循环次数，并显示当前循环次数；(3)试样温度、图像等信息的采集处理。下面以热震试验系统的软件设计为例，介绍软件系统，如图4所示。

图4 热震性能试验实验界面

实验有自动、手动两种控制方式，温度设定和控制误差可以设置实验加热控制温度和精度，输出初值和输出上限完成温度控制，程序内置温度控制算法。循环次数和当前次数分别显示实验设定的循环次数和当前进度，升温时间、保温时间和冷却时间根据试样要求设置，温度波形图实时显示试样重量信息，重量数据可以保存到excel中，便于以后数据分析。

摄像系统采用高像质CCD摄像机，实现试样表面涂层脱落的记录，采用的CCD摄像机技术参数如表3所示。

表3 CCD摄像机技术参数

冷却水系统负责给各试验项目中的高温和大功率设备提供冷却水，系统由一个容积为1m3的储水箱、制冷机、给水泵和净化过滤等部分组成。工作时冷却水通过给水泵加压后输往需冷却的试验设备，回流的冷却水经过滤后回到储水箱，经制冷机制冷后将不高于25℃的冷却水循环供给需冷却的试验设备。系统通过净化过滤设施对循环冷却水和储水箱的补充水进行净化过滤，以防止循环冷却水受到污染，从而导致整个冷却系统及被冷却设备的制冷能力下降及使用寿命的缩短。

3 空气中热震及真空试验装置的测试结果及分析

3.1 空气中加热试验

(1) 最大加热速度测试结果及分析

试验过程中首先接通涂层热震及真空试验装置控制柜电源，待温控表稳定后，设定热震及真空试验装置加热范围的最低温，温度稳定后设定目标温度为加热范围的最高温；最大加热/制冷速率为采用温度范围差值除以所用的时间计算得到，如表4所示，测试结果表明：热震试验装置的最大加热速度为13500k/min。

表4 最大加热速度测试记录表

(2) 温度范围及控温精度测试结果及分析

试验过程中，选取热震试验装置的五个温度点，分别为500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃；各测温点稳定10min 后观察温度变化，加热/制冷总时间为5min，每隔1min记录一次温度，采用贝塞尔公式计算控温精度，并根据结果评估温度范围和控温精度，如表5所示。

表5 热震测试温度范围及控温精度测试记录表

温度范围、控温精度测试结果表明：热震试验装置在测温点500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃的平均温度分别为500.1℃，1000.1℃，1501.3℃，1900.3℃，2351.3℃，控温精度为±1.1℃，±1.4℃，±1.7℃，±2.0℃，±2.7℃；涂层热试验装置的加热/制冷温度范围为-185～2350℃，其控温精度均小于±5℃。

(3) 循环次数验证测试结果及分析

在热震试验装置测试温度范围内的若干待测温度点下设定循环次数为300 次，每隔50 次记录试样循环是否正常，如表6所示。测试结果表明：热震试验装置能够完成冷热循环试验。

表6 循环次数验证测试记录表

3.2 真空中加热试验

(1) 真空度测试结果及分析

试验过程中，首先打开系统电源，将被测试样夹持在电极上，打开冷却水，通过移动升降系统闭合真空罩、启动机械泵、启动分子泵和开启电离规，反复五次进行抽真空，并记录真空度，计算其平均值，如表7所示。测试结果表明：真空度的平均值为6.69×10-6Pa。

(2) 最大加热速度测试结果及分析

试验过程中，接通涂层热试验装置控制柜电源，待温控表稳定后，设定热震试验装置加热范围的最低温，温度稳定后设定目标温度为加热范围的最高温；记录所用的时间，最大加热/制冷速率为采用温度范围差值除以所用的时间即得到，如表8所示。测试结果表明：真空试验装置的最大加热速度为19890k/min。

表8 最大加热速度测试记录表

(3) 温度范围及控温精度测试结果及分析

选取真空试验装置的五个温度点，分别为500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃；各测温点稳定10min 后观察温度变化，加热/制冷总时间为5min，每隔1min 记录一次温度，采用贝塞尔公式计算控温精度，并根据结果评估温度范围和控温精度，如表9所示。

表9 真空测试温度范围及控温精度测试记录表

温度范围、控温精度测试结果表明：真空试验装置在测温点500℃，1000℃，1500℃，1900℃，2350℃的平均温度分别为499.6℃，1000.0℃，1500.1℃，1900.1℃，2348.8℃，控温精度为±0.8℃，±1.2℃，±1.4℃，±1.7℃，±2.4℃；涂层热试验装置的加热/制冷温度范围为-185～2350℃，其控温精度均小于±5℃，优于任务书指标。

(4) 循环次数验证测试结果及分析

在真空试验装置测试温度范围内的若干待测温度点下设定循环次数为300 次，每隔50 次记录试样循环是否正常，如表10所示。测试结果表明：真空试验装置能够完成冷热循环试验。

表10 循环次数验证测试记录表

4 结束语

本文研制了一套抗氧化涂层热震/热疲劳性能测试装置，涂层热震试验装置由热震/高真空试验炉、冷却水系统、摄像系统、控制系统和计算机数据采集系统组成。使用搭建的热震试验平台对材料试样进行热循环实验，验证了实验平台的功能及稳定性。本文研制的装置将促进涂层的研究工作，同时对提高发动机系统性能，延长发动机的使用寿命具有极其重要的促进意义。