高温合金局部件力热联合试验技术研究

路梓照，崔英伟，闫旭东

（1.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300301； 2.北京强度环境研究所，北京 100076）

引言

随着飞行器设计速度大幅提高，其气动热环境也变得越来越严酷。严酷的气动热环境产生的高温，会显著降低材料的强度极限。为保证飞行器的安全，明确气动热环境对材料的影响，必须进行地面力热联合试验，模拟飞行时气动热情况。在力热环境耦合作用下分析结构应力、热变形等力学性能参数的变化对飞行器结构强度可靠性的影响。

1 试验模型及载荷条件

力热联合试验研究对象为高温合金局部件。在飞行过程中局部件承受气动载荷及气动加热的影响。高温合金局部件形状不规则，试验件外形见图1。

在局部件初步设计阶段，采用工程算法与CFD程序求解方程相结合的方法预测局部件瞬态表面热流[1]。根据热流分布及材料选取，地面热试验将局部件简化为2个温区进行控制。其中区域I为前缘区，区域II为大面积区。两个温区温度环境曲线见图2。

图2 温度控制曲线

根据主动段最大动压情况，通过仿真软件进行计算，试验过程中高温合金局部件最大载荷1 500 N，加载方向示意图见图1。

图1 高温合金局部件示意图

2 试验方案

2.1 气动热载荷模拟

石英灯、石墨加热器、碳硅加热器、电弧灯加热器等是结构热试验热辐射加载的主要手段。石墨加热器、电弧灯加热器等加热试验系统可实现较高的温度及热流密度，但其温升速度比较慢且热惯性大，不适用于非线性高温变率的加热模拟要求。石英灯辐射加热器最大的有点是加热性能良好，温度范围宽，热惯性小可控性好，易于根据试验件外形及加热要求随形设计，因此石英灯辐射加热是进行热试验加热模拟常用手段[1]。

高温合金局部件区域I和区域II的热流区别较大，温区热流不相同，地面热环境试验设计时需要满足不同温区加热要求，同时满足不同区域温度场过渡连续，区域II需要设计短灯管排列布置，区域I需要设计随形的石英灯加热器来满足试验需求。

试验时，在高温合金局部件区域II上下大端面布置两个平板式石英灯加热系统，主要由多个石英灯管组成加热灯阵，灯阵通过铜制汇流排进行并联，汇流排为水冷结构，加热的同时接入直流电源和循环水，汇流排通过定制陶瓷环和专用夹具固定到水冷反射板上，水冷反射板为不锈钢中空结构，反射面涂有高反涂层。区域I前缘区小端面布置随形石英灯高热流加热系统。

气动热载荷模拟系统示意图见图3。分别在区域II和区域I选取特征点作为温度控制点，采用石英灯辐射加热技术，特征点温度作为分区控制反馈，通过调节石英灯功率实现对温度载荷的闭环控制[2]。控制原理示意图见图4所示。

图3 石英灯红外辐射加热系统示意图

图4 控制原理示意图

2.2 力载荷施加

力热联合试验中力载荷施加，需要同时考虑力载荷加载装置与热加载系统之间的相互影响，保证力载荷的准确加载，同时减少对温度场的影响，以保证气动热载荷的模拟效果。

高温合金局部件载荷施加时的约束夹具以及加载夹具，要求具有足够的强度和刚度，不允许出现安装松动和明显变形。为避免接触传热导致试验件局部温度降低或影响夹具性能，夹具与试验件之间安装隔热板，根据试验最高温度，选择陶瓷纤维板进行隔热，减少温度场对力载荷施加装置的影响，以保证试验模拟的效果。静力载荷点简化为集中力，对高温合金局部件实现拉伸方向加载。静力加载系统和热加载系统按真实飞行时序，同步完成加载。

3 试验测量

3.1 温度测量

高温合金局部件区域I和区域II布置温度传感器，一方面作为温度控制点控制加载温度，一方面检测局部件关键位置温度变化。

力热试验中接触式温度传感器一般选用热电偶传感器。热电偶由两个不同材料的金属线A和B组成，其温度测量回路由热电偶、补偿导线及测量仪表构成。热电偶温度传感器包括K型、S型、B型、T型，其中S型和B型热电偶测量温度较高，但成本也较高，而K型热电偶测温范围宽、灵敏度高、价格比较便宜、复现性好。结构热试验一般选用K型热电偶进行温度测量。试验件为金属表面，热电偶采用储能焊的方式安装。

3.2 位移测量

测量试验件在外载作用下的变形，是验证试验件强度和刚度、检验试验件的承载能力的重要依据。

位移测量常采用的方式包括接触式测量和非接触式激光测量，非接触式位移测量量程范围小，高温试验时容易被强烈光线干扰，造成较大测量误差，不适用热试验高温环境下位移测量。综合测量精度要求、试验成本及试验条件，选用接触式位移传感器进行位移测量[3]。

接触式直线位移计通过与被测试验件接触，试验件产生位移时，带动位移计探头运动，把机械运动信号转换成电压信号。为避免高温对直线式位移计探头产生干扰，影响测量数据的可靠性，在直线式位移计探头前端固定耐高温的石英玻璃杆，石英玻璃杆线膨胀系数小，受高温影响小，通过石英玻璃杆接触被测结构，提高位移测量精度。位移测量系统示意图如图6所示。

图5 力载荷施加系统示意图

图6 位移测量系统示意图

3.3 应变测量

高温应变片热输出测试是高温应变片测试前的一个重要工作，热输出测试精度影响了高温应变测试数据的修正精度。高温应变片热输出的影响因素主要包括温升速率、试件材料等。当温度变化速率较低时，温升速率对高温应变片热输出影响较小，一般只需考虑试件材料的影响。而飞行器的气动热环境一般温升速率较高，快达几度每秒甚至几十度每秒，因此高温合金局部件应变测试需要对应变片瞬态热输出进行分析。

尹福炎[4]、郝庆瑞[5]均研究了温升速率对应变片的性能影响，瞬态加热条件下应变片温度特性的变化，实质是试件与应变片之间产生的温差，从而引入一个修正项 。修正项应预先测定应变计稳态热输出及试件材料的线膨胀系数，并且在实际试验中同时测出试件表面温度和应变片温度，利用这些数据实时运算，求得高温应变片实验室的瞬态热输出。由于高温应变片粘接剂、基底材料的性能等因素的影响，基于理论公式计算瞬态热输出引入的误差较大，本试验模拟瞬态热强度试验的真实加热条件及温升率，对高温应变片的瞬态热输出进行标定。

热输出测试及后续力热联合试验的应变片选择美国威世的高温箔式应变片，粘接剂选用DKS-8高温型水泥胶。瞬时热输出的试件采用高温合金局部件相同材料，用焊接的丝式K型热电偶测量热输出试件表面温度，应变片接线方式为三线制。

4 试验验证

试验时，采用K型热电偶测量试验件的表面温度，通过比较温度控制系统的温度输入，调节系统的功率输出，以此控制被测对象表面温度。通过测力传感器测量施加力载荷，通过比较力载荷系统的载荷输入，调节力加载大小。通过测力、温度传感器采用闭环控制，可实现对气动载荷的高精度控制。

通过试验得到了高温合金局部件温度分布、力载荷加载情况及位移、应变数据。温度测量曲线及力载荷控制曲线见图8、9。

图8 力热联合试验温度测量曲线

图9 力热联合试验力载荷控制曲线

5 结论

通过本试验技术的研究，形成了一套适合高温合金局部件的力热联合试验技术和方法。采用石英灯搭建分区控温辐射加热系统模拟温度载荷，采用轴向加载方式模拟气动力载荷。考核了高温合金局部件特性，获得温度、应变等试验数据，为后续进行类似结构件的力热联合试验提供技术参考。