高溫合金局部件力熱聯合試驗技術研究

路梓照，崔英偉，閆旭東

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300301； 2.北京強度環境研究所，北京 100076）

引言

隨著飛行器設計速度大幅提高，其氣動熱環境也變得越來越嚴酷。嚴酷的氣動熱環境產生的高溫，會顯著降低材料的強度極限。為保證飛行器的安全，明確氣動熱環境對材料的影響，必須進行地面力熱聯合試驗，模擬飛行時氣動熱情況。在力熱環境耦合作用下分析結構應力、熱變形等力學性能參數的變化對飛行器結構強度可靠性的影響。

1 試驗模型及載荷條件

力熱聯合試驗研究對象為高溫合金局部件。在飛行過程中局部件承受氣動載荷及氣動加熱的影響。高溫合金局部件形狀不規則，試驗件外形見圖1。

在局部件初步設計階段，采用工程算法與CFD程序求解方程相結合的方法預測局部件瞬態表面熱流[1]。根據熱流分布及材料選取，地面熱試驗將局部件簡化為2個溫區進行控制。其中區域I為前緣區，區域II為大面積區。兩個溫區溫度環境曲線見圖2。

圖2 溫度控制曲線

根據主動段最大動壓情況，通過仿真軟件進行計算，試驗過程中高溫合金局部件最大載荷1 500 N，加載方向示意圖見圖1。

圖1 高溫合金局部件示意圖

2 試驗方案

2.1 氣動熱載荷模擬

石英燈、石墨加熱器、碳硅加熱器、電弧燈加熱器等是結構熱試驗熱輻射加載的主要手段。石墨加熱器、電弧燈加熱器等加熱試驗系統可實現較高的溫度及熱流密度，但其溫升速度比較慢且熱慣性大，不適用于非線性高溫變率的加熱模擬要求。石英燈輻射加熱器最大的有點是加熱性能良好，溫度范圍寬，熱慣性小可控性好，易于根據試驗件外形及加熱要求隨形設計，因此石英燈輻射加熱是進行熱試驗加熱模擬常用手段[1]。

高溫合金局部件區域I和區域II的熱流區別較大，溫區熱流不相同，地面熱環境試驗設計時需要滿足不同溫區加熱要求，同時滿足不同區域溫度場過渡連續，區域II需要設計短燈管排列布置，區域I需要設計隨形的石英燈加熱器來滿足試驗需求。

試驗時，在高溫合金局部件區域II上下大端面布置兩個平板式石英燈加熱系統，主要由多個石英燈管組成加熱燈陣，燈陣通過銅制匯流排進行并聯，匯流排為水冷結構，加熱的同時接入直流電源和循環水，匯流排通過定制陶瓷環和專用夾具固定到水冷反射板上，水冷反射板為不銹鋼中空結構，反射面涂有高反涂層。區域I前緣區小端面布置隨形石英燈高熱流加熱系統。

氣動熱載荷模擬系統示意圖見圖3。分別在區域II和區域I選取特征點作為溫度控制點，采用石英燈輻射加熱技術，特征點溫度作為分區控制反饋，通過調節石英燈功率實現對溫度載荷的閉環控制[2]。控制原理示意圖見圖4所示。

圖3 石英燈紅外輻射加熱系統示意圖

圖4 控制原理示意圖

2.2 力載荷施加

力熱聯合試驗中力載荷施加，需要同時考慮力載荷加載裝置與熱加載系統之間的相互影響，保證力載荷的準確加載，同時減少對溫度場的影響，以保證氣動熱載荷的模擬效果。

高溫合金局部件載荷施加時的約束夾具以及加載夾具，要求具有足夠的強度和剛度，不允許出現安裝松動和明顯變形。為避免接觸傳熱導致試驗件局部溫度降低或影響夾具性能，夾具與試驗件之間安裝隔熱板，根據試驗最高溫度，選擇陶瓷纖維板進行隔熱，減少溫度場對力載荷施加裝置的影響，以保證試驗模擬的效果。靜力載荷點簡化為集中力，對高溫合金局部件實現拉伸方向加載。靜力加載系統和熱加載系統按真實飛行時序，同步完成加載。

3 試驗測量

3.1 溫度測量

高溫合金局部件區域I和區域II布置溫度傳感器，一方面作為溫度控制點控制加載溫度，一方面檢測局部件關鍵位置溫度變化。

力熱試驗中接觸式溫度傳感器一般選用熱電偶傳感器。熱電偶由兩個不同材料的金屬線A和B組成，其溫度測量回路由熱電偶、補償導線及測量儀表構成。熱電偶溫度傳感器包括K型、S型、B型、T型，其中S型和B型熱電偶測量溫度較高，但成本也較高，而K型熱電偶測溫范圍寬、靈敏度高、價格比較便宜、復現性好。結構熱試驗一般選用K型熱電偶進行溫度測量。試驗件為金屬表面，熱電偶采用儲能焊的方式安裝。

3.2 位移測量

測量試驗件在外載作用下的變形，是驗證試驗件強度和剛度、檢驗試驗件的承載能力的重要依據。

位移測量常采用的方式包括接觸式測量和非接觸式激光測量，非接觸式位移測量量程范圍小，高溫試驗時容易被強烈光線干擾，造成較大測量誤差，不適用熱試驗高溫環境下位移測量。綜合測量精度要求、試驗成本及試驗條件，選用接觸式位移傳感器進行位移測量[3]。

接觸式直線位移計通過與被測試驗件接觸，試驗件產生位移時，帶動位移計探頭運動，把機械運動信號轉換成電壓信號。為避免高溫對直線式位移計探頭產生干擾，影響測量數據的可靠性，在直線式位移計探頭前端固定耐高溫的石英玻璃桿，石英玻璃桿線膨脹系數小，受高溫影響小，通過石英玻璃桿接觸被測結構，提高位移測量精度。位移測量系統示意圖如圖6所示。

圖5 力載荷施加系統示意圖

圖6 位移測量系統示意圖

3.3 應變測量

高溫應變片熱輸出測試是高溫應變片測試前的一個重要工作，熱輸出測試精度影響了高溫應變測試數據的修正精度。高溫應變片熱輸出的影響因素主要包括溫升速率、試件材料等。當溫度變化速率較低時，溫升速率對高溫應變片熱輸出影響較小，一般只需考慮試件材料的影響。而飛行器的氣動熱環境一般溫升速率較高，快達幾度每秒甚至幾十度每秒，因此高溫合金局部件應變測試需要對應變片瞬態熱輸出進行分析。

尹福炎[4]、郝慶瑞[5]均研究了溫升速率對應變片的性能影響，瞬態加熱條件下應變片溫度特性的變化，實質是試件與應變片之間產生的溫差，從而引入一個修正項 。修正項應預先測定應變計穩態熱輸出及試件材料的線膨脹系數，并且在實際試驗中同時測出試件表面溫度和應變片溫度，利用這些數據實時運算，求得高溫應變片實驗室的瞬態熱輸出。由于高溫應變片粘接劑、基底材料的性能等因素的影響，基于理論公式計算瞬態熱輸出引入的誤差較大，本試驗模擬瞬態熱強度試驗的真實加熱條件及溫升率，對高溫應變片的瞬態熱輸出進行標定。

熱輸出測試及后續力熱聯合試驗的應變片選擇美國威世的高溫箔式應變片，粘接劑選用DKS-8高溫型水泥膠。瞬時熱輸出的試件采用高溫合金局部件相同材料，用焊接的絲式K型熱電偶測量熱輸出試件表面溫度，應變片接線方式為三線制。

4 試驗驗證

試驗時，采用K型熱電偶測量試驗件的表面溫度，通過比較溫度控制系統的溫度輸入，調節系統的功率輸出，以此控制被測對象表面溫度。通過測力傳感器測量施加力載荷，通過比較力載荷系統的載荷輸入，調節力加載大小。通過測力、溫度傳感器采用閉環控制，可實現對氣動載荷的高精度控制。

通過試驗得到了高溫合金局部件溫度分布、力載荷加載情況及位移、應變數據。溫度測量曲線及力載荷控制曲線見圖8、9。

圖8 力熱聯合試驗溫度測量曲線

圖9 力熱聯合試驗力載荷控制曲線

5 結論

通過本試驗技術的研究，形成了一套適合高溫合金局部件的力熱聯合試驗技術和方法。采用石英燈搭建分區控溫輻射加熱系統模擬溫度載荷，采用軸向加載方式模擬氣動力載荷。考核了高溫合金局部件特性，獲得溫度、應變等試驗數據，為后續進行類似結構件的力熱聯合試驗提供技術參考。