Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 3, стр. 419-425

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из актуальных тенденций развития технических систем является увеличение в них доли использования композиционных материалов (КМ) [1, 2]. Это связано с уникальными свойствами различных КМ. Одно из направлений развития КМ – создание высокотемпературных КМ (ВКМ), в том числе способных функционировать в окислительной среде [3]. Задача внедрения ВКМ является важной для аэрокосмической, нефтегазовой, атомной и других отраслей промышленности. ВКМ могут использоваться в элементах конструкции внутриатмосферных летательных аппаратов и их двигателей [4, 5], теплонагруженных элементах наземных и объектовых энергетических установок, а также в различных технологических и производственных установках. Предварительный анализ данных [6–8] показывает, что применение ВКМ даст возможность повысить рабочие температуры газового потока, снизить массу конструкции, расширить диапазоны работоспособности и увеличить ресурс теплонагруженных элементов различных технических систем.

Перспективными материалами с высокой окислительной стойкостью являются углеродные ВКМ на основе керамической матрицы, которые способны сохранять свою работоспособность в окислительной среде длительное время при температурах более 2000 К [8–10].

На сегодняшний день имеется большое количество разновидностей углеродных ВКМ, различных как по своему химическому составу, так и по способу получения [10]. Различия в технологии изготовления ВКМ значительно влияют на характеристики материала. Поэтому перед выбором ВКМ для изготовления различных деталей, работающих при высоких температурах, необходимы сравнительные испытания образцов. В первую очередь для выбора ВКМ и предварительного анализа возможности их дальнейшего применения в теплонагруженных элементах конструкции аэрокосмической техники нужны экспериментальные исследования на жаропрочность. Следует отметить, что одним из предъявляемых требований к проведению селекционных испытаний модельных образцов ВКМ является получение сравнительных данных о линейной и массовой скорости уноса материала при минимизации временны́х и материальных затрат.

В работах [11–13] показано, что на эрозию материала влияет не только реализуемая температура поверхности, но и условия газодинамического воздействия на образец материала. В частности, при повышении скорости потока интенсивность эрозии увеличивается.

Таким образом, для выбора ВКМ, подходящих для последующего использования в силовых и энергетических установках, актуальным является проведение селекционных экспресс-испытаний при моделировании уровня тепловых потоков и газодинамических параметров течения вблизи испытываемого образца.

В настоящей работе рассмотрен метод проведения селекционных экспресс-испытаний образцов ВКМ, учитывающий специфику их последующего использования в элементах конструкции силовых и энергетических установок. Метод заключается в интенсивном лазерном нагреве образца ВКМ при его обдуве сверхзвуковым потоком воздуха. Данный метод позволяет оперативно оценить стойкость материала к воздействию высоких температур в высокоскоростной окислительной среде.

В задачи работы входит разработка и апробация технологии проведения селекционных экспресс-испытаний образцов ВКМ с последующими экспериментальным исследованием и сравнительной оценкой жаропрочности углеродных материалов, в том числе с добавками карбидов и оксидов Hf, Si, Ta, Zr.

МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПРЕСС-ИСПЫТАНИЙ

Испытания на жаропрочность образцов из высокотемпературных композиционных материалов выполнены на установке лазерного воздействия, которая состоит из сверхзвукового аэродинамического сопла (МФТИ) СТ-4 с установленным в нем лазером. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Методология проведения испытаний заключалась в следующем. Образец из ВКМ закреплялся в барокамере на срезе аэродинамического сопла СТ-4. Рабочая поверхность объекта испытаний (ОИ) находилась в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. После этого происходило вакуумирование барокамеры с установленным в ней образцом из ВКМ до давления около 2 кПа с помощью газгольдеров. Далее открывалась входная задвижка сопла и воздух из атмосферы поступал в барокамеру, осуществляя сверхзвуковой обдув ОИ. После установления режима обтекания производилось лазерное воздействие на поверхность ОИ.

Для селекционных экспресс-испытаний ВКМ выбрано оборудование, которое позволяет проводить экспериментальные исследования при максимальном радиационном потоке лазерного излучения Q = 1.27 ГВт/м² и длине волны λ = = 1070 нм. Исследования проходили при условиях одновременного нагрева и обдува объекта испытаний потоком воздуха с числом Маха М = 2 и полным давлением р ≈ 10⁵ Па.

С целью определения температуры осуществлялась съемка ОИ на цветную видеокамеру Redlake Motion Pro X3 с возможностью установки экспозиции кадров в диапазоне от 1 до 40 000 мкс. Видеокамера устанавливалась перед аэродинамическим соплом, что обеспечивало беспрепятственную регистрацию излучения с поверхности образца.

Благодаря RGB-матрице видеокамера может быть использована как цветовой пирометр для анализа теплового состояния поверхности ОИ. Каждый пиксель матрицы видеокамеры фиксирует интенсивность излучения от источника в трех диапазонах длин волн (трех каналах R, G и B). На рис. 2 приведен график спектральной чувствительности матрицы Redlake Motion Pro X3, взятый из технической документации камеры.

Определение температуры Т_S нагретого образца проведено по методу, описанному в работе [14]. В этом случае используется отношение интенсивностей излучения от образца и от калиброванного источника на определенной длине волны. Излучение произвольного тела на определенной длине волны в направлении нормали ${{I}_{{\lambda ,T}}}$ может быть выражено через формулу Планка и спектральную степень черноты ${{\varepsilon }_{{\lambda ,n}}}$ для длины волны λ:

где h – постоянная Планка, с – скорость света, k – постоянная Больцмана.

В упрощенном виде отношение интенсивностей от двух источников может быть представлено в следующем виде [14]:

где С₂= hc/k; T_S, T_C – температуры образца и калиброванного источника соответственно; ε_S, ε_C – степени черноты образца и калиброванного источника; η – коэффициент, выражающий различие оптических условий записи образца и калиброванного источника.

Калиброванный источник представляет собой вольфрамовую лампу, для которой получено соответствие  между интенсивностью излучения и температурой нити накала лампы.

Излучение лампы регистрировалось по тому же оптическому пути, что и в эксперименте, единственное различие заключалось в длительности экспозиции (это различие отражается коэффициентом η). Чтобы минимизировать влияние η, используется отношение интенсивностей от двух каналов (R и G), т.е. излучение на двух длинах волн (параметры, относящиеся к различным длинам волн, указаны индексами 1 и 2):

где $\frac{{F({{\lambda }_{1}},{{\lambda }_{2}},{{T}_{S}})}}{{F({{\lambda }_{1}},{{\lambda }_{2}},{{T}_{C}})}} = \exp \left( {{{C}_{2}}\left( {\frac{1}{{{{\lambda }_{2}}}} - \frac{1}{{{{\lambda }_{1}}}}} \right)\left( {\frac{1}{{{{T}_{S}}}} - \frac{1}{{{{T}_{C}}}}} \right)} \right).$

Предполагается, что степень черноты образца не зависит от длины волны. В этом случае степень черноты образца в уравнении (1) сокращается. Степени черноты материала калиброванного источника (вольфрама) для заданных длин волн (для красного и зеленого каналов) определены согласно данным [15].

Область снимка, соответствующая изображению нагретой части поверхности ОИ, выделяется с помощью применения к изображению маски, которая отсекает пиксели со значениями интенсивности ниже максимального значения сигнала “шума”, уровень которого определялся с использованием программного пакета XnView. Таким образом, из кадра с изображением образца выделяется тепловое пятно, свечение которого обусловлено нагревом от излучения лазера.

Для каждого пикселя, фиксирующего излучение от нагретой части поверхности ОИ, вычисляется отношение интенсивностей R- и G-каналов, которое подставляется в формулу (1), и численным методом находится значение температуры образца T_S в этой точке кадра. Для каждого кадра определяется максимальное и среднее значения температуры нагретой части поверхности ОИ. Регистрация проводится для различных моментов времени, что позволяет определить динамику изменения температуры поверхности ОИ.

Оценка жаропрочности образцов осуществляется по массовой U_M и линейной U_L скоростям уноса массы ВКМ:

Здесь М₀ – масса образца до испытаний; М₁ – масса образца после испытаний; t – время воздействия лазерного излучения; ρ – плотность исследуемого материала; F_av – средняя площадь впадины, образовавшейся на поверхности ОИ в результате воздействия лазерного излучения. Следует отметить, что F_av определяется из анализа геометрической конфигурации впадины, измеренной с помощью пространственного лазерного сканера (3D-сканирование). В работе используется 3D-сканер RS6, установленный на портативном многосуставном координатно-измерительном устройстве Absolute Arm и позволяющий проводить измерения с точностью до 0.06 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ АПРОБАЦИИ

Эксперимент проводился в условиях одновременного теплового и газодинамического воздействий. Для исследования использовались ОИ из ВКМ с геометрической конфигурацией, представленной на рис. 3.

Для определения параметров течения вблизи поверхности образца в условиях экспериментальной установки проведено предварительное численное моделирование газодинамических процессов. Моделирование основано на решении системы уравнений Навье–Стокса, осредненных по Фавру в осесимметричной стационарной постановке для вязкого теплопроводного газа [16]. При моделировании турбулентной вязкости использована однопараметрическая модель Спаларта–Аллмараса [17]. Система уравнений решена неявным методом с использованием схемы AUSM [18].

Поля числа Маха и статического давления в области ОИ, полученные в результате численного моделирования, представлены на рис. 4. В результате численного моделирования показано, что сопло работает в расчетном режиме, скорость ядра потока на срезе аэродинамического сопла соответствует М = 2. Перед кромкой образца возникает прямой скачок уплотнения, статическое давление за которым составляет р ≈ 70 кПа, а скорость снижается до M ≈ 0.1. Следует отметить, что за срезом аэродинамического сопла происходит свободное расширение потока в барокамере экспериментальной установки и увеличение его скорости до значений, соответствующих М > 3.

В указанных условиях обдува проведены испытания восьми модельных образцов с различными тугоплавкими добавками и без них (табл. 1). В качестве добавок использованы порошки карбидов и оксидов Hf, Si, Ta, Zr, которые имеют высокие температуры плавления [19].

Длительность испытания каждого образца составляла до 30 с. Так как тепловой поток на поверхности ОИ от лазерного излучения находится на уровне 1 ГВт/м², указанного времени достаточно для оценки жаропрочности высокотемпературных композиционных материалов. На рис. 5 представлены образцы до и после испытаний. Видно, что в процессе эксперимента происходит значительная эрозия материала ОИ.

Для оценки размеров образовавшихся впадин в местах воздействия лазерного излучения проведено сканирование поверхности образцов с помощью лазерного 3D-сканера. По результатам 3D-сканирования видно, что впадины на поверхности объектов испытаний имеют форму, близкую к конической (рис. 6). Для расчета линейной скорости уноса массы ВКМ по полученным 3D-моделям определены средние площади образовавшихся углублений, которые для рассматриваемых образцов составили F_av ≈ 3–50 мм².

По результатам экспериментов в соответствии с представленной методикой рассчитана средняя температура в рабочей области объектов испытаний Т_av = 2100–2350 К.

Посредством теплопроводности в процессе эксперимента происходит постепенное увеличение размеров теплового пятна. На рис. 7 показана характерная зависимость изменения площади теплового пятна F_S от времени воздействия лазерного излучения. Распределения температуры на поверхности образца в различные моменты времени приведены на рис. 8.

Количественные результаты испытаний образцов ВКМ представлены в табл. 2. Массы рассмотренных образцов после испытаний снизились на 0.4–2.2% относительно начальной. Массовая скорость уноса массы при этом составила 0.61–8.39 мг/с, а линейная – 0.01–0.41 мм/с.

На рис. 9 приведена гистограмма линейной скорости уноса массы с поверхности образцов, различных по своему химическому составу.

Наиболее высокие показатели жаропрочности (минимальная линейная скорость уноса массы с поверхности U_{L min} = 0.01 мм/с) наблюдаются у образца № 3, в химический состав которого добавлен порошок карбида тантала. Предположительно это связано с тем, что при высоких температурах в материале образца с карбидом тантала образуются жидкие пленки оксидов и карбидов кремния и тантала, которые обеспечивают протекторную защиту поверхности ВКМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной апробации разработанной методологии экспресс-испытаний на жаропрочность перспективных углеродных ВКМ с помощью лазерного нагрева в сверхзвуковом потоке определены характеристики жаропрочности восьми образцов с различным химическим составом.

Средние температуры поверхности зоны нагрева образцов ВКМ составляют от 2100 до 2300 К. При этом скорость уноса массы у образца без высокотемпературных добавок соответствует U_{L max} = = 0.41 мм/с. Использование добавок на основе карбидов и оксидов Hf, Si, Ta, Zr позволяет снизить скорость уноса массы в рассматриваемых условиях. Минимальная линейная скорость уноса массы составила U_{L min} = 0.01 мм/с у образца ВКМ с добавкой карбида тантала.

Полученные данные могут быть использованы при дальнейших исследованиях высокотемпературных композиционных материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI60719X0323).