在一些極端環(huán)境下需要使用特殊的材料，而極端環(huán)境下的材料檢測也是一個困難的課題，在這方面，美國國家航空航天局和勞斯萊斯大學(xué)技術(shù)中心（UTC）所做的研究或許會給大家以啟發(fā)。

    材料在使用前需要在其最終使用的溫度下進行測試。但是在航空航天發(fā)動機開發(fā)時，溫度范圍從冰點以下到1000°C以上，這種情況該如何解決呢？相關(guān)研究人員給出了航空航天行業(yè)克服困難的方法。

    這些用于航空航天發(fā)動機的材料的開發(fā)，不僅推動材料開發(fā)商的進步，而且促進了材料檢測行業(yè)的發(fā)展。一般情況下，飛機發(fā)動機的運行溫度非常高，但是在操作期間的寬溫度范圍難以在實驗室中模擬重現(xiàn)。這種溫度差是巨大的，可以從低至-150℃（巡航式客機的環(huán)境空氣溫度）到超過1000℃（渦輪發(fā)動機中的燃燒室溫度）。

    熱障涂層的有效性、高級金屬合金耐熱性的表征、重結(jié)晶溫度和材料的熱彈性行為等性能都需要工程師們進行研究。

    為了實現(xiàn)改善未來飛機發(fā)動機性能的最終目標(biāo)，美國航天局NASA的研究人員正在研究可用于制造渦輪發(fā)動機部件的高溫材料。包括更輕，更堅固并且可以承受發(fā)動機核心部位產(chǎn)生的極高溫度的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。許多人認(rèn)為CMC將是目前使用的鎳基超合金的很好的替代者。

    一般來說，發(fā)動機運轉(zhuǎn)越熱，燃料效率越好。多年來，隨著金屬部件用熱障涂層處理，發(fā)動機可以運轉(zhuǎn)地更熱。但是涂層能夠耐受的溫度是有限的。另一方面，在被稱為環(huán)境屏障涂層的陶瓷涂層的幫助下，已經(jīng)證明這種經(jīng)過特殊設(shè)計的CMC能夠耐受1500℃甚至更高的溫度。

    NASA材料工程師Valerie Wiesner說：“我們希望了解CMC和保護涂層是怎樣做到既能承受高熱，又能承受如灰塵，沙粒和火山灰等環(huán)境顆危害的。這很重要，因為利用飛機發(fā)動機溫度升高來提高燃料效率，當(dāng)沙子被攝入發(fā)動機時，實際上可能會被熔化成玻璃并可能導(dǎo)致功率損耗或者發(fā)生故障。”

    使下一代飛機朝著更高的運行效率發(fā)展將在很大程度上取決于發(fā)動機技術(shù)和材料制造能力的進步。 在美國國家航空航天局的其他部門，測試工程師Michael Cuy所做的相關(guān)工作是通過NASA燃料燃燒器使涂層碳化硅樣品經(jīng)受類似飛機發(fā)動機的高溫和高速環(huán)境。該設(shè)施的八個測試單元配備有噴氣燃料燃燒器，并且可以使涂覆的樣品在高達2700華氏度的高溫以及高達0.3馬赫的氣流和微粒速度下進行試驗。

    這種獨特的設(shè)備用于測試研究人員開發(fā)的先進涂料，以使飛機發(fā)動機零件免受飛行中遇到的惡劣的燃燒環(huán)境。通過使用耐用涂料進行保護并盡量減少危險接觸造成的損害，盡管如此，這些措施仍然有局限性。在其他地方，勞斯萊斯在德國卡爾斯魯厄大學(xué)開設(shè)了大學(xué)技術(shù)中心（UTC），對燃氣渦輪燃燒器和渦輪機中的冷卻進行類似的研究和測試。

    當(dāng)美國國家航空航天局在為使發(fā)動機更熱地運行而努力時，勞斯萊斯希望確保其發(fā)動機不超過運行溫度限制，因此正在尋求進一步開發(fā)有效的冷卻系統(tǒng)，以防止燃燒和渦輪機部件熔化。

    UTC旨在提高發(fā)動機效率，并將采取整體的方法，使用較少的空氣進行冷卻，更注重燃燒過程，以幫助進一步減少發(fā)動機排放。卡爾斯魯厄大學(xué)在超熱環(huán)境中的燃燒冷卻，薄膜冷卻和兩相流，以及一系列鉆機和復(fù)雜硬件，創(chuàng)新方法和測量技術(shù)，測試?yán)碚摵筒牧祥_發(fā)技術(shù)方面都具有良好的學(xué)術(shù)能力。

    卡爾斯魯厄大學(xué)有望與英國的一些現(xiàn)有的勞斯萊斯UTC（特別是位于薩里，拉夫堡和諾丁漢大學(xué)的UTC）和位于牛津的奧斯尼實驗室開展密切合作，共同致力于熱傳遞，燃燒，計算流體動力學(xué)（CFD），空氣熱技術(shù)和組件相互作用的研究，同時進行高度專業(yè)化的建模，驗證和測試。

    為了迎合許多高溫測試在全球航空發(fā)動機開發(fā)中的需求，加熱試件已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)實驗。然而，確立的過程并不像結(jié)果那么直截了當(dāng)。在傳統(tǒng)測試中，對金屬的測試已經(jīng)高達1000℃。然而，近年來由于CMC和高強度鋼的混合材料的發(fā)展，工程師希望使測試溫度遠遠超出樣品測試的標(biāo)準(zhǔn)極限。

    在這方面的研究中，中國航空航天研究所正在努力開發(fā)用于渦輪發(fā)動機的材料。為了獲得所需的測試能力，它與測試設(shè)備制造商Zwick Roell聯(lián)系，希望對加熱超過1200℃的材料樣品進行非接觸拉伸試驗。

    Zwick Roell公司營銷副總裁David Phillips解釋說：“工程師們正在尋找更高的能源效率，其中的驅(qū)動因素之一是溫度。”如果噴氣發(fā)動機可以在更高的溫度下運行，那么它們的燃油效率會更高。這給我們施加了壓力，需要我們能夠在更高的溫度下測試材料。

    該要求已經(jīng)促使研究所的Allround線材測試機250kN型的發(fā)展。這臺機器，就像大多數(shù)由Zwick設(shè)計的儀器一樣，已經(jīng)設(shè)計了模塊化。 事實上，Zwick所設(shè)計產(chǎn)品的細微差別包括高度有效地利用基本工程原理，例如在機器上使用盡可能多的通用部件，最少的零件數(shù)量和模塊化制造間隔——所有這些都是在德國南部城市烏爾姆設(shè)計的。

    AllroundLine測試機使用交流驅(qū)動，據(jù)說在整個生命周期中是零維護。 它在拉伸和壓縮時最大力可以達到250 kN，并且在非常低的速度下可以提供恒定的速度。

    為了能夠進行所需的測試，模塊化Allround Line機器配備了溫度室和高溫爐。 這種組合使得在-150和1200℃之間的溫度范圍內(nèi)進行測量成為可能。溫度室的設(shè)計溫度在-80℃和300℃之間，但是可以使用液氮降至-150℃。

    對于高溫爐，有一倉和三倉兩個版本可供選擇，它可以在空氣中或在真空環(huán)境中進行測試。爐的最低溫度為200℃，而最大溫度1600℃為應(yīng)變測量溫度。該范圍的最低溫度對應(yīng)于巡航的商業(yè)客機的典型低溫，最高溫度則對應(yīng)在渦輪機核心或其周圍，或者對應(yīng)于燃燒室中發(fā)生的高溫。

    “通常，你必須將籠狀裝置固定到具有移動部件和傳感器的樣品上，以便跟蹤測定樣品的伸長，但這在高溫下很難做到。” Phillips說， “該設(shè)備必須連接到每個單個樣品上，并且傳感器每次都需要重置，因此需要很長時間來設(shè)置。

    雖然這仍然是最先進的技術(shù)，但是我們試圖在不觸及標(biāo)本的情況下進行同樣的測試，因此我們正在采取非接觸的方法。”

    Allround Line機器上的應(yīng)變測量是通過Zwick的非接觸式LaserXtens引伸計進行的。它包括兩個帶有數(shù)碼相機的測量頭和安裝在電動滑架上的激光光源。

    這種激光-光學(xué)方法使得在拉伸試驗中不必對樣品進行實際標(biāo)記，而是使用相干光照射樣品產(chǎn)生的虛擬標(biāo)記，這樣可以在變形測試期間實時地精確跟蹤樣品的移動。laserXtens使用綠色激光投射斑點圖案并在表面上形成獨特的圖案。激光-光學(xué)方法在從零度以下到發(fā)熱的紅熱狀態(tài)的幾乎任何溫度范圍內(nèi)都能保持準(zhǔn)確。

    Zwick開展的工作回答了許多行業(yè)挑戰(zhàn)，包括如何提高測試溫度，同時能夠使用非接觸方法準(zhǔn)確測量樣品的行為和性能。對鉆機進行的研究工作可以很好地應(yīng)用于其他行業(yè)，毫無疑問這將有助于渦輪發(fā)動機開發(fā)商通過在更高溫度下測試新材料來提高燃油效率。