客户挑战
高温材料可以在极端温度下长时间工作，此类材料的开发为下一代喷气发动机和燃气涡轮机奠定了基础，将重新定义人们对燃料效率的预期。加拿大结构和材料性能实验室正在进行该领域的一些前沿研究，该实验室隶属于加拿大国家研究委员会的航空航天研究所，位于安大略省渥太华。
在这所实验室中，15 名研究科学家组成的材料和部件技术小组专门负责设计、开发和测试新型燃气涡轮机材料，包括高温合金和陶瓷基复合材料。该小组主要从事内部研究，同时也与普惠、劳斯莱斯和通用电气等商用发动机制造商以及 ATI Allvac 和 Carpenter Technologies 等材料供应商合作。为了确定新材料在不断上升的高温下的性能和使用寿命，该小组必须进行广泛的精密力学测试。
“我们的研究无所不包，从拉伸、蠕变和断裂韧性测试，到更专业的微动疲劳、热机械耦合疲劳、疲劳裂纹扩展和蠕变裂纹扩展速率等测试。”小组中的高温疲劳和断裂力学设施负责人 Kearsey 博士说道，“我们需要开发这些材料、对其进行测试，然后开发能够表征这些材料特性的标准试验方法，包括计算样件的几何结构，以及如何在实验室中复制发动机的使用环境。”
目前，Kearsey 博士面临最大的挑战非常直接：高温。在过去数十年中，不锈钢、钛和铝合金的测试温度相对适中。而当今先进材料的测试温度需要高出 25%。
“温度过高，材料测试就成为了一个更复杂的问题。”他说道，“如果标准测试依靠的是额定温度为 800°C 的设备，我们该如何在 1000°C 下测量材料？又该如何添加合适的仪器来测量裂纹扩展速率？这些问题并非不可行，但会非常复杂。我们必须绝对确保温度和载荷 100% 可追溯，我们的成果最终将应用于制造发动机的关键部件。”
MTS 解决方案
材料和部件技术小组为高温测试部署了 18 种不同的 MTS 解决方案，包括从传统的 MTS 810 载荷框架到先进的 MTS Landmark® 伺服液压测试系统的全系列产品。
“我们钟情于 MTS 载荷框架的原因在于其稳定性。” Kearsey 说道，“当我们有四到五个框架并排运行时，整个实验室就会产生震动。而 MTS 框架非常稳定；完全不存在因扭曲或扭转导致样件错位的情况。”
该实验室的测试设备包括两台 MTS 液压动力装置、FlexTest® 数控装置和多用途 TestWare® 软件。实验室还采用了全套 MTS 测试附件，包括夹具和固定工装、引伸计和应变片、高温炉和感应加热装置，所有这些附件都必须非常容易组合，并整合到特定高温测试所需的复杂配置中。
“硬件需要在不同的测试温度和条件下正常工作，” Kearsey 博士说道，“我们最满意的是我们可以将 MTS 的高温炉应用到任何载荷框架上。互换性对我们而言至关重要，尤其在可重复性方面。当我们需要对类似的几何结构进行 100 次测试时，我们不想将时间浪费在为每一个几何结构重复标定上。”
客户收益
对 Kearsey 博士来说，测试硬件和软件的可靠性至关重要。可靠性是结果精确性、实验室生产效率和外部客户满意度的关键前提。
“我们采购 MTS 设备的原因在于其几乎从未失效过。”他说道，“这些设备无需更换，非常可靠，且可追溯。作为一所研究实验室，可追溯性是一项关键要求。如果我们对系统进行了对中，我们就必须确保在下一次测试中还能保持这样的状态。无论我们是测试先进的单晶合金，还是对使用了 50 年的合金评估寿命预测模型。利用 MTS 测试系统，我们可以生成的数据可以帮助我们做出自信的决策。”
在高温材料测试中，引伸计的可靠性尤其重要，特别是在频率高达 10 Hz 或测得反射较小的刚性材料上。Kearsey 博士还提到软件的可靠性也是一个重要因素。
“例如，当您在进行热机械耦合疲劳测试时，测试可以需要持续三个月的时间。”他说道，“这对我们的客户来说成本非常高昂。您绝不会希望告诉他们测试过程中软件崩溃了，结果是无效的。MTS 软件在这方面从没有掉链子。他们的软件非常可靠，许多模块专为低周疲劳、热机械耦合疲劳等测试进行了预编程。”
即使现在 Kearsey 博士已经在着手攻克 1000°C 下的测试挑战，但他预计高温的上限还会上升。事实上，他已经在与 MTS 合作设计能够在更高温度下工作的测试系统。
“随着新型合金逐渐被陶瓷基复合材料所取代，我们甚至需要在高达 1300°C 或 1400°C 的温度下运行测试。”他说道，“我们已经在和 MTS 讨论如何实现这一目标。我们需要多大尺寸的高温炉？热区会呈现什么样的状态？我们需要什么样的引伸计？MTS 似乎总能在合适的时机帮助我们解决问题。这种支持能力正是我们与 MTS 不断加深合作的原因所在。”
