CN101900663B - 高温循环氧化腐蚀模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料性能测试领域，尤其涉及一种氧化腐蚀模拟试验装置。一种高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，由加热炉、腐蚀环境箱、辅助支架系统和控制系统四大部分组成，所述的控制系统对加热炉、腐蚀环境箱和辅助支架系统进行控制，所述的辅助支架系统包括支架底座、升降驱动马达、样品支架导杆、换向齿轮箱、旋转臂和样品支架，样品支架具有在加热炉内的第一位置和在腐蚀环境箱内的第二位置，所述的控制系统控制升降驱动马达和换向齿轮箱驱动旋转臂带动样品支架在第一位置和第二位置间变换。本发明可实现多种氧化腐蚀工矿的腐蚀模拟试验，特别适用于不锈钢、特殊钢、耐热钢等在冷热循环的腐蚀环境条件下的抗氧化性能的试验。

Description

高温循环氧化腐蚀模拟试验装置

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，尤其涉及一种氧化腐蚀模拟试验装置。

背景技术

高温氧化试验的目的是测定材料氧化动力学参数，研究其规律，了解材料氧化膜的生长和损毁机制以及影响抗高温氧化的关键因素，以期寻找抑制或减少高温氧化损失的途径。氧化动力学试验包括恒温氧化动力学试验和温度交变的循环氧化试验，前者确定氧化速度，后者则检测氧化膜与基材之间的黏附性，即膜在温度循环变化情况下抗开裂与剥落的性能。恒温氧化试验主要采用热重技术。循环氧化试验主要是在马弗炉或气体加热炉中，高温保温一定时间，然后冷却，如此反复，该法的缺点是费事费力，每一个循环周期都需要试验人员参与，并且样品放入前后有温降的问题，对试验精度有较大的影响。

目前，对普通钢材的抗氧化性能的评定与测试已有标准可参考，如我国的GB/T13303-91，美国ASTM G54以及苏联的ΓOCT613D-71等，我国还有相关的部级标准，如航空标准HB5258，冶金标准YB-48-64。而工程应用合金方面缺少测试方法和标准。有些实验室根据工作环境与测试目的自行设计了模拟实际工矿条件的各种模拟装置，如专利CN1128350C和CN2476810Y所述的一种在交替氧化-硫化气氛中工程用钢的高温腐蚀模拟装置。该装置包括水平管式炉、综合反应器、机械泵等系统，它能模拟由氧过剩状态到缺氧状态的循环交替变化气氛，深入研究金属材料的高温氧化。但该设备不能满足一些温度交变并有腐蚀介质的工矿环境下的高温腐蚀行为的研究。专利CN200510085467.1所述的热障涂层服役环境模拟装置及模拟环境控制方法，该装置包括材料力学性能试验机、红外快速加热设备、声发射设备、材料电性能交流阻抗谱测试设备、温度采集设备和夹具等部分。该装置能够同时进行加热、加力和腐蚀的环境模拟，并且可以实现温度与机械载荷同步上升、保持、同步下降，解决了现有环境模拟装置中只能模拟单一环境状况的缺陷；该模拟环境的控制方法，可以根据航空发动机的工作特点控制环境模拟参数。对航空发动机启动、巡航和关闭过程温度迅速上升，保持在较高温度水平和温度下降过程以及在整个过程中伴随的载荷的增加，疲劳或蠕变载荷和载荷的下降过程进行耦合模拟。但是该装置对于模拟材料高温氧化-低温腐蚀-高温氧化这样的循环腐蚀过程也有局限性。在工业生产中也有采用挂片或者专门设计用来测定高温氧化腐蚀的探针进行测定。但工业挂片受到生产工艺、生产设备条件等的制约，而且试验周期较长。

在生产实践中，会遇到一些高温氧化和低温腐蚀交替存在的工矿环境，如汽车排气系统用钢，在汽车启动和运行的过程中，材料将遭受高温氧化，在汽车停止过程中，材料将遭受中低温冷凝液或雨水的腐蚀；另外，钢铁高温生产过程中，轧辊、输送辊道等材料都经受高温和冷却过程中腐蚀的交互作用过程。如果按GB/T13303-91执行的氧化测试试验，都不能较好的模拟上述高温腐蚀和低温腐蚀交替进行的腐蚀过程，现有的热重分析设备、各种加热炉等均不具备相应的功能。为此，迫切需要一套能模拟高温氧化和低温腐蚀交替进行环境的试验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，以满足模拟在高温氧化和低温腐蚀交替存在工矿环境的材料性能试验的需要。

一种高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，由加热炉、腐蚀环境箱、辅助支架系统和控制系统四大部分组成，所述的控制系统对加热炉、腐蚀环境箱和辅助支架系统进行控制，所述的辅助支架系统包括支架底座、升降驱动马达、样品支架导杆、换向齿轮箱、旋转臂和样品支架，样品支架导杆固定在支架底座上，旋转臂和样品支架导杆构成转动移动副，样品支架装在旋转臂上，样品支架具有在加热炉内的第一位置和在腐蚀环境箱内的第二位置，所述的控制系统控制升降驱动马达和换向齿轮箱驱动旋转臂带动样品支架在第一位置和第二位置间变换。

所述的加热炉包括炉管、炉门、加热炉箱体、加热元件、热电偶和保温材料。

所述的炉管为方形。

所述的炉门由控制系统控制自动开闭。

所述的腐蚀环境箱包括恒温水浴加热器、溶液槽、喷头、环境箱门、流量计和溶液泵，溶液泵通过流量计和喷头相连，恒温水浴加热器安装在环境箱箱体的底部，其上装有溶液槽，环境箱箱体上装有湿热发生器、温度传感器和湿度传感器，环境箱箱体底边上还开有废液排放口。

所述的环境箱门由控制系统控制自动开闭。

所述的控制系统包括电炉控制单元、支架控制单元、喷淋控制单元、温度和湿度控制单元和浸泡溶液温度控制单元，通过以上五个控制单元实现对腐蚀环境箱中喷淋量、浸泡温度和环境箱箱体内温度和湿度的控制；加热炉温度、时间的设定；辅助支架系统的升降和旋转的控制。

所述的电炉控制单元中对加热炉温度控制采用移相触发可编程控温仪表通过PID调节器控制。

所述的PID调节器为气动PID调节器或电动PID调节器。

本发明可实现多种氧化腐蚀工矿的腐蚀模拟试验。如单一的溶液喷淋试验，可以用来模拟雨水等对材料的腐蚀作用规律；单一的湿热气氛下的腐蚀模拟试验，模拟大气腐蚀气氛的腐蚀；单一的溶液浸泡腐蚀，可以模拟海水或其它工业介质的腐蚀；单一的高温氧化试验；高温氧化与空气中冷却的循环氧化试验；高温氧化与湿热条件下的循环腐蚀试验；高温氧化与溶液冷却的循环氧化试验；高温氧化与溶液浸泡腐蚀循环氧化试验，试验过程实现自动和半自动控制，特别适用于不锈钢、特殊钢、耐热钢等在冷热循环的腐蚀环境条件下的抗氧化性能的试验。

附图说明

图1为本发明高温循环氧化腐蚀模拟试验装置的结构示意图；

图2为用本发明进行循环高温氧化腐蚀模拟试验得到的数据曲线图。

图中：1环境箱箱体、2恒温水浴加热器、3溶液槽、4腐蚀环境箱、5湿热发生器、6样品支架、7喷头、8温度传感器、9湿度传感器、10环境箱门、11流量计、12溶液泵、13升降驱动马达、14样品支架导杆、15换向齿轮箱、16旋转臂、17炉门、18炉管、19加热炉、20控制系统、21电炉控制单元、22支架控制单元、23喷淋控制单元、24温度和湿度控制单元、25浸泡溶液温度控制单元、26加热炉箱体、27支架底座、28废液排放口、29辅助支架系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，一种高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，由加热炉19、腐蚀环境箱4、辅助支架系统29和控制系统20四大部分组成，所述的控制系统20对加热炉19、腐蚀环境箱4和辅助支架系统29进行控制，所述的辅助支架系统29包括支架底座27、升降驱动马达13、样品支架导杆14、换向齿轮箱15、旋转臂16和样品支架6，样品支架导杆14固定在支架底座27上，旋转臂16和样品支架导杆14构成转动移动副，样品支架6装在旋转臂16上，样品支架6具有在加热炉19内的第一位置和在腐蚀环境箱4内的第二位置；

所述的加热炉19包括方形炉管18、自动开闭的炉门17、加热炉箱体26、加热元件、热电偶和保温材料，炉内所使用的温度调节装置及测温仪的精确度为±1℃，炉内工作温度可达1100℃，炉子试验区内各温度点温度均匀，与规定温度的偏差不超过±5℃，加热炉19温度控制采用移相触发可编程控温仪表通过气动PID调节器或电动PID调节器控制。

所述的腐蚀环境箱4包括恒温水浴加热器2、溶液槽3、喷头7、自动开闭的环境箱门10、流量计11和溶液泵12，喷淋功能由一组喷头7、流量计11和溶液泵12来实现，溶液泵12通过流量计11和喷头7相连，喷淋量可根据试验需要通过流量计11调节来实现。溶液的浸泡由恒温水浴加热器2和溶液槽3来实现，恒温水浴加热器2安装在环境箱箱体1的底部，其上装有溶液槽3，浸泡溶液温度可控制在室温～95℃之间。温湿气氛由装在环境箱箱体1上的湿热发生器5、温度传感器8和湿度传感器9来实现，气氛温度可控制在室温～70℃之间，湿度可控制在30％～95％RH之间。环境箱箱体1底边上还开有废液排放口28。

所述的控制系统20包括电炉控制单元21、支架控制单元22、喷淋控制单元23、温度和湿度控制单元24和浸泡溶液温度控制单元25，通过以上五个控制单元实现对腐蚀环境箱4中喷淋量、浸泡温度和环境箱箱体内温度和湿度的控制，环境箱门10的开闭；加热炉19温度、时间的设定，炉门17的开闭；辅助支架系统29的升降和旋转的控制，通过控制升降驱动马达13和换向齿轮箱15驱动旋转臂16带动样品支架6在第一位置和第二位置间变换。

用本发明的装置进行单纯空气中的高温循环氧化试验过程如下：

首先准备好的样品，将样品固定在样品支架6上，在控制系统20上设定好加热炉19的温度和时间参数，设定样品支架6的上升下降高度和时间。启动试验，样品支架6从炉外下降到炉内恒温区内的第一位置，炉门关闭，样品在炉内保温一定时间后，炉门17打开，样品支架6上升，炉门17，空气中冷却一定时间后，炉门17打开，样品支架6再次下降，使样品进入炉内恒温区，如此反复到试验所需循环次数n，结束试验。取样分析和观察。

对于溶液喷淋腐蚀循环试验、湿热腐蚀循环试验和溶液浸泡腐蚀试验和单纯空气中的高温循环氧化试验类似。

用本发明的装置进行高温循环氧化腐蚀模拟试验过程如下：

首先选取好样品，选取长50～60mm，宽30～40mm的板状样品，样品厚度1～5mm。如钢材尺寸不允许时，也可作成30×15mm或30×10mm的小型样品；样品应厚薄均匀、形状规矩，表面磨光，表面粗糙度Ra为0.8μm，所有边棱都应打磨圆滑，样品测量精度应为0.02mm，至少测量3点，并取其平均值，样品在试验前用无水乙醇或乙醚去油后，即用强力热风机吹干，然后用精度在0.0001g以上的天平称重，而后放入干燥器中备用。

本次试验选用439M不锈钢做样品，NaCl溶液做浸泡液，首先将称重后的样品固定在样品支架6上，在控制系统20上设定好工作参数，加热保温时间为30min，开始后样品支架6移动到加热炉19内的第一位置，保温结束后样品支架6升高、旋转、下降移动到腐蚀环境箱4内的第二位置，在NaCl溶液中浸泡5min，样品支架6升高移出腐蚀环境箱4，完成一次试验周期，然后样品支架6再次移动到加热炉19内的第一位置，总循环周期为20个，每2个周期暂停试验取样观察和称重一次，所得试验结果如图2所示。

Claims (9)

1.一种高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：由加热炉(19)、腐蚀环境箱(4)、辅助支架系统(29)和控制系统(20)四大部分组成，所述的控制系统(20)对加热炉(19)、腐蚀环境箱(4)和辅助支架系统(29)进行控制，所述的辅助支架系统(29)包括支架底座(27)、升降驱动马达(13)、样品支架导杆(14)、换向齿轮箱(15)、旋转臂(16)和样品支架(6)，样品支架导杆(14)固定在支架底座(27)上，旋转臂(16)和样品支架导杆(14)构成转动移动副，样品支架(6)装在旋转臂(16)上，样品支架(6)具有在加热炉(19)内的第一位置和在腐蚀环境箱(4)内的第二位置，所述的控制系统(20)控制升降驱动马达(13)和换向齿轮箱(15)驱动旋转臂(16)带动样品支架(6)在第一位置和第二位置间变换。

2.如权利要求1所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的加热炉(19)包括炉管(18)、炉门(17)、加热炉箱体(26)、加热元件、热电偶和保温材料。

3.如权利要求2所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的炉管(18)为方形。

4.如权利要求2所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的炉门(17)由控制系统(20)控制自动开闭。

5.如权利要求1所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的腐蚀环境箱(4)包括恒温水浴加热器(2)、溶液槽(3)、喷头(7)、环境箱门(10)、流量计(11)和溶液泵(12)，溶液泵(12)通过流量计(11)和喷头(7)相连，恒温水浴加热器(2)安装在环境箱箱体(1)的底部，其上装有溶液槽(3)，环境箱箱体(1)上装有湿热发生器(5)、温度传感器(8)和湿度传感器(9)，环境箱箱体(1)底边上还开有废液排放口(28)。

6.如权利要求5所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的环境箱门(10)由控制系统(20)控制自动开闭。

7.如权利要求1～6中任意一权利要求所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的控制系统(20)包括电炉控制单元(21)、支架控制单元(22)、喷淋控制单元(23)、温度和湿度控制单元(24)和浸泡溶液温度控制单元(25)，通过以上五个控制单元实现对腐蚀环境箱(4)中喷淋量、浸泡温度和环境箱箱体内温度和湿度的控制；加热炉(19)温度、时间的设定；辅助支架系统(29)的升降和旋转的控制。

8.如权利要求7所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的电炉控制单元(21)中对加热炉(19)温度控制采用移相触发可编程控温仪表通过PID调节器控制。

9.如权利要求8所述的高温循环氧化腐蚀模拟试验装置，其特征是：所述的PID调节器为气动PID调节器或电动PID调节器。

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