CN104237120A - 一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于涂层性能测试技术，公开了一种热震性能及热循环氧化性能测试装置，该装置包括加热炉，支架，试样托架，步进电机三套，控制器，冷却介质。加热炉为立式加热炉，开口向上，方便试样进出。支架主要起固定步进电机及控制器的作用。试样托架上有两个炉盖，炉盖下可挂试样，两个炉盖交替使用，保证炉膛温度。控制器通过设定程序控制步进电机。步进电机控制试样进出炉膛速度、方向和炉盖的交替。冷却介质为热震试验提供，可以是水冷或者空冷。

Description

一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置

技术领域

本发明涉及一种简易自动实验装置，尤其是涉及一种热震试验和热循环氧化试验装置。

背景技术

热震性能是多用于评价热障涂层试样在冷热交替环境下，涂层的抗剥落性能。通常情况下，实验室针对热震性能采用火焰或加热炉加热，保温一定时间，然后在空气中，或水中冷却，然后观察在不同循环次数后涂层表面热震裂纹的萌生，扩展及涂层剥落情况，由此评价涂层的热震性能。

抗氧化性能多指材料在高温时抵抗空气中的氧或在其他氧化性气氛腐蚀作用的能力。在进行抗氧化性能测试时，通常情况下采用加热炉加热，保温一定时间后空冷至室温，然后称量并记录试样重量变化，同时观察试样表面氧化情况，如：观察试样涂层表面是否出现裂纹，是否有剥落；对无涂层的裸金属试样则观察试样表面颜色变化，是否有起皮、翘曲等，然后秤量，如此循环到加热、保温、冷却、称量，累积恒温时间通常大于100h，有些高达上万次，最后绘制氧化增重动力学曲线，或氧化剥落量与氧化时间曲线，由此评价试样抗高温热氧化性能和涂层抗高温剥落性能。

经过对现有技术文献和专利检索发现，对于热震性能的测试主要是针对热障涂层进行的，并且多半是模拟发动机叶片工作背景设计热源和冷却方式。如周洪等在“热障涂层抗热震性能测试装置”[周洪,李飞,何博,王俊,孙宝德.热障涂层抗热震性能测试装置:CN100456014C[P].2009-1-28]中设计了一种通过对旋转平台上的试样依次加热，在加热的同时或加热后对涂层试样背面采用冷却介质进行冷却的装置。该发明重点在模拟对热障涂层的热震性能试验。没有进行高温循环氧化试验的功能。专利CN10103134828A“热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置及其测试方法”[陈东,褚作明,蔡卫东,范广宏,颜昌海2013-6-5]主要针对热障涂层，采用火焰或加热炉作为热源，可以实现对热障涂层的热震性能和隔热性能同时测试的功能。专利CN101644650B[张天剑,方涛,汪瑞军,王伟平,程家龙.一种热障涂层热循环性能测试装置及其测试方法2011-3-23]整个系统在一个机箱中，采用加热枪定点点火，加热到所需温度后停止加热，并开动冷却系统，反复循环至到涂层破损。由此可见上述的热震性能测试装置难以实现可以同时进行高温长时间热氧化性能的测试。

对于抗高温热氧化实验，最简单和传统的方法是通过加热炉加热保温，然后将试样取出冷却，然后称重的方法，试样的取出必须通过试验人员现场取样，一般热氧化时间都较长，有时一个循环设定为10小时，试验人员晚上就不能休息。如于修水等[于修水，梁文萍，缪强，等.γ-TiAl合金磁控溅射Al涂层的抗高温氧化性能[J].金属热处理.2013,38(8):21-25]提到称量过的试样放入陶瓷坩埚中，然后放入900℃加热炉中氧化10h后称量，如此循环11次，即110h后整理数据，绘制氧化动力学曲线，评估试样抗氧化性能。试验过程中试样取出冷却时后，加热炉处于空载阶段，加热炉功率高，能耗大，造成了能源浪费。若在取出试验时再放另外一批样，则在工作时间上容易导致深夜凌晨工作。

本发明通过简易的试验装置，通过步进电机控制两批试样交替试验，保证炉温稳定，实现对试样热震性能自动试验；对热循环氧化试验，当一个试样处于高温氧化过程中，另一个样则选择合理的时间对其进行处理，起到节约能源，优化工作效率的作用。

发明内容

本发明意在设计一种简易自动测试试样热震性能及优化热循环氧化试验装置，可以实现对涂层样件或无涂层的裸钢样件进行热震性能自动测试和高温热循环氧化试验，起到节约能耗，减轻试验人员负担的功能。

本发明技术特点在于：

高温氧化腐蚀是制约合金在更高温度使用的一个重要因素，因此就需要在合金表面制备涂层，一方面提高试样的抗氧化性，另一方面靠涂层的隔热作用降低合金的实际使用温度。涂层的热震性能是评价涂层试样在冷热交替环境中，涂层的抗开裂剥落性能；抗高温氧化性能是评价涂层或金属在高温条件下长时间氧化的抗氧化能力。

为了实现上述目的，本发明提供一种热震性能及热循环氧化性能测试装置，所有器件设置于支架上，包括控制系统，加热系统，冷却装置；

所述支架为底面敞开的箱体结构；

所述控制系统包括：程序控制器，第一步进电机，第二步进电机，第三步进电机，其中，所述第一步进电机，第三步进电机通过定位、固定在支架中箱体的两壁，第二步进电机固定在第一步进电机，第三步进电机的滑块上，通过程序控制器控制第一步进电机和第三步进电机滑块上下同时移动从而带动第二步进电机上下移动，通过程序控制器控制第二步进电机的滑块左右移动；程序控制器置于支架底面敞开的箱体顶部，便于操控；程序控制器通过预设定程序，控制步进电机移动速度和方向；

所述加热系统包括：加热炉，第一炉盖，第二炉盖；试样托架；所述第一炉盖，第二炉盖通过试样托架固定在第二步进电机的滑块上；加热炉则设置在试样托架所在的垂直面内，所述加热炉通过控温仪控制炉膛内温度，用于提供试验所需高温；

所述冷却装置包括：第一冷却介质盛放容器，第二冷却介质容器，托台，其中，所述第一冷却介质盛放容器，第二冷却介质容器放置在铁架托台上用于盛放热震试验冷却介质。

进一步的，所述第一步进电机，第三步进电机竖直安装于支架上，实现两个步进电机上的滑块垂直于地面运动；第二步进电机横向固定在两个竖直步进电机滑块上，以实现步进电机上的滑块平行于地面运动；试样托架上载有两个加热炉盖，以实现对加热炉的保温和试样固定。炉盖与试样托架直接固定。

进一步的，所述加热系统的整套装置下装有滑轮，便于放置。

进一步的，所述第一炉盖，第二炉盖下挂试样；通过横向移动的第二步进电机交替将第一炉盖，第二炉盖盖于加热炉上，同时交替使用保证炉温的稳定，当一批样件在进行加热保温时，另一批样品在冷却，并对冷却样件进行各种分析，包括称重等，实现试样的交替处理；同时对炉体外的试样进行相应的处理。

优选的，所述程序控制器定时控制第一步进电机，第二步进电机，第三步进电机滑块移动速度和方向，程序控制器控制第一步进电机，第三步进电机的滑块同步上下运动，控制第二步进电机的滑块左右运动。

优选的，所述第一步进电机，第三步进电机同步携带第二步进电机上下运动；第一炉盖，第二炉盖通过与第二步进电机的滑块连接实现左右运动。

进一步的，所述第一冷却介质盛放容器，第二冷却介质容器盛放的冷却介质包括水或油，或空置以空气作为冷却介质，针对热循环氧化试验，试样自然冷却。

优选的，通过程序控制器设定程序，第一步进电机，第三步进电机以一定的速度运动同步带动第二步进电机向上运动，同时将悬于第一炉盖或第二炉盖上的试样拉出，第二步进电机将其水平移开，第一步进电机，第三步进电机同步向下移动将第一炉盖或第二炉盖盖在加热炉上，确保加热炉内温度稳定，同时悬于第一炉盖或第二炉盖上的试样处于炉外，可对其进行水冷、油冷或冷却气体冷、或自然空冷；通过程序控制器设定程序设计循环次数和频率。

进一步的，所述装置可进行热震性能测试，进行热氧化性能测试；或利用一台加热炉对两个试样自动进行交替测试，达到节能降耗、快速测试的目的。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置示意图；

图2a是本发明一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置侧视图；

图2b是本发明一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置中正视图；其中，

1.程序控制器	7.托台
		2.第一步进电机	8.第二冷却介质容器
3.试样托架	9.第二炉盖
		4.第一炉盖	10.支架
5.第一冷却介质盛放容器	11.第二步进电机
		6.加热炉	12.第三步进电机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

如图1是本发明一种热震性能及热循环氧化性能简易自动测试装置示意图，图2a是本发明一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置侧视图；图2b是本发明一种热震性能及热循环氧化性能自动测试装置中正视图。

本发明公开了一种热震性能及热循环氧化性能简易自动测试装置，是采用步进电机程序进行二维控制，通过加热炉提供热源，自动实现试样热震性能及热循环氧化性能的测试。步进电机程序可控制试样移动方向和速度，不仅能实现热震性能和热循环氧化性能自动测试，还能确保炉温的恒定，从而达到节约能源，优化试验过程的效果。

本发明的热震性能及热循环氧化性能简易自动测试装置的所有器件设置于支架10上，包括控制系统，加热系统，冷却装置，所述支架10为底面敞开的箱体结构；所述控制系统包括：程序控制器1，第一步进电机2，第二步进电机11，第三步进电机12，其中，所述第一步进电机2，第三步进电机12通过定位、竖直固定在支架10中箱体的两壁，实现两个步进电机上的滑块垂直于地面运动；第二步进电机11横向固定在第一步进电机2，第三步进电机12的滑块上，以实现步进电机上的滑块平行于地面运动；通过程序控制器1控制第一步进电机2和第三步进电机12滑块上下同时移动从而带动第二步进电机11上下移动，通过程序控制器1控制第二步进电机11的滑块左右移动；程序控制器1置于箱体顶部，便于操控；程序控制器1通过预设定程序，控制步进电机移动速度和方向；程序控制器1可实现定时控制第一步进电机2，第二步进电机11，第三步进电机12滑块移动速度和方向，程序控制器1控制第一步进电机2，第三步进电机12的滑块同步上下运动，控制第二步进电机11的滑块左右运动。所述加热系统包括：加热炉6，第一炉盖4，第二炉盖9；试样托架3；所述第一炉盖4，第二炉盖9通过试样托架3固定在第二步进电机11的滑块上；以实现对加热炉的保温和试样固定；加热炉6则设置在试样托架3所在的垂直面内，通过控温仪控制炉膛内温度，用于提供试验所需高温；加热系统的整套装置下装有滑轮，便于放置。所述冷却装置包括：第一冷却介质盛放容器5，第二冷却介质容器8，托台7，其中，所述第一冷却介质盛放容器5，第二冷却介质容器8放置在铁架托台7上用于盛放热震试验冷却介质；第一冷却介质盛放容器5，第二冷却介质容器8盛放的冷却介质包括水或油，或空置以空气作为冷却介质，针对热循环氧化试验，试样自然冷却。

所述第一炉盖4，第二炉盖9下挂试样；通过横向移动的第二步进电机11交替将第一炉盖4，第二炉盖9盖于加热炉6上，同时交替使用保证炉温的稳定，当一批样件在进行加热保温时，另一批样品在冷却，并对冷却样件进行各种分析，包括称重等，实现试样的交替处理；同时对炉体外的试样进行相应的处理。第一步进电机2，第三步进电机12同步携带第二步进电机11上下运动；第一炉盖4，第二炉盖9通过与第二步进电机11的滑块连接实现左右运动。通过程序控制器1设定程序，第一步进电机2，第三步进电机12以一定的速度运动同步带动第二步进电机11向上运动，同时将悬于第一炉盖4或第二炉盖9上的试样拉出，第二步进电机11将其水平移开，第一步进电机2，第三步进电机12同步向下移动将第一炉盖4或第二炉盖9盖在加热炉6上，确保加热炉内温度稳定，同时悬于第一炉盖4或第二炉盖9上的试样处于炉外，可对其进行水冷、油冷或冷却气体冷、或自然空冷；通过程序控制器1设定程序设计循环次数和频率。加热炉通过控温仪控制炉膛内温度。

本发明所述装置可进行热震性能测试，进行热氧化性能测试；或利用一台加热炉对两个试样自动进行交替测试，达到节能降耗、快速测试的目的。

热震试验过程中，若只在第一炉盖4下悬挂试样，首先将第二炉盖9置于加热炉6上，加热炉6加热至设定温度。控制器1设定程序控制第一步进电机2、第三步进电机12同时以一定速度带动第二步进电机11向上移动，待试样底端高于炉口后，第二步进电机11向左移动，待试样位于炉膛口正上方时，第一步进电机2、第三步进电机12以一定速度带动第二步进电机11向下移动至第一炉盖4刚好盖住炉膛口，待保温时间到达设定值后，控制器1设定程序控制第一步进电机2、第三步进电机12同时以一定速度带动第二步进电机11向上移动，待试样底端高于炉口后，第二步进电机11向右移动至第二炉盖9位于炉膛口正上方，第一步进电机2、第三步进电机12以一定速度带动第二步进电机11向下移动至第二炉盖9刚好盖住炉膛口，同时第一炉盖4上悬挂的试样置于冷却介质中进行冷却，控制器1设定循环程序，试验自动循环进行。若需要对试样循环过程中表面形貌进行观测，可在一旁配置定时摄像头记录(该装置示意图中目前未配置)。该装置也可实现对两组试验同时进行热震试验，即将试样分别悬于第一炉盖4和第二炉盖9上，由此可减少加热炉空载时间，节约能源，加速试验的进程。

热循环氧化试验过程中，类似热震试验，可同时对两组试样进行试验。由于热循环氧化试验高温氧化时间长，因此当一组试样处于加热过程中时，另一组试样则已悬于空气中冷却至室温，待在工作时间即可对其进行称量。称量后放置好试样，在设定时间里，该装置将自动实现试样的交替。该装置的优点在于，一般的热循环氧化实验，若只进行一组实验，在试样冷却过程中，加热炉空载，造成能源浪费；若交替进行两组实验，则需要可能会出现在下班或深夜进行试样的交换，造成工作时间安排紊乱。因此利用该装置可很好解决以上两个问题，达到节能高效的目的。

实施例1热震试验

为评价TC4钛合金微弧氧化陶瓷涂层的热震性能，将TC4表面经过微弧氧化处理的涂层样件1悬挂于第一炉盖4下，第二炉盖9扣于加热炉上，加热炉温度设定在800℃。待温度恒定后，启动设定程序，第一炉盖4、第二炉盖9迅速完成交替，第一炉盖4下的样件处于加热状态，经过同样处理的涂层样件2悬挂于第二炉盖9下。根据程序设定，10分钟后，加热炉盖进行迅速交替，实现样件的交替，交替出来的样件置于装有冷却水的第一冷却介质盛放容器5中进行淬水，样件2则处于加热状态，10分钟后通过控制器自动实现样件的交替。如此反复10次后，暂停程序，取出样件观察记录样件表面状态。分别在每个样件完成第10、30、60、100次热震试验后暂停程序，记录观察样品表面状态。至循环100次后，结束程序自动终止，试验结束。

实施例2热震性能对比试验

为评价高温合金两种不同厚度热障涂层的热震性能，准备了4个样件，样件1和样件2为一组，样件3和样件4为第二组，每一组的两个样件厚度相同，为平行样件。将一组的两个样件悬挂于第一炉盖4下，加热炉温度设定在1000℃。待温度恒定后，启动设定程序，第一炉盖4、第二炉盖9迅速完成交替，第一炉盖4下的样件处于加热状态，同时不同厚度的第二组热障涂层样件3和样件4悬挂于第二炉盖9下。根据程序设定，10分钟后，加热炉盖进行迅速交替，实现样件的交替，交替出来的样件①置于装有冷却水的第一冷却介质盛放容器5中进行淬水，第二组则处于加热状态，10分钟后通过控制器自动实现样件的交替。如此反复，取出样件观察记录样件表面状态，直至涂层剥落，试验结束。

实施例3热循环氧化试验

将称量过的1个TC4钛合金样件和1个在TC4表面经过微弧氧化处理的试样(TMAO)悬挂于第一炉盖4下，第二炉盖9扣于加热炉上，加热炉温度设定750℃。待温度恒定后，启动设定程序，第一炉盖4、第二炉盖9迅速完成交替，第一炉盖4下的样件处于加热状态，将称量过的第2个TC4样件和第2个TMAO样件悬挂于第二炉盖9下。10小时后，设备自动完成试样交替，此时将第一炉盖4下的2个样件取下称量并记录，同时观察样件表面形貌，然后将样件放回，等待下一次加热氧化。待第二炉盖9下的试样加热10小时后，设备自动将第一炉盖4、第二炉盖9交替，对第二炉盖9下的两个样件进行同样处理。依次类推，即可完成对4个样件750℃热循环氧化试验。

Claims (9)

1.一种热震性能及热循环氧化性能测试装置，所有器件设置于支架（10）上，包括控制系统，加热系统，冷却装置，其特征在于，

支架（10）为底面敞开的箱体结构；

所述控制系统包括：程序控制器（1），第一步进电机（2），第二步进电机（11），第三步进电机（12），其中，所述第一步进电机（2），第三步进电机（12）通过定位、固定在支架（10）中箱体的两壁，第二步进电机（11）固定在第一步进电机（2），第三步进电机（12）的滑块上，通过程序控制器（1）控制第一步进电机（2）和第三步进电机（12）滑块上下同时移动从而带动第二步进电机（11）上下移动，通过程序控制器（1）控制第二步进电机（11）的滑块左右移动；程序控制器（1）置于箱体顶部，便于操控；程序控制器（1）通过预设定程序，控制步进电机移动速度和方向；

所述加热系统包括：加热炉（6），第一炉盖（4），第二炉盖（9）；试样托架（3）；所述第一炉盖（4），第二炉盖（9）通过试样托架（3）固定在第二步进电机（11）的滑块上；加热炉（6）则设置在试样托架（3）所在的垂直面内，用于提供试验所需高温；

所述冷却装置包括：第一冷却介质盛放容器（5），第二冷却介质容器（8），托台（7），其中，所述第一冷却介质盛放容器（5），第二冷却介质容器（8）放置在铁架托台（7）上用于盛放热震试验冷却介质。

2.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述第一步进电机（2），第三步进电机（12）竖直安装于支架（10）上，实现两个步进电机上的滑块垂直于地面运动；第二步进电机（11）横向固定在两个竖直步进电机滑块上，以实现步进电机上的滑块平行于地面运动；试样托架（3）上载有两个加热炉盖，以实现对加热炉的保温和试样固定。

3.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述加热系统的整套装置下装有滑轮，便于放置。

4.根据权利要求1或3所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述第一炉盖（4），第二炉盖（9）下挂试样；通过横向移动的第二步进电机（11）交替将第一炉盖（4），第二炉盖（9）盖于加热炉（6）上，同时交替使用保证炉温的稳定，当一批样件在进行加热保温时，另一批样品在冷却，并对冷却样件进行各种分析，包括称重等，实现试样的交替处理；同时对炉体外的试样进行相应的处理。

5.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述程序控制器（1）定时控制第一步进电机（2），第二步进电机（11），第三步进电机（12）滑块移动速度和方向，程序控制器（1）控制第一步进电机（2），第三步进电机（12）的滑块同步上下运动，控制第二步进电机（11）的滑块左右运动。

6.根据权利要求1或2或5所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述第一步进电机（2），第三步进电机（12）同步携带第二步进电机（11）上下运动；第一炉盖（4），第二炉盖（9）通过与第二步进电机（11）的滑块连接实现左右运动。

7.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述第一冷却介质盛放容器（5），第二冷却介质容器（8）盛放的冷却介质包括水或油，或空置以空气作为冷却介质，针对热循环氧化试验，试样自然冷却。

8.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：通过程序控制器（1）设定程序，第一步进电机（2），第三步进电机（12）以一定的速度运动同步带动第二步进电机（11）向上运动，同时将悬于第一炉盖（4）或第二炉盖（9）上的试样拉出，第二步进电机（11）将其水平移开，第一步进电机（2），第三步进电机（12）同步向下移动将第一炉盖（4）或第二炉盖（9）盖在加热炉（6）上，确保加热炉内温度稳定，同时悬于第一炉盖（4）或第二炉盖（9）上的试样处于炉外，可对其进行水冷、油冷或冷却气体冷、或自然空冷；通过程序控制器（1）设定程序设计循环次数和频率。

9.根据权利要求1所述的热震性能及热循环氧化性能测试装置，其特征在于：所述装置可进行热震性能测试，进行热氧化性能测试；或利用一台加热炉对两个试样自动进行交替测试。