CN106092801B - 一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统与方法，该实验系统包括机架、位移模块、加热模块、内部冷却模块、外部降温模块、测量与控制模块。其中所述机架与位移模块承载试件进、出加热及外部降温模块；加热模块提供持久高温环境以进行氧化‑烧结‑相变实验；内部冷却与加热模块协同形成沿试件厚度方向的梯度温度场以模拟真实服役工况；外部降温模块对试件快速冷却以完成热冲击；测量与控制模块采集温度、流速等实验参数，并调控各模块协同工作。本发明提供了一种经济、安全、可靠地实现持久梯度温度场的联合热冲击实验系统与方法，并可通过参数设定实现包括但不限于常规热循环/冲击、梯度温度场氧化/烧结、等温氧化/烧结等实验。

Description

一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统与方法
技术领域：
本发明属于热处理领域，涉及循环梯度温度场下的试件热处理，尤其是涉及一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统与方法。
背景技术：
在航天航空、能源、电力等诸多现代工业领域中，热端部件往往工作在复杂温度场中，尤其是一侧受热、一侧冷却的梯度温度场；服役过程中，又不可避免的会经历包括但不限于起、停机带来的热冲击；长期高温环境引起的氧化-烧结-相变等一系列过程会导致热端部件力、热学性能退化。因此，研究持久梯度温度场中热冲击作用下热端部件的性能与寿命对于其安全服役至关重要。然而，目前现有的两类主流高温实验系统均无法满足持久梯度温度场热冲击实验要求：其一，以氧化炉为代表的高温试验设备可以提供长时间均匀温度场，进一步改造后可实现热冲击，但无法形成梯度温度场，难以模拟热端部件实际服役环境；其二，以燃气热冲击系统为代表的高温试验设备可以模拟梯度温度场下的热冲击，但限于运行成本极高，不适于提供持久梯度温度场。此外，高温实验危险性较大，不宜实验人员过多干预，需要实现系统的自动控制。
综上所述，研究热端部件实际服役环境中的性能及寿命，需要一种能够提供持久梯度温度场的联合热冲击实验系统。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：模拟真实服役工况的持久梯度温度场下热冲击实验及其测量与控制，因此，提供了一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统与方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，包括机架，以及安装在机架上的位移模块、加热模块、内部冷却模块、外部降温模块以及测量与控制模块；其中，
试件固定在位移模块上，并与内部冷却模块连接；加热模块用于对试件进行加热，内部冷却模块用于在加热同时对试件内表面进行冷却从而形成持久梯度温度场以模拟真实服役工况下的氧化-烧结-相变过程，外部降温模块用于对加热后的试件外表面进行迅速冷却从而施加热冲击载荷，测量与控制模块用于采集并记录加热模块的热环境温度及试件内外表面温度，并调控加热模块的高温热载荷谱及通过位移模块协调试件动作位移。
本发明进一步的改进在于，机架包括铝合金桁架结构以及外覆铝合金板。
本发明进一步的改进在于，位移模块包括限定试件定向位移的导轨以及控制试件位移的作动机构。
本发明进一步的改进在于，作动机构为步进电机。
本发明进一步的改进在于，加热模块为管式炉，用于提供持久高温环境及便于试件进出工位。
本发明进一步的改进在于，内部冷却模块为高温合金管，高温合金管内通入压缩空气以在加热同时对试件内表面进行冷却，形成梯度温度场。
本发明进一步的改进在于，外部降温模块通过压缩空气或液体对加热后的试件外表面进行迅速冷却从而形成热冲击。
本发明进一步的改进在于，测量与控制模块嵌于机架内部，通过热电偶采集并记录加热模块的环境温度及试件内外表面温度，并通过PLC调控加热模块的环境温度及通过位移模块协调试件动作位移。
一种持久梯度温度场下联合热冲击实验方法，该实验方法基于上述的实验系统，包括以下步骤：
1)将试件安装在位移模块上，并与内部冷却模块、测量与控制模块连接；
2)试件随位移模块到达工作位置后，同时启动加热模块及内部冷却模块从而形成持久梯度温度场；
3)在持久梯度温度场中氧化-烧结-相变一段时间后，试件随位移模块退出工作位置，在外部降温模块处由压缩气体/液体进行快速冷却从而形成热冲击；
4)测量与控制模块实时采集加热模块的环境温度及试件内外表面温度，控制加热模块及内外部冷却模块的热载荷谱，调节位移模块的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统具有如下优点：
1.形成持久高温梯度温度场——基于包括但不限于管式炉的加热模块提供持久高温环境，采用包括但不限于压缩空气的内部冷却模块产生沿试件厚度方向的梯度温度场；
2.实现氧化-烧结-相变联合热冲击——在上述持久高温梯度温度场中长时保温可进行试件的氧化-烧结-相变实验，试件退出加热模块后在外部冷却模块中由包括但不限于压缩气体/液体快速冷却降温以实现热冲击；
3.高温测量及实验过程自动控制及数据记录——通过包括但不限于热电偶采集并记录加热模块的环境温度及试件内外表面温度，并通过包括但不限于PLC调控加热模块的环境温度，通过包括但不限于步进电机协调试件随位移模块动作位移。
本发明一种持久梯度温度场下联合热冲击实验方法，将管状试件固定在位移模块上并与内部冷却模块、测量与控制模块连接；试件随位移模块到达工作位置后，同时启动加热模块及内部冷却模块从而形成持久梯度温度场；在持久梯度温度场中氧化-烧结-相变一段时间后，试件随位移模块退出工作位置，在外部降温模块处由压缩气体/液体进行快速冷却从而形成热冲击；测量与控制模块实时采集加热模块的环境温度及试件内外表面温度，控制加热模块及内外部冷却模块的热载荷谱，调节位移模块的位置。
进一步的，根据实验需求改变部分相关参数，即可进行包括但不限于常规热循环/冲击、梯度温度场氧化/烧结、等温氧化/烧结等相关实验。
附图说明：
图1～4分别为本发明的轴、主、左及俯示意图，其中加热模块、内部冷却模块、外部降温模块、位移模块、测量与控制模块均集成在机架上。
图中：1、机架，2、位移模块，3、加热模块，4、内部冷却模块，5、外部降温模块，6、测量与控制模块；
2-1、导轨，2-2、作动机构，3-1、加热主体，3-2、炉温测量机构，3-3、管式炉控温面板。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1～4所示，本发明一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，包括机架1、位移模块2、加热模块3、内部冷却模块4、外部降温模块5以及测量与控制模块6；其中，机架1采用包括但不限于铝合金桁架结构外覆铝合金板，为实验系统提供支撑；位移模块2固定在机架1上，包括导轨2-1限定试件定向位移，以及包括但不限于步进电机的作动机构2-2精确控制试件位移；加热模块3采用包括但不限于高温管式炉固定在机架1上，包括加热主体3-1提供持久高温环境，炉温测量机构3-2，和管式炉控温面板3-3；内部冷却模块4采用包括但不限于高温合金管，高温合金管内通过包括但不限于压缩空气以对高温试件内表面进行冷却，与加热模块3协同形成梯度温度场；外部降温模块5固定于机架1上，外部降温模块5内部通过包括但不限于压缩空气或液体在试件退出加热模块3后对试件进行快速冷却，实现热冲击；测量与控制模块6嵌于机架1内部，通过包括但不限于热电偶采集并记录炉温及试件温度，采用包括但不限于PLC控制方法调控炉温及协调试件动作位移。
本发明一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统的实验方法如下：
使用本发明提供的梯度温度场下长期热冲击实验系统时，先启动机架1，为该系统中的其他设备供电；然后将管状试件固定在位移模块2上，并与内部冷却模块4连接；在测量与控制模块6的控制面板上按照包括但不限于持久梯度温度场下氧化-烧结-相变联合热冲击或常规热循环/冲击或梯度温度场氧化/烧结或等温氧化/烧结等实验的需求设定炉温、试件温度采集频率、内部冷却气/液体流速等测量相关参数，设定试件进退速率、炉内外停留时间等控制位移模块2的相关参数，设定升、降温速率、高温保温温度与时长等控制加热模块3的相关参数，设定内部冷却气体流动时长及流速等控制内部冷却模块4的相关参数，设定外部降温气/液体喷射时长与流速等控制外部降温模块5的相关参数；最后启动实验系统，按照预设的运行参数进行实验。例如持久梯度温度场氧化-烧结-相变联合热冲击实验可参考包括但不限于如下参数：炉温、试件温度、内部冷却气/液体流速采集频率15次/分钟，试件步进速率600毫米/分钟，炉内、外分别停留55、5分钟，炉温1200摄氏度保温3000分钟，内部冷却气体始终维持20升/分钟的流速，外部降温气体以50升/分钟速率在试件退出加热模块后对试件喷射5分钟降温；当加热模块3的炉温达到1200摄氏度后，试件通过位移模块2驱动进入加热模块3，在加热模块3的高温场和内部冷却模块4提供的冷却气体的共同作用下沿试件直径方向产生梯度高温温度场，从而进行梯度温度场下的氧化-烧结-相变过程，在该梯度温度场中热处理55分钟后通过位移模块2驱动退出加热模块3，在外部降温模块5中由其中喷射的冷却气体快速降温5分钟，即完成一次升、降温热冲击过程，每5次热冲击完成后试件退出外部降温模块5进行失效检查，测量与控制模块6自动采集并记录炉温、试件温度及内部冷却气体流速等相关参数。将上述设定稍作改变即可实现包括但不限于快速梯度温度场热冲击或常规热循环/冲击或梯度温度场氧化/烧结或等温氧化/烧结等实验。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，包括机架(1)，以及安装在机架(1)上的位移模块(2)、加热模块(3)、内部冷却模块(4)、外部降温模块(5)以及测量与控制模块(6)；其中，
试件固定在位移模块(2)上，并与内部冷却模块(4)连接；加热模块(3)用于对试件进行加热，内部冷却模块(4)用于在加热同时对试件内表面进行冷却从而形成持久梯度温度场以模拟真实服役工况下的氧化-烧结-相变过程，外部降温模块(5)用于对加热后的试件外表面进行迅速冷却从而施加热冲击载荷，测量与控制模块(6)用于采集并记录加热模块(3)的热环境温度及试件内外表面温度，并调控加热模块(3)的高温热载荷谱及通过位移模块(2)协调试件动作位移。
2.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，机架(1)包括铝合金桁架结构以及外覆铝合金板。
3.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，位移模块(2)包括限定试件定向位移的导轨(2-1)以及控制试件位移的作动机构(2-2)。
4.根据权利要求3所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，作动机构(2-2)为步进电机。
5.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，加热模块(3)为管式炉，用于提供持久高温环境及便于试件进出工位。
6.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，内部冷却模块(4)为高温合金管，高温合金管内通入压缩空气以在加热同时对试件内表面进行冷却，形成梯度温度场。
7.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，外部降温模块(5)通过压缩空气或液体对加热后的试件外表面进行迅速冷却从而形成热冲击。
8.根据权利要求1所述的一种持久梯度温度场下联合热冲击实验系统，其特征在于，测量与控制模块(6)嵌于机架(1)内部，通过热电偶采集并记录加热模块(3)的环境温度及试件内外表面温度，并通过PLC调控加热模块(3)的环境温度及通过位移模块(2)协调试件动作位移。
9.一种持久梯度温度场下联合热冲击实验方法，其特征在于，该实验方法基于权利要求1至8中任一项所述的实验系统，包括以下步骤：
1)将试件安装在位移模块(2)上，并与内部冷却模块(4)、测量与控制模块(6)连接；
2)试件随位移模块(2)到达工作位置后，同时启动加热模块(3)及内部冷却模块(4)从而形成持久梯度温度场；
3)在持久梯度温度场中氧化-烧结-相变一段时间后，试件随位移模块(2)退出工作位置，在外部降温模块(5)处由压缩气体/液体进行快速冷却从而形成热冲击；
4)测量与控制模块(6)实时采集加热模块(3)的环境温度及试件内外表面温度，控制加热模块及内外部冷却模块的热载荷谱，调节位移模块(2)的位置。
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