CN106226187A - 抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置 - Google Patents

Abstract

抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，属于材料测试领域。支撑座与炉体内的底部固定连接，耐高温陶瓷套设置在支撑座上，感应线圈缠绕在耐高温陶瓷套的外壁上，感应线圈内部通入冷却水，耐高温陶瓷套的侧壁上设置有与耐高温陶瓷套内腔相通的温度测量孔，炉体的侧壁上设置有绝缘孔和观察孔，导线一端与供电源输出端连接，另一端穿过炉体的绝缘孔与感应线圈连接，测温装置测温端设置在温度测量孔内，测温装置的输出端设置在观察孔内，炉体的顶端设置有试样窗口，吊丝与高温夹头的连接端连接，高温夹头的夹持端穿过炉体的试样窗口插入耐高温陶瓷套的内腔中。本发明具有测量精度高、加热速度可控、加热速度快，控温精度高和能够保持恒温的优点。

Description

抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种涂层材料抗氧化性能的测试装置，尤其是涉及一种抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，属于材料测试领域。

背景技术

抗氧化涂层是指涂覆在基体表面，能够隔绝基体材料与氧化性气氛直接接触的涂层材料，如铌铪合金基体表面涂覆的硅化物涂层、铌钨合金基体表面涂覆的硅化物涂层、铼基体表面涂覆的铱涂层等，精确测试这些抗氧化涂层的抗氧化性能随时间、空间、温度的分布变化，具有十分重要的意义。航天发动机抗氧化涂层的温度工作区间覆盖超低温区，常温区，中高温区及超高温区，工作范围为-160～2700℃，但现有设备最高可测2000℃左右。考虑到地面模拟试验实际情况，同时兼顾可靠性和元件使用寿命的要求，根据测试设备中使用加热元件和测温元件的功能及特点，要研制与航天发动机抗氧化涂层相应温度工作区间匹配的设备。本发明主要针对航天发动机抗氧化涂层的超高温区即1400～2300℃，进行其抗氧化性能测试。此外，本发明也将对航空，航天、预警、红外制导、隐身等军事领域和辐射测温、理疗、机械工业等民用领域的涂层测试技术的发展起到一定的促进作用。

目前国内与国际上尚未有统一的抗氧化涂层材料抗氧化性能的测试方法。当前，抗氧化涂层抗氧化性能测量方法主要有三种：容量法、压力法、质量法。容量法和压力法仅适合在纯氧气氛中进行试验，测量结果可信度低。

质量法相较容量法和压力法的优势在于：(1)可以在多种气氛中进行试验；(2)方法及原理相对简单；(3)试验所需设备易于操作；(4)测量精度高；(5)测量速度快。质量法是抗氧化涂层材料抗氧化性能测试中普遍采用的方法，是近年来国内外研究的热点和主流方向。

但是，无论采用上述哪种方法，均不能解决抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能测试的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置， 为了解决目前没有抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置导致的：抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能不能测量的问题。

本发明基于传热原理，采用感应加热方式设计了抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，它包括：炉体、支架、高温夹头、吊丝、试样窗口、耐高温陶瓷套、供电源、绝缘孔、导线、感应线圈、温度测量孔、观察孔、测温装置、冷却水及支撑座；

所述的支架与炉体外的底部固定连接，所述的支撑座与炉体内的底部固定连接，所述的耐高温陶瓷套竖直设置在炉体内的支撑座上，所述的感应线圈缠绕在耐高温陶瓷套的外壁上，感应线圈内部通入冷却水，所述的耐高温陶瓷套的侧壁上设置有与耐高温陶瓷套内腔相通的温度测量孔，所述的炉体的侧壁上设置有绝缘孔和观察孔，所述的导线一端与供电源输出端连接，导线另一端穿过炉体的绝缘孔与感应线圈连接，所述的测温装置测温端设置在温度测量孔内，测温装置的输出端设置在观察孔内，炉体的顶端设置有试样窗口，所述的吊丝与高温夹头的连接端连接，所述的高温夹头的夹持端穿过炉体顶端的试样窗口插入耐高温陶瓷套的内腔中。

发明原理：

本发明根据传热原理，试样加热时所需的功率由试样加热的有效功率P₁、试样加热时的辐射热损失P₂、试样加热时的传导热损失P₃、试样加热时的对流热损失P₄和高温夹头传导热损失P₅五部分组成。即

P＝P₁+P₂+P₃+P₄+P₅

试样加热的有效功率P₁(kW)

P₁＝CG(t₂-t₁)(1)

其中C为试样的比热容(kW·h/kg)，G为生产率(kg/h)，t₁为试样加热前的温度(℃)，t₂为试样应达到的试验温度(℃)。

试样加热时的辐射热损失P₂(kW)

$P_2=\mathrm{\σ}\mathrm{\ϵ}\[{\left(\frac{T_2}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_1}{100}\right)}^4\]S---\left(2\right)$

其中σ为黑体辐射常数，T₁＝t₁+273，T₁为空气的热力学温度(K)；T₂＝t₂+273,T₂为试样加热后表面的热力学温度(K)；ε为试样的发射率；S为试样的有效散热面积(m²)。

试样加热时的传导热损失P₃(kW)，当试样温度较高时，试样的热量将通过空气、炉体内壁、耐热层、隔热层传递到炉体外壁。此传递过程可视为一维热传导过程，假设通过炉体各层的热流是稳定的，则试样的传导热损失为

$P_3=\frac{t_4-t_3}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{R}_i}=\frac{t_4-t_3}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{\ln (d_{i+1}/d_i)}{2{\mathrm{\πh\λ}}_i}}---\left(3\right)$

其中t₃为炉体外壁的温度(℃)，t₄为试样应达到的试验温度(℃)，R_i为炉体各层材料(炉体包括炉体内壁、耐热层、隔热层及炉体外壁，共计4层，每层材料不同，层与层之间紧密连接)的热阻(℃/kW)，R_i＝ln(d_i+1/d_i)/(2πhλ)，d_i+1为第i层外径(m)，d_i为第i层内径(m)，h为第i层材料高度(m)，λ_i为第i层材料的热导率(kW/(m·K))。

i表示自然数，i的取值为1，2，3，4，式(3)中的m表示炉体侧壁的层数，m取值为4。

试样加热时的对流热损失P₄(kW)，由牛顿冷却公式推算自然对流散热功率为

P₄＝πdHhΔt(4)

其中，d为炉体底面直径，H为炉体的高度，h₄为对流传热系数，Δt为温度梯度。

高温夹头传导热损失P₅(kW)，工程中常用传热速率单位是kcal/h，1kcal＝4187J，1w＝860cal/h。试样由高温夹头吊装进入炉体中，当高温夹头造成热损失时，其热损失计算式为

$P_5=\frac{(t_B-t_H)nF}{860\frac{s}{\mathrm{\λ}}}---\left(5\right)$

其中t_B为高温夹头内表面温度(℃)，由于高温夹头与试样直接接触，可以取t_B为试样温度；t_H为高温夹头外表面温度(℃)，n为高温夹头的数量，F为高温夹头与试样的 接触面积(m²)，s为高温夹头的壁厚(m)，λ为高温夹头材料的热导率(kW/(m·K))。

炉体采用感应线圈加热方式对试样进行加热，是将电能转换为热能的过程。

电效率计算公式为

其中，d₁，d₂分别为感应线圈与试样(为圆柱形)的直径(m),ρ₁，ρ₂分别为感应线圈的电阻率与试样的电阻率(Ω/m)，μ₂为试样的相对导磁率。

热效率计算公式为

其中，P_2有，P_2用，P_2损分别为试样的有功功率，加热的有功功率，以散热造成的功率损失(是指试样散热造成的功率损失)。

电热总效率计算公式为

η＝η_电·η_热

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明具有能够测量抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能，高精度测量、加热速度可控、加热速度快(最大加热速度可达200K/min)，控温精度高(可达±5℃)和能够保持恒温的优点。

附图说明

图1为本发明的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置的整体结构主视图。

其中，1炉体、2支架、3试样、4高温夹头、5吊丝、6试样窗口、7耐高温陶瓷套、8供电源、9绝缘孔、10导线、11感应线圈、12温度测量孔、13观察孔、14测温装置、15冷却水、支撑座16。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，它包括：炉体1、支架2、高温夹头4、吊丝5、试样窗口6、耐高温陶瓷套7、供电源8、绝缘孔9、导线10、感应线圈11、温度测量孔12、观察孔13、测温装置14和冷 却水15及支撑座16；

所述的支架2与炉体1外的底部固定连接，所述的支撑座16与炉体1内的底部固定连接，所述的耐高温陶瓷套7竖直设置在炉体1内的支撑座16上，所述的感应线圈11缠绕在耐高温陶瓷套7的外壁上，感应线圈11内部通入冷却水15，所述的耐高温陶瓷套7的侧壁上设置有与耐高温陶瓷套7内腔相通的温度测量孔12，所述的炉体1的侧壁上设置有绝缘孔9和观察孔13，所述的导线10一端与供电源8输出端连接，导线10另一端穿过炉体1的绝缘孔9与感应线圈11连接，所述的测温装置14测温端设置在温度测量孔12内，测温装置14的输出端设置在观察孔13内(测量结果通过测温装置14输出端显示)，炉体1的顶端设置有试样窗口6，所述的吊丝5与高温夹头4的连接端连接，所述的高温夹头4的夹持端穿过炉体1顶端的试样窗口6插入耐高温陶瓷套7的内腔中(测试时，试样3通过高温夹头4的夹持端夹持固定，炉体1通过感应线圈11对试样3进行加热)。

优选的是：温度测量孔12、观察孔13和测温装置4的中心线都在同一条水平线上。

本实施方式中的测温装置14为现有技术，可采用萧鹏,戴景民,王青伟；多目标多光谱辐射高速高温计的研制[J].光谱学与光谱分析,2008,28(11):2730-2734中公开的测温装置。

具体实施方式二：如图1所示，具体实施方式一所述的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，所述的高温夹头4为新型陶瓷材料耐高温抗氧化夹头。

陶瓷材料为现有材料，为市场采购产品。可采用哈尔滨工业大学陶瓷材料研究所研制的航天用陶瓷材料，主要技术指标：熔点：3200℃；电阻率：100-2000μΩ.cm；密度：4.8-6g.cm；致密化：96％；抗弯强度：330Pa；洛氏硬度：92；烧蚀率或抗氧化：氧-乙炔焰1950℃3.2×10^-5mm/s；热胀系数：25-1500；7.2×10^-6/DEG；导热率：0.07CAL/cm.s.℃；蒸汽压：4.3×10^-3(1800℃)；抗热震：1200℃放水中反复5次不炸裂；耐腐蚀：耐金属铁、铝、铜、铅，硅，镁等熔体及冰晶石，氟化物，酸碱、气体等腐蚀。可以在氧化气氛和2300℃高温长期使用，冲击使用温度最高可达3000℃，能够满足本发明的装置在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置要求。

具体实施方式三：如图1所示，具体实施方式一或二所述的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，所述的测温装置14为HIT-3型比色高温计。效果是：测温范围为1400～2500℃，能够完成航天发动机抗氧化涂层在1400～2300℃区间的准确测量。

工作原理：本发明在进行抗氧化涂层在高温1400～2300℃区间的抗氧化性能测试时， 炉体1通过支架2放置在水平面上，炉体1通过感应线圈11对试样3进行加热，高温夹头4夹持试样3，吊丝5的两端连接称重系统和高温夹头4，采用炉内称重法(热重法)对试样3进行实时称重，试样3通过试样窗口6置于炉体1的耐高温陶瓷套7中，供电源8通过导线10为感应线圈11提供电源，同时感应线圈11中通以冷却水15对感应线圈11进行降温，防止感应线圈11因温度过高而损坏。采用测温装置14并通过温度测量孔12对试样3表面的温度进行测量，通过观察孔13观察记录测试结果。

Claims (3)

1.一种抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，其特征在于：它包括：炉体(1)、支架(2)、高温夹头(4)、吊丝(5)、试样窗口(6)、耐高温陶瓷套(7)、供电源(8)、绝缘孔(9)、导线(10)、感应线圈(11)、温度测量孔(12)、观察孔(13)、测温装置(14)、冷却水(15)及支撑座(16)；

所述的支架(2)与炉体(1)外的底部固定连接，所述的支撑座(16)与炉体(1)内的底部固定连接，所述的耐高温陶瓷套(7)竖直设置在炉体(1)内的支撑座(16)上，所述的感应线圈(11)缠绕在耐高温陶瓷套(7)的外壁上，感应线圈(11)内部通入冷却水(15)，所述的耐高温陶瓷套(7)的侧壁上设置有与耐高温陶瓷套(7)内腔相通的温度测量孔(12)，所述的炉体(1)的侧壁上设置有绝缘孔(9)和观察孔(13)，所述的导线(10)一端与供电源(8)输出端连接，导线(10)另一端穿过炉体(1)的绝缘孔(9)与感应线圈(11)连接，所述的测温装置(14)测温端设置在温度测量孔(12)内，测温装置(14)的输出端设置在观察孔(13)内，炉体(1)的顶端设置有试样窗口(6)，所述的吊丝(5)与高温夹头(4)的连接端连接，所述的高温夹头(4)的夹持端穿过炉体(1)顶端的试样窗口(6)插入耐高温陶瓷套(7)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，其特征在于：所述的高温夹头(4)为陶瓷材料耐高温抗氧化夹头。

3.根据权利要求1或2所述的抗氧化涂层在1400～2300℃区间的抗氧化性能测试装置，其特征在于：所述的测温装置(14)为HIT-3型比色高温计。