CN106248726B - 抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置 - Google Patents

抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置 Download PDF

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Abstract

抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，属于材料测试领域。两个加热体一端固定在炉体内壁的两个相对应的两个盲孔内，另一端置于炉体的中心腔内并与高温夹具可拆卸连接，炉体的上、下开孔处设置上、下表面观察窗口，炉体侧壁内的两条冷却水通道中部设置在对应的加热体冷却层内部，冷却水出、入口与两条冷却水通道相通，引入及引出电极与两个加热体连接，炉体上、下端设有空气入、出口，空气入口与通风装置连通，发射率测量装置设置在上表面观察窗口的正上方，半透半反镜及测温装置设置在下表面观察窗口的正下方，CCD设置在半透半反镜一侧。本发明解决了目前没有抗氧化涂层在500～2300℃区间的热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置的问题。

Description

抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性 测试装置
技术领域
本发明涉及一种涂层材料热震/热疲劳性能和辐射特性的测试装置，具体涉及一种抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，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。人类在进行航天探索时，航天器需要经受各种复杂空间环境因素的作用。空间环境因素是导致航天器抗氧化涂层性能退化的主要原因之一，甚至对在轨航天器的寿命与安全性造成严重的威胁。空间环境是指受到地球磁场、引力场和电磁辐射等控制的围绕地球的空间范围内的环境，太阳活动是引起空间环境扰动的主要原因，是影响地球空间环境的主要因素。在空间环境下长期服役的航天器在低地球轨道运行期间需要反复进出地球阴影，当进入地球阴影后，航天器将向周围的“冷背景空间”辐射能量而使其表面温度降低；当运行出地球阴影后，航天器将吸收来自太阳辐射的能量而使其表面温度升高。因此，航天器在轨运行期间将遭遇环境温度的交替变化。
通常，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，超高温区，工作范围为-160～2700℃，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。航天发动机抗氧化涂层在500℃以上区间工作时，其热震/热疲劳性能和辐射特性是衡量涂层性能的重要指标。本发明主要针对航天发动机抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试。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热震/热疲劳性能的测试方法。当前，抗氧化涂层热震/热疲劳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热震/热疲劳性能测试中普遍采用的方法，是近年来国内外研究热点和主流方向。但是质量法无法解决抗氧化涂层在500～2300℃区间的热震/热疲劳性能和辐射特性测试问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前没有抗氧化涂层在500～2300℃区间的热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置的问题，进而提供一种抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置。
实现上述目的，本发明的采取的技术方案如下：
抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，包括炉体、冷却水入口、冷却水出口、引入电极、引出电极、高温夹具、空气入口、空气出口、通风装置、上表面观察窗口、发射率测量装置、下表面观察口、半透半反镜、测温装置、CCD、两个加热体及两个加热体冷却层；
所述的炉体水平设置，炉体的内壁上沿水平方向相对设置有两个盲孔，所述的两个加热体与所述的两个盲孔一一对应设置，两个加热体一端固定在两个盲孔内，两个加热体另一端置于炉体的中心腔内，两个加热体所述的另一端与所述的高温夹具可拆卸连接，炉体的侧壁包裹两个加热体的部分为两个加热体冷却层，炉体上方设有与炉体中心腔相通的上开孔，所述的上开孔处设置上表面观察窗口，炉体下方设有与炉体中心腔相通的下开孔，所述的下开孔处设置下表面观察口，炉体的侧壁内设置有两条冷却水通道，所述的两条冷却水通道上端与上开孔相通，两条冷却水通道下端与下开孔相通，每条所述的冷却水通道中部设置在对应的加热体冷却层内部，炉体的侧壁上分别固定有冷却水入口和冷却水出口，所述的冷却水入口与其中一条冷却水通道相通，所述的冷却水出口与另一条冷却水通道相通，所述的引入电极和引出电极均插入炉体内，引入电极与冷却水入口相邻设置并与所对应的加热体连接，所述的引出电极与冷却水出口相邻设置并与所对应的加热体连接，炉体上端设有空气入口，炉体下端设有空气出口，所述的空气入口与通风装置出风口连通，所述的发射率测量装置设置在上表面观察窗口的正上方，所述的半透半反镜及测温装置由上至下设置在下表面观察口的正下方，且半透半反镜与水平面成夹角设置，所述的CCD设置在半透半反镜一侧。
本发明的原理是：
根据传热原理，试样加热时所需的功率P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和高温夹具传导损失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)；
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
其中t3为炉体外壁的温度(℃)，t4为试样应达到的试验温度(℃)，Ri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)，Ri＝ln(di+1/di)/(2πhλ)，di+1为第i层外径(m)，di为第i层内径(m)，h为第i层材料高度(m)，λi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。
高温夹具传导热损失P5(kW)，工程中常用传热速率单位是kcal/h，1kcal＝4187J，1w＝860cal/h。试样由高温夹具吊装进入炉体中，当高温夹具造成热损失时，其热损失计算式为
其中tB为高温夹具内表面温度(℃)，由于高温夹具与试样直接接触，可以取tB为试样温度；tH为高温夹具外表面温度(℃)，n为高温夹具的数量，F为高温夹具与试样的接触面积(m2)，s为高温夹具的壁厚(m)，λ为高温夹具材料的热导率(kW/(m·K))。
根据焦耳-楞茨定律，电阻直接加热，炉体内的试样被高温夹具夹紧，试样本身内部电阻电能转换为热能。因为没有加热元件，加热速度很快，热损失小，热效率高，热量的产生取决于试样的电阻和通过的电流，一般试样的电阻较小，必须供给低电压大电流的电源。其热量计算公式为
Q＝I2Rt(6)
其中，Q为电流通过试样所产生的热量(J)，I为通过试样的电流(A)，R为试样的电阻(Ω)。
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试样抗氧化涂层在500～2300℃区间的热震/热疲劳性能和辐射特性，加热速度快且可控(最大加热速度为200K/min)，并能高精度测量，温度控制精度可达±5℃，能够保持恒温，不确定度小，光谱分辨率高(可达1nm)，测量波段宽(光谱范围可达0.285～28μm)的优点。
热震/热疲劳性能主要指涂层材料承受一定程度的温度急剧变化而结构不致被破坏的性能，又称抗热冲击性或热稳定性。主要通过对试样在设备中温度的急剧变化之后出现破坏及失效后的观察及称重来测量。辐射性能是通过测量试样的发射率来获得。
附图说明
图1是本发明的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置的整体结构主视图。
图中：炉体1、冷却水通道2、冷却水入口3、冷却水出口4、加热体5、引入电极6、引出电极7、高温夹具8、加热体冷却层9、空气入口10、空气出口11、通风装置12、上表面观察窗口13、发射率测量装置14、下表面观察口15、半透半反镜16、测温装置17、CCD18、试样19。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式基于传热原理设计了抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，包括炉体1、冷却水入口3、冷却水出口4、引入电极6、引出电极7、高温夹具8、空气入口10、空气出口11、通风装置12、上表面观察窗口13、发射率测量装置14、下表面观察口15、半透半反镜16、测温装置17、CCD18、两个加热体5及两个加热体冷却层9；
所述的炉体1水平设置，炉体1的内壁上沿水平方向相对设置有两个盲孔，所述的两个加热体5与所述的两个盲孔一一对应设置，两个加热体5一端固定在两个盲孔内，两个加热体5另一端置于炉体1的中心腔内，两个加热体5所述的另一端与所述的高温夹具8可拆卸连接，炉体1的侧壁包裹两个加热体5的部分为两个加热体冷却层9，炉体1上方设有与炉体1中心腔相通的上开孔，所述的上开孔处设置上表面观察窗口13，炉体1下方设有与炉体1中心腔相通的下开孔，所述的下开孔处设置下表面观察口15，炉体1的侧壁内设置有两条冷却水通道2，所述的两条冷却水通道2上端与上开孔相通，两条冷却水通道2下端与下开孔相通，每条所述的冷却水通道2中部设置在对应的加热体冷却层9内部，炉体1的侧壁上分别固定有冷却水入口3和冷却水出口4，所述的冷却水入口3与其中一条冷却水通道2相通，所述的冷却水出口4与另一条冷却水通道2相通，所述的引入电极6和引出电极7均插入炉体1内，引入电极6与冷却水入口3相邻设置并与所对应的加热体9连接(用于给该加热体9供电)，所述的引出电极7与冷却水出口4相邻设置并与所对应的加热体9连接(用于给该加热体9供电)，炉体1上端设有空气入口10，炉体1下端设有空气出口11，所述的空气入口10与通风装置12出风口连通，所述的发射率测量装置14设置在上表面观察窗口13的正上方，所述的半透半反镜16及测温装置17由上至下设置在下表面观察口15的正下方，且半透半反镜16与水平面成夹角α设置，所述的CCD18设置在半透半反镜16一侧。试样18产生的辐射透过下表面观察口15照射到半透半反镜16上，一部分透射被测温装置17接收，其余反射被CCD18接收，通过发射率测量装置14、测温装置17记录测量结果，通过CCD18观察试样。
本实施方式中，所述的半透半反镜16与水平面所成夹角α＝45°。
本实施方式中的通风装置12为现有技术，采用大功率风扇，功率为200W。
本实施方式中的发射率测量装置14为现有技术，可采用王新北,萧鹏,戴景民.基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制[J].红外与毫米波学报,2007,26(2):149-152中公开的发射率测量装置。
本实施方式中的测温装置17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。
CCD18为现有技术，采用AFT-VD系列高速工业CCD相机。
该实施方式具有高精度测量、加热速度快、能够保持恒温、不确定度小、光谱分辨率高、测量波段宽的优点。
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500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，所述的两个加热体5均为管形石墨加热体。能够将航天发动机抗氧化涂层试样加热到500～2300℃。
具体实施方式三：如图1所示，具体实施方式一所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，所述的测温装置17为HIT-3型比色高温计。测温最高可达2500℃，能够完成本发明所覆盖温度区间的准确测量。
具体实施方式四：如图1所示，具体实施方式一所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，所述的发射率测量装置14为FT-IR6000傅里叶光谱仪或SR2000光纤光谱仪。能够实现光谱测量范围0.285～28μm，测量不确定度优于5％，光谱分辨率1nm。
具体实施方式五：如图1所示，具体实施方式四所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，所述的FT-IR6000傅里叶光谱仪或SR2000光纤光谱仪的光谱范围为0.285～28μm，光谱分辨率为1nm。
工作原理：
炉体1放置在水平面上，炉体1与引入电极6及引出电极7连接，冷却水2通过冷却水入口3流入，经过炉体1的冷却水通道2从冷却水出口4流出，对炉体1进行冷却。加热体5通过引入电极6和引出电极7进行通电，对试样19进行加热，试样19用高温夹具8进行固定，根据试验需要，采用炉外称重法对试样19进行称重。冷却水通道2里通入冷却水2，并通过加热体冷却层9对加热体5进行冷却。炉体1上方开孔为上表面观察窗口13，在实验准备阶段时卸下上表面观察窗口13，用以对试样19进行安装和固定；在测量时安装上表面观察窗口13，同时发射率测量装置14透过上表面观察窗口13对试样19进行测试，在炉体1下方也开启下表面观察口15，试样19辐射的光线通过下表面观察口15照射到半透半反镜16上，将光束一分为二，一部分光束透过半透半反镜16照射到测温装置17上进行测量，其余光线则反射到CCD18上进行测量，通过发射率测量装置14、测温装置17记录测量结果，通过CCD18观察试样表面状态。
主题名称中的“/”表示“或”的关系。

Claims (5)

1.一种抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，其特征在于：包括炉体(1)、冷却水入口(3)、冷却水出口(4)、引入电极(6)、引出电极(7)、高温夹具(8)、空气入口(10)、空气出口(11)、通风装置(12)、上表面观察窗口(13)、发射率测量装置(14)、下表面观察口(15)、半透半反镜(16)、测温装置(17)、CCD(18)、两个加热体(5)及两个加热体冷却层(9)；
所述的炉体(1)水平设置，炉体(1)的内壁上沿水平方向相对设置有两个盲孔，所述的两个加热体(5)与所述的两个盲孔一一对应设置，两个加热体(5)一端固定在两个盲孔内，两个加热体(5)另一端置于炉体(1)的中心腔内，两个加热体(5)所述的另一端与所述的高温夹具(8)可拆卸连接，炉体(1)的侧壁包裹两个加热体(5)的部分为两个加热体冷却层(9)，炉体(1)上方设有与炉体(1)中心腔相通的上开孔，所述的上开孔处设置上表面观察窗口(13)，炉体(1)下方设有与炉体(1)中心腔相通的下开孔，所述的下开孔处设置下表面观察口(15)，炉体(1)的侧壁内设置有两条冷却水通道(2)，所述的两条冷却水通道(2)上端与上开孔相通，两条冷却水通道(2)下端与下开孔相通，每条所述的冷却水通道(2)中部设置在对应的加热体冷却层(9)内部，炉体(1)的侧壁上分别固定有冷却水入口(3)和冷却水出口(4)，所述的冷却水入口(3)与其中一条冷却水通道(2)相通，所述的冷却水出口(4)与另一条冷却水通道(2)相通，所述的引入电极(6)和引出电极(7)均插入炉体(1)内，引入电极(6)与冷却水入口(3)相邻设置并与所对应的加热体(5 )连接，所述的引出电极(7)与冷却水出口(4)相邻设置并与所对应的加热体(5 )连接，炉体(1)上端设有空气入口(10)，炉体(1)下端设有空气出口(11)，所述的空气入口(10)与通风装置(12)出风口连通，所述的发射率测量装置(14)设置在上表面观察窗口(13)的正上方，所述的半透半反镜(16)及测温装置(17)由上至下设置在下表面观察口(15)的正下方，且半透半反镜(16)与水平面成夹角(α)设置，所述的CCD(18)设置在半透半反镜(16)一侧。
2.根据权利要求1所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，其特征在于：所述的两个加热体(5)均为管形石墨加热体。
3.根据权利要求1所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，其特征在于：所述的测温装置(17)为HIT-3型比色高温计。
4.根据权利要求1所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，其特征在于：所述的发射率测量装置(14)为FT-IR6000傅里叶光谱仪或SR2000光纤光谱仪。
5.根据权利要求4所述的抗氧化涂层在500～2300℃区间热震/热疲劳性能和辐射特性测试装置，其特征在于：所述的FT-IR6000傅里叶光谱仪或SR2000光纤光谱仪的光谱范围为0.285～28μm，光谱分辨率为1nm。
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