CN107144663A - 一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法和系统，所述方法包括如下步骤：(1)制作试样：(2)添加引燃物：(3)安装试样和防飞溅装置；(4)抽真空，真空度0MPa至‐1MPa；(5)加热：温度达100℃—1000℃；(6)充入气体至要求压力1MPa—80MPa；(7)压力调节：(8)点燃引燃物，引燃试样：(9)通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；(10)抽真空：(11)取出试样。所述系统包括试样夹，所述试样夹的外围设置防飞溅装置，所述试样夹底部设置点燃装置，所述试样夹处于加热装置和气体流通装置的环境中，所述气体流通装置与外部充气装置连接，以及冷却装置。
Description
技术领域
本发明属于金属燃烧技术领域，具体涉及一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与系统。
背景技术
在富氧、高氧分压或其他气氛条件下，绝大多数金属材料会发生一种既不同于氧化，也不同于熔化，而是类似于木材、尼龙等材料的燃烧现象，即金属富氧燃烧。其特征表现为：温度的急剧升高，产生火焰，发出刺眼强光并伴随有热量的剧烈释放。在航天、航空、速射武器以及汽车等领域使用的金属材料均存在燃烧的风险，一旦发生材料的燃烧，就会产生严重的后果。如美国出现多例火箭和航天飞机发动机爆炸事故，经分析发现，发动机低于熔点的温度发生了燃烧现象。在1975年，美国材料测试学会(ASTM)成立了G-4委员会，为材料在富氧环境下的稳定性和敏感性制定标准ASTM G-124。美国和俄罗斯在金属富氧燃烧领域进行了多年研究，对材料在富氧条件下燃烧规律有了系统的了解，为其航天事业的发展起到了重要的推动作用。我国逐步认识到这一关系火箭发动机安全的问题，开始这方面的研究。我国新型高压补燃循环大推力火箭发动机工作环境为大流量、高温、高压、高富氧燃气，在此条件下高温合金主要失效方式是合金燃烧。目前国内还未有测试材料燃烧性能的测试方法和设备。对比国外见诸报道的研究工作及其相关文献专利，现有测试金属材料燃烧行为的方法仍存在一定的局限性：1、采用电阻丝点燃方法作为实验的引燃装置，其温度不可控，影响测试准确性；2、只能实现系统气氛室温下测试金属材料燃烧行为，不能满足实际工况分析评价要求；3、无法模拟在混合气体、高氧分压、其他高氧化性气体等环境下的材料燃烧行为。针对上述技术问题本发明公布一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与装置。
发明内容
本发明提供一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与系统，主要涉及金属材料在一定温度和气体气氛中的燃烧行为及其测试系统，实现了测试气氛温度、点燃温度可控和多种气体氛围中测试，可进行多种服役工况下材料的测试，提高了材料燃烧行为测试的准确性。
本发明测试材料在高温富氧条件下抗燃烧能力的方法，其具体实施步骤包括：
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸范围直径Φ0.1mm—Φ15mm，长度10mm-200mm；
(2)添加引燃物：将引燃物加工成环状套在试样的一端；
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在图1设备试样夹上，然后安装防飞溅装置；所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时飞溅，有利于保护设备、收集产物；
(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开抽真空装置，抽出内部空气，真空度0MPa至-1MPa；
(5)加热：通过图1加热装置将试样加热至温度100℃—1000℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定温度；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入和步骤(5)温度相同的氧气或混合气体至要求压力；所述充气装置可实现在混合气体、高氧分压、其他高氧化性气体等环境下的材料燃烧行为；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力安全装置，通过压力自动调节装置调节系统至要求压力；
(8)点燃：通过点燃装置在300℃—1700℃点燃引燃物，引燃试样，点燃引燃物后关闭点燃装置；
(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；
(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出系统内部气体，真空度0至-1MPa；
(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。
步骤(1)中，所述的测试材料试样加工要求表面粗糙度Ra≤8μm，然后清理干净其表面的油污和氧化物等杂质，对于尺寸较长的试样可加工成螺旋状。
步骤(2)中，引燃物选用金属引燃物，引燃物内环需与试样紧密配合，且引燃物底面应与试样底面在同一平面。
步骤(3)中，防飞溅装置为上下开口圆筒状。由于金属燃烧极为剧烈，防飞溅装置可防止燃烧产物四处飞溅，便于收集，
步骤(5)中，加热温度根据测试材料服役温度确定，保温是为使材料均热，防止芯部和表面温度不一致。所述加热至100℃—1000℃的设定温度。
步骤(6)中，由于燃烧反应剧烈，在极短的时间内完成，气体流通装置促进反应装置内空气流通，保证燃烧前端气体供应；所述要求压力为0.1MPa— 80MPa。
步骤(7)中，压力自动调节装置是为保证反应装置内部压力稳定；燃烧时消耗内部气体后，压力自动调节装置会自动充入与装置内相同气体，以保证反应前、反应进行时、反应后压力稳定，压力安全装置，当压力超过设备安全范围，可自动打开调节压力，以免出现危险。
步骤(8)中，所述点燃装置在300℃—1700℃点燃引燃物，可根据选用引燃物设定点燃温度。
步骤(10)中，金属在燃烧时发出刺眼的强光，判定燃烧结束可根据系统内有无发光点以及测温装置温度下降而定。
实施上述方法的系统包括：试样夹，所述试样夹的外围设置防飞溅装置，所述试样夹底部设置点燃装置，所述试样夹处于加热装置和气体流通装置的环境中，所述气体流通装置与外部充气装置连接，以及冷却装置。所述气体流通装置可促进系统内部气体流动。
所述系统还包括压力安全装置、测温装置、测压装置。所述测温装置记录燃烧时试样不同部位以及系统内温度变化。所述冷却装置与观察孔中拆卸装置搭配可迅速更换试样，大大缩短测试周期。
所述系统还包括观察孔和摄像机以及调节试样夹位置的伸缩杆。所述观察孔和摄像机可记录整个燃烧过程。
本发明温度可控测试金属材料燃烧行为的方法及系统，具有以下优点：
1、便于操作，实验安全性高。
2、适用性高，可通过控制气氛温度(20℃-1700℃)、氧压(0MPa-80MPa) 和引燃物模拟不同工况。
3、可以定量反应同一气氛条件下不同材料或同一材料在不同气氛条件下着火特性和抗燃烧能力，为材料选择和设计提供依据。
附图说明
图1为本发明温度可控测试金属材料燃烧行为的系统结构示意图。
图2为本发明实施例1未燃尽试样的照片。
图3为本发明实施例2完全燃烧的试样照片。
图4为本发明实施例5未燃尽试样的照片。图中：
1.充气装置，2.控压系统，3.测温装置，4.观察孔，5.摄像机，6.压力安全装置，7.抽真空装置，8.冷却系统，9.收集杯，10.测压装置，11.拆卸装置， 12.反应装置，13.加热装置，14.伸缩杆，15.防飞溅装置，16可控温引燃装置， 17.引燃物，18.试样，19.试样夹，20.气体流通装置
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明主要涉及一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与系统，如图1 所示，为燃烧系统结构示意图。
实施例1：高温合金GH4202
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ3.5mm，长度50mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Mg加工成环状尺寸：内环Φ3.5mm，外环Φ6mm，高度3.5mm；套在试样的一端
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-1MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度700℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度700℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧2MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度800℃点燃引燃物后关闭点燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-1MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样如图2所示。
实施例2：高温合金GH3030
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ7mm，长度100mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Al加工成环状尺寸：内环Φ7mm，外环Φ12mm，高度5mm；套在试样的一端；
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-1MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度600℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度600℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧70MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度680℃点燃引燃物后关闭引燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-1MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出燃烧产物(试样完全燃烧)如图3所示。
实施例3：高温合金GH4169
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ5mm，长度150mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Mg加工成环状尺寸：内环Φ5mm，外环Φ8mm，高度3.5mm；套在试样的一端
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-1MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度500℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度500℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧40MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度680℃点燃引燃物后关闭引燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-1MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出燃烧产物(完全燃烧)。
实施例4：不锈钢1Cr18Ni9Ti
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ15mm，长度200mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Mg加工成环状尺寸：内环Φ15mm，外环Φ20mm，高度5mm；套在试样的一端
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-1MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度300℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度300℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧0.5MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度680℃点燃引燃物后关闭引燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-1MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出未完全燃烧试样和燃烧产物。
实施例5：铜合金QCr0.8
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ5mm，长度50mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Fe加工成环状尺寸：内环Φ5mm，外环Φ8mm，高度3.5mm；套在试样的一端
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-0.5MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度100℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度100℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧5MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度1000℃点燃引燃物后关闭引燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-0.5MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样如图4所示。
实施例6：铜合金QAl
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸：直径Φ3.5mm，长度50mm；
(2)添加引燃物：将引燃物Fe加工成环状尺寸：内环Φ3.5mm，外环Φ6mm，高度3.5mm；套在试样的一端
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在设备试样夹具上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：步骤(2)装样后，密封反应装置，抽出内部空气，真空度-0.5MPa；
(5)加热：将整个反应装置加热至实验温度100℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定的实验温度100℃；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入工业纯氧20MPa；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，接通控压系统和压力安全装置，通过压力自动调节装置调节至实验要求压力误差范围内；
(8)点燃：通过可控温点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃温度1000℃点燃引燃物后关闭引燃装置；
(9)观察与纪录：通过高速摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录设备内压力变化；
(10)抽真空：观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出反应装置内部气体，真空度至-0.5MPa；
(11)取样：打开冷却装置，待整个试验装置冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，直径Φ0.1mm—Φ15mm，长度10mm-200mm；
(2)添加引燃物：将引燃物加工成环状套在试样的一端；
(3)安装试样：将无引燃物一端固定在试样夹上，然后安装防飞溅装置；
(4)抽真空：打开抽真空装置，真空度0MPa至-1MPa；
(5)加热：通过加热装置将试样加热，保温，确保试样芯部达到设定的温度；
(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入和步骤(5)温度相同的氧气或混合气体至要求压力；
(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力安全装置，通过压力自动调节装置调节系统至要求压力；
(8)点燃：通过点燃装置点燃引燃物，引燃试样，点燃引燃物后关闭点燃装置；
(9)观察与记录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；
(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过抽真空装置抽出系统内部气体，真空度0至-1MPa；
(11)取出试样：打开冷却装置，待整个侧试系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述测试材料试样表面粗糙度Ra≤8μm。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述引燃物选用金属引燃物，引燃物内环与试样紧密配合，且引燃物底面与试样底面在同一平面。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)中所述防飞溅装置为上下开口圆筒状。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(5)中所述加热至100℃—1000℃的设定温度。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(6)中所述要求压力为0.1MPa—80MPa。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(8)中所述点燃装置在温300℃—1700℃点燃引燃物。
8.一种实施权利要求1所述方法的系统，其特征在于，所述系统包括试样夹，所述试样夹的外围设置防飞溅装置，所述试样夹底部设置点燃装置，所述试样夹处于加热装置和气体流通装置的环境中，所述气体流通装置与外部充气装置连接，以及冷却装置。
9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述系统还包括压力安全装置、测温装置和测压装置。
10.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述系统还包括观察孔和摄像机以及调节试样夹位置的伸缩杆。
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