CN107894441A - 一种激光局部加热抗氧化性能测试设备及测试方法 - Google Patents

一种激光局部加热抗氧化性能测试设备及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料性能检测领域，特别是一种激光局部加热抗氧化性能测试设备及测试方法，包括立式炉体和炉体上端的炉门，炉体内设有保温层，保温层顶部设置有能够横向平移开启的隔热门组件，保温层中部设置有放置样件的托板，炉门上方设置有检测仪器和激光加热装置，炉门和隔热门组件上设置有便于检测仪器检测和激光加热装置进行激光照射的通孔。本发明采用激光局部加热，降低发热元件的要求，加热效率高效果好，发热元件只需加热到较低温度；在加热完成后，将被加热的样件从气体保护环境迅速的移动到氧化环境，使高温样件在氧化气氛下发生氧化作用，而发热体还在气体保护环境中，保护发热元件不受氧化，提高发热元件寿命。

Description

一种激光局部加热抗氧化性能测试设备及测试方法
技术领域
本发明属于材料性能检测领域，特别是一种激光局部加热抗氧化性能测试设备及测试方法。
背景技术
随着工业技术的发展，航天航空业、导弹技术等发展迅速，航天航空业发展需要具有耐高温，抗恶劣环境，抗氧化等特点的材料，陶瓷材料，碳纤维材料、复合材料，以其优异耐高温、抗氧化的特殊性能，得到越来与多的应用，并且这些性能非常适用于航天器、高速导弹，如果要将陶瓷材料、碳纤维材料、复合材料应用，首先要解决材料的检测设备和方法问题。
传统测试的方法是将样件在炉膛内加热、保温一段时间后，冷却，然后，把样件从炉膛内取出，检测样件的变化，通常这种操作称为烧结、加热退火、回火工艺。为了测试样件在超高温条件下的性能，需要在真空或保护气体下进行，这时需要将样件加热到设定的温度，加热元件所处的环境和温度就是样件测试环境。因此，传统工艺进行样件的抗氧化测试时，样件最高的抗氧化测试温度与发热体抗氧化温度保持一致，或者低于发热体抗氧化温度，这就对超高温加热的发热体提出非常高的要求，传统发热体无法达到3000℃的高温。
发明内容
为了检测超高温环境下材料的抗氧化性能，传统发热体无法达到3000℃的高温的问题，本发明提出了一种激光局部加热抗氧化性能测试设备。
本发明为解决上述问题，采用的技术方案为：一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，包括立式炉体和炉体上端的炉门，炉体内设有空心无顶保温层，并通过保温层支架与炉体内壁连接，保温层顶部设置有能够横向平移开启的隔热门组件，保温层内底部设置有发热体，保温层中部设置有放置样件的托板，炉门上方设置有用于检测样件温度变化和形态变化的检测仪器和针对样件进行局部加热的激光加热装置，炉门和隔热门组件上设置有便于检测仪器检测和激光加热装置进行激光照射的通孔，且炉门的通孔上还设置有密封的玻璃观察窗。
进一步地，托板与设置在炉体底部的顶出装置连接，并能够由顶出装置顶出隔热门组件。
进一步地，顶出装置包括设置在托板下方并与其连接的耐高温支撑杆，保温层底面开有供支撑杆通过的通孔，隔热门组件中间开有支撑杆向上顶出时隔热门组件还能够关闭的隔热门避让孔，支撑杆下端伸出炉体底部并连接升降气缸。
进一步地，炉门为左右两个半圆形组成，并能够快速打开和关闭，炉门中心开有支撑杆向上顶出时炉门还能够关闭的炉门避让孔，炉门避让孔上设置有可拆卸的盖帽。
进一步地，隔热门组件包括：两个隔热门、导向轨道、气缸支架和两个隔热门气缸，所述导向轨道与保温层连接，隔热门气缸通过气缸支架安装在炉体外侧，隔热门气缸的活塞伸出杆伸入炉体的与隔热门连接，两个隔热门分别在各自的隔热门气缸的带动下沿导向轨道移动。
进一步地，检测仪器采用热像仪和工业摄像机。
进一步地，炉体下部设置有真空装置和保护气体补充装置。
进一步地，发热体采用U型发热体，发热端在保温层内，接线端在保温层与炉体之间接线。
一种用上述测试设备的激光局部加热抗氧化性能测试方法，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，将炉体内抽真空，然后充入保护气体，或者直接在氧化气氛环境下加热，把炉内温度加热到1500℃-2500℃温度，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到2500℃-3500℃温度，然后停止加热；
3）向炉内充入氧化气体，使样件在氧化气氛中；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
进一步地，所述步骤3）还可以采用迅速打开炉门和隔热门，快速升起被测样件的方法使样件在氧化气氛中，然后迅速关闭隔热门，以防止炉膛内进入过多的氧化气氛。
本发明的技术效果在于：
本发明采用激光局部加热，降低发热元件的要求，发热元件只需加热到较低温度，采用激光加热装置对样件进行局部加热，加热效率高效果好；在加热完成后，将被加热的样件从气体保护环境迅速的移动到氧化环境，使高温样件在氧化气氛下发生氧化作用，而发热体还在气体保护环境中，保护发热元件不受氧化；检测高温样件随着温度不断降低而发生氧化过程，通过热像仪记录温度随时间变化而变化的动态过程，通过工业摄像机记录高温样件随温度不断降低，高温样件的动态变化过程，比较热像仪和工业录像机的记录结果，分析高温样件的变化情况。既能满足超高温抗氧化性能测试的要求，还保护了发热元件，大大提高了发热元件的使用寿命，减少测试成本，具有较好的市场价值。
附图说明
图1为本发明加热状态主视图；
图2为本发明主视图的C-C向局部剖视图；
图3为本发明样件顶出测试状态主视图。
附图标记：1-炉体、2-炉门、3-真空装置、4-保护气体补充装置、5-保温层、6-保温层支架、7-隔热门组件、701-隔热门、702-导向轨道、703-气缸支架、704隔热门气缸、8-发热体、9-样件、10-托板、11-顶出装置、1101-支撑杆、1102-升降气缸、1103-水冷连接杆、12-检测仪器、13-隔热层A、14-隔热层B、15-激光加热装置、16-玻璃观察窗、17-盖帽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。
如图1所示，一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，包括立式炉体1和炉体1上端的炉门2，炉体1优选圆柱形，炉体1下部设置有真空装置3和保护气体补充装置4，炉体1内设有空心无顶保温层5，保温层5优选空心圆柱形，保温层5通过保温层支架6与炉体1内壁连接，保温层5顶部设置有能够横向平移开启的隔热门组件7，保温层5内底部设置有发热体8，保温层1中部设置有放置样件9的托板10，托板10与设置在炉体1底部的顶出装置11连接，并能够由顶出装置11顶出隔热门7组件，炉门2上方设置有用于检测样件9温度变化和形态变化的检测仪器12和针对样件9进行局部加热的激光加热装置15，图中虚线所示为检测仪器12和激光加热装置15光线通路，为了不阻挡光线通路，炉门2和隔热门组件7上设置有便于检测仪器12检测和激光加热装置15进行激光照射的通孔，图中虚线为光线通路，通孔直径大于光线通路；同时为了加强检测和加热效果，可设置多个检测仪器12和激光加热装置15，对应的炉门2和隔热门组件7开有多个通孔；炉门2的通孔上还设置有密封的玻璃观察窗16，玻璃观察窗16的玻璃采用耐高温的高硼硅玻璃，检测仪器12采用热像仪和工业摄像机，或者其它非接触式、接触式检测仪器检测样件。
进一步地，顶出装置11包括设置在托板10下方并与其连接的耐高温支撑杆1101，保温层5底面开有供支撑杆1101通过的通孔，隔热门组件7中间开有如图3所示支撑杆1101向上顶出时隔热门组件7还能够关闭的隔热门避让孔，支撑杆1101下端伸出炉体1底部并水冷连接杆1103与升降气缸1102连接，这样能够通过气缸快速顶出样件9。
进一步地，炉门2为左右两个半圆形组成，并能够快速打开和关闭，炉门2中心开有如图3所示支撑杆1101向上顶出时炉门2还能够关闭的炉门避让孔，炉门避让孔上设置有可拆卸的盖帽17，加热时盖上盖帽17，加热完成后顶出装置11需要进行顶出时打开盖帽17。
如图１和图２所示，隔热门组件7包括：两个隔热门701、导向轨道702、气缸支架703和两个隔热门气缸704，导向轨道702与保温层5连接，隔热门气缸701通过气缸支架703安装在炉体1外侧，隔热门气缸704的活塞伸出杆伸入炉体1的与隔热门701连接，两个隔热门701分别在各自的隔热门气缸704的带动下沿导向轨道702移动，两个隔热门701互相接触的面，一个设置有凸起，另一个设置有相配合的凹陷，加强密封效果；为了进一步加强隔热效果，将导向轨道702设置在环形隔热层A13上，环形隔热层A13内侧壁与保温层5连接，外侧壁与炉体1内壁连接，上表面与隔热门701下表面接触；隔热门701上方设置有环形隔热层B14，其外侧壁与炉体1内壁连接，内侧壁与保温层5内壁对齐，下表面与隔热门701上表面接触，加强隔热效果，通过环形隔热层A13和环形隔热层B 14进一步加强保温效果，减少热量流失。
进一步地，炉体1采用双层空心结构，中间通入冷却水对炉体进行冷却，减少炉体１受热量的影响，同时减少炉内热量外泄导致外部检测元件受到影响。
进一步地，发热体8优选采用采用U型发热体加热效率高，抗氧化性能好，发热体8的发热端在保温层5内，接线端在保温层5与炉体1之间接线。
具体实施例1。
本发明的激光局部加热抗氧化性能测试方法，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，采用电炉丝加热把炉内温度加热到1500℃，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到2500℃，然后停止加热；
3）向炉内充入氧化气体，使样件在氧化气氛中；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
采用激光辅助加热，只需要采用低成本传统电炉丝加热即可，测试成本低。
具体实施例2。
本发明的激光局部加热抗氧化性能测试方法，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，将炉体内抽真空到10-1000Pa，然后充入保护气体，使炉内气压达到0.101-0.15MPa，把炉内温度加热到2000℃，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到2800℃，然后停止加热；
3）向炉内充入氧化气体，使样件在氧化气氛中；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
具体实施例3。
本发明的激光局部加热抗氧化性能的另一种测试方法，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，将炉体内抽真空到10-1000Pa，然后充入保护气体，使炉内气压达到0.101-0.15MPa，把炉内温度加热到2300℃，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到3000℃，然后停止加热；
3）迅速打开炉门和隔热门，快速升起被测样件的方法使样件在氧化气氛中，然后迅速关闭炉门和隔热门，以防止炉膛内进入过多的氧化气氛；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
具体实施例4。
本发明的激光局部加热抗氧化性能的另一种测试方法，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，将炉体内抽真空到10-1000Pa，然后充入保护气体，使炉内气压达到0.101-0.15MPa，把炉内温度加热到2500℃，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到3500℃，然后停止加热；
3）迅速打开炉门和隔热门，快速升起被测样件的方法使样件在氧化气氛中，然后迅速关闭炉门和隔热门，以防止炉膛内进入过多的氧化气氛；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：包括立式炉体（1）和炉体（1）上端的炉门（2），炉体（1）内设有空心无顶保温层（5），并通过保温层支架（6）与炉体（1）内壁连接，保温层（5）顶部设置有能够横向平移开启的隔热门组件（7），保温层（5）内底部设置有发热体（8），保温层（1）中部设置有放置样件（9）的托板（10），炉门（2）上方设置有用于检测样件（9）温度变化和形态变化的检测仪器（12）和针对样件（9）进行局部加热的激光加热装置（15），炉门（2）和隔热门组件（7）上设置有便于检测仪器检测（12）和激光加热装置（15）进行激光照射的通孔，且炉门（2）的通孔上还设置有密封的玻璃观察窗（16）。
2.根据权利要求1所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述托板（10）与设置在炉体（1）底部的顶出装置（11）连接，并能够由顶出装置（11）顶出隔热门组件（7）。
3.根据权利要求2所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述顶出装置（11）包括设置在托板（10）下方并与其连接的耐高温支撑杆（1101），保温层（5）底面开有供支撑杆（1101）通过的通孔，隔热门组件（7）中间开有支撑杆（1101）向上顶出时隔热门组件（7）还能够关闭的隔热门避让孔，支撑杆（1101）下端伸出炉体（1）底部并连接升降气缸（1102）。
4.根据权利要求3所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述炉门（2）为左右两个半圆形组成，并能够快速打开和关闭，炉门（2）中心开有支撑杆（1101）向上顶出时，炉门（2）还能够关闭的炉门避让孔，炉门避让孔上设置有可拆卸的盖帽（17）。
5.根据权利要求1之4所述的任意一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述隔热门组件（7）包括：两个隔热门（701）、导向轨道（702）、气缸支架（703）和两个隔热门气缸（704），所述导向轨道（702）与保温层（5）连接，隔热门气缸（701）通过气缸支架（703）安装在炉体（1）外侧，隔热门气缸（704）的活塞伸出杆伸入炉体（1）的与隔热门（701）连接，两个隔热门（701）分别在各自的隔热门气缸（704）的带动下沿导向轨道（702）移动。
6.根据权利要求1所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述检测仪器（12）采用热像仪和工业摄像机。
7.根据权利要求1所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述炉体（1）下部设置有真空装置（3）和保护气体补充装置（4）。
8.根据权利要求1所述的一种激光局部加热抗氧化性能测试设备，其特征在于：所述发热体（8）采用U型发热体，发热端在保温层（5）内，接线端在保温层（5）与炉体（1）之间接线。
9.根据权利要求1至8所述任意一种激光局部加热抗氧化性能测试设备的抗氧化性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）准备好热像仪和工业摄像机，使其处于工作状态，准备好计算机，开启成像分析软件系统；
2）根据测试要求，直接在氧化气氛环境下加热，或者在真空条件下加热，或者炉体内抽真空，然后充入保护气体在保护气氛下加热，把炉内温度加热到1500℃-2500℃温度，同时激光加热装置对样件照射进行局部加热，将样件加热到2500℃-3500℃温度，然后停止加热；
3）如步骤2）采用真空加热或者保护气氛加热，则向炉内充入氧化气体，使样件在氧化气氛中降温，如步骤2）采用直接加热则跳过此步；
4）使用热像仪观测样件表面温度的动态变化；工业摄像机检测样件随温度变化和时间变化，材料形态变化；并通过软件系统制作成动态模型，供进一步检测分析样件随着时间、温度变化，样件发生的变化。
10.根据权利要求9所述的一种抗氧化性能测试方法，其特征在于：所述步骤3）还可以采用迅速打开炉门和隔热门，快速升起被测样件的方法使样件在氧化气氛中，然后迅速关闭炉门和隔热门，以防止炉膛内进入过多的氧化气氛。
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