CN108593534A - 一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统及方法，包括混合气体发生装置、预混预热室、电液伺服疲劳试验机、高温炉、耐高温石英管、尾气处理装置及DIC非接触式应变测量装置；混合气体发生装置包括若干个气体发生器，每个气体发生器均与预混预热室连接；电液伺服疲劳试验机上设置有支架，支架的顶部设置有横梁，横梁能够相对于支架上下调节高度；横梁底部设置有上作动筒，电液伺服疲劳试验机的顶面上设置有下作动筒；高温炉安装于上作动筒和下作动筒之间；耐高温石英管位于高温炉内，用于放置陶瓷基复合材料试验件，分别与预混预热室和尾气处理装置连接。本发明能模拟航空发动机热端部件的多种气体成分环境，且能达到1800℃的高温。

Description

一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，属于无机非金属复合材料高温试验技术领域。

背景技术

不断地增高推重比，降低耗油率已成为航空发动机发展的大势所趋，而增高航空发动机推重比最有效的两种方式是减轻航空发动机结构件重量和增加涡轮前进口温度。目前推重比为12-15的航空发动机正在加速研制中，其涡轮前进口平均温度已达到1800℃，而镍基高温合金材料作为耐热性能最好的金属材料，其工作温度也只能达到1100℃，同时必须在材料表面添加一层隔热涂层，并且材料内部需要设计复杂的冷却结构。因此，必须开发一种新型轻质、能够承受更高温度、具有更高强度、更长寿命的发动机热端部件材料来替代传统的高温合金材料。

陶瓷基复合材料(CMCs)以其具有的轻质、高比强度、耐高温、类似金属的非脆性断裂等性能特点，成为在航空发动机极端环境(超高温、辐照、长时工作)下的重要候选材料。西方已经将CMCs应用到现役发动机上，如美国第四代战机F22的F119发动机和法国阵风战斗机的M88发动机都使用了CMCs尾喷管调节片。

但是，对于陶瓷基复合材料而言，高温水氧环境下的寿命问题始终是限制其使用和发展的一个重要问题。一方面，由于在加载过程中材料基体上会产生许多微裂纹，陶瓷基复合材料通过基体裂纹在纤维表面偏转、纤维对裂纹进行桥连、纤维断裂以及纤维与基体的滑动摩擦来消耗应变能。上述裂纹提供了氧气向易氧化的界面相和纤维扩散的通道，界面相和增强纤维的失效，导致材料的氧化脆化。另一方面是由于材料致密度差，不能有效阻挡氧气扩散，从而导致陶瓷基复合材料的氧化寿命大大缩减。而在水氧环境下，C/SiC材料除了会与O₂反应外，SiC基体还会与H₂O发生反应。

因此，建立一种能够模拟发动机热端部件工作环境的高温水氧试验系统是当前本技术领域重要而难以解决的问题，这不仅有助于研究陶瓷基复合材料的材料性能，还可以推动陶瓷基复合材料在航空航天领域的广泛应用。

西北工业大学成来飞等人的专利“航空发动机热端环境实验模拟方法与装置”(专利号ZL200310118966.7)公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置。它将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合，采用氮化硅结合碳化硅陶瓷作为燃烧室内衬来提高燃烧室的耐高温水平，其燃烧室周围分布气嘴和水嘴，用于提高氧分压和水分压，通过溶解在水中的盐类提高熔盐分压。其不足之处在于：喷嘴和水嘴虽然能提高气体分压，但无法控制气体均匀分布；火焰温度难以控制，并且难以达到超高温度。

中国人民解放军国防科学技术大学简科等人的发明专利申请“碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法”(申请号为201710307258.X)公开了一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法。它向装有测试样品的管式炉通入氩气后升温，再通入水氧耦合混合气来模拟高温水氧环境。其不足之处在于：模拟的高温水氧环境无法与电液伺服疲劳试验机相结合测试陶瓷基复合材料在加载条件下的高温水氧力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，它不仅能模拟航空发动机热端部件的多种气体成分环境，而且能达到1800℃的高温。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，包括混合气体发生装置、预混预热室、电液伺服疲劳试验机、高温炉、耐高温石英管、尾气处理装置及DIC非接触式应变测量装置；其中：

所述混合气体发生装置包括若干个气体发生器，每个气体发生器的出口处均安装有流量开关、温度传感器、压强传感器，每个气体发生器均通过导气管与预混预热室连接；若干个气体发生器为氧气罐、氮气罐、二氧化碳罐及水蒸气发生器；

所述预混预热室中安装有第一气体成分传感器；

所述电液伺服疲劳试验机上设置有支架，支架的顶部设置有横梁，横梁能够相对于支架上下调节高度；横梁底部设置有上作动筒，电液伺服疲劳试验机的顶面上设置有下作动筒，上作动筒和下作动筒相对应；

所述高温炉安装于上作动筒和下作动筒之间；高温炉的一个面上开设有观测视窗；

所述耐高温石英管位于高温炉内，用于放置陶瓷基复合材料试验件，耐高温石英管开设有进气口和排气口，进气口通过导气管与预混预热室连接，排气口通过导气管与尾气处理装置连接；进气口处安装有石英管进气流量开关，排气口处安装有第二气体成分传感器和石英管排气流量开关；

所述DIC非接触式应变测量装置的图像采集部件正对高温炉的观测视窗。

所述第一气体成分传感器与混合气体发生装置的流量开关关联。

所述高温炉为对开式结构，由相同的两半部分组成。

所述耐高温石英管上端通过螺纹连接有带孔的上活塞，所述上作动筒穿过上活塞中的孔，耐高温石英管下端通过螺纹连接有带孔的下活塞，所述下作动筒穿过下活塞中的孔；所述上活塞与耐高温石英管通过紧定旋钮固定在上作动筒上；上作动筒的底部连接有上夹头，下作动筒的顶部连接有下夹头，上夹头和下夹头之间用于安装陶瓷基复合材料试验件。

所述上夹头和下夹头中开设有相对应的梯形槽，梯形槽中用于嵌入陶瓷基复合材料试验件，梯形槽外边缘嵌入有梯形盖片，并通过螺钉连接梯形盖片与梯形槽。

所述上作动筒上安装有高度控制器。

所述尾气处理装置为可燃气体燃烧装置。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述系统的方法，技术方案为：

一种陶瓷基复合材料高温水氧试验方法，包括以下步骤：

步骤101：在室温条件下，拧开下活塞，松开上活塞上的紧定螺钉，沿下作动筒向上滑动耐高温石英管，露出上夹头后将紧定螺钉拧紧，固定耐高温石英管于上作动筒上；

步骤102：用高度控制器调节上夹头和下夹头的间距，直到上夹头和下夹头的距离等于陶瓷基复合材料试件的长度，将陶瓷基复合材料试件放入梯形槽中，盖上梯形盖片，然后拧紧螺钉；

步骤103：松开紧定螺钉，沿下作动筒向下滑动耐高温石英管，使耐高温石英管完全罩住陶瓷基复合材料试件，拧紧下活塞，再拧紧紧定螺钉，使耐高温石英管上端固定于上作动筒上；耐高温石英管下端则为自由端，能够与下活塞一起紧下贴机械臂上下滑动；

步骤104：用石棉堵住下活塞与下作动筒之间的缝隙；

步骤105：在支架上安装高温炉，使其包裹住耐高温石英管，同时注意不能挡住石英管的进气口和排气口；

步骤106：设定预混预热室气体成分的目标值，打开预混预热室的第一气体成分传感器，待各气体成分达到目标值，打开耐高温石英管的石英管进气流量开关和石英管排气流量开关，预混预热室的气体流入耐高温石英管，同时赶出耐高温石英管内原有气体，直到排气口的第二气体成分传感器显示的气体成分与预混预热室的第一气体成分传感器显示的气体成分一致，关闭石英管进气流量开关和石英管排气流量开关；

步骤107：将预混预热室加热到800℃，高温炉加热至1800℃；

步骤108：启动电液伺服疲劳试验机对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷，并用DIC非接触式应变测量装置通过观测视窗观察陶瓷基复合材料试件是否产生裂纹；

步骤109：电液伺服疲劳试验机停止工作后，控制高温炉降温至800℃，再控制预混预热室和高温炉内温度一同降至室温。

有益效果：本发明的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统不仅能模拟航空发动机热端部件的多种气体成分环境，而且能达到1800℃的高温。所模拟的高温水氧环境中气体分布均匀，气体成分的种类和比例可调节，试验系统易于拆卸，便于维护。

附图说明

图1为本发明的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统的结构示意图；

图2a为高温炉的主视图；

图2b为图2a的A-A向剖视图；

图3a为高温炉的侧视图；

图3b为图3a的B-B向剖视图；

图4为DIC非接触式应变测量装置的结构示意图；

图5为气体成分传感器的气体成分显示面板；

图中，1—混合气体发生器，2—预混预热室，3—电液伺服疲劳试验机，4—支架，5—横梁，6—下作动筒，7—高温炉，8—耐高温石英管，9—高度控制器，10—上夹头，11—陶瓷基复合材料试验件，12—紧定旋钮，13—排气口，14—进气口，15—梯形槽，16—观测视窗，17—螺钉，18—上活塞，19—下活塞，20—下夹头，21—石英管进气流量开关，22—流量开关，23—石英管排气流量开关，24—第二气体成分传感器，25—上作动筒，26—温度传感器，27—压强传感器，28—DIC非接触式应变测量装置，29—尾气处理装置，30—第一气体成分传感器，31—梯形盖片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1-4所示，本发明的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，包括混合气体发生装置1、预混预热室2、电液伺服疲劳试验机3、高温炉7、耐高温石英管8、尾气处理装置29及DIC非接触式应变测量装置28；其中：

混合气体发生装置1包括若干个气体发生器，每个气体发生器的出口处均安装有流量开关22、温度传感器26、压强传感器27，每个气体发生器均通过导气管与预混预热室2连接；若干个气体发生器为氧气罐、氮气罐、二氧化碳罐及水蒸气发生器；温度传感器26、压强传感器27用于读取各气体成分的状态，根据预混预热室2的混合气当前状态和期望混合气状态计算出需要的对应成分气的体积。

预混预热室2中安装有第一气体成分传感器30，并与混合气体发生装置1的流量开关22关联。

电液伺服疲劳试验机3上设置有支架4，支架4的顶部设置有横梁5，横梁5能够相对于支架4上下调节高度；横梁5底部设置有上作动筒25，电液伺服疲劳试验机3的顶面上设置有下作动筒6，上作动筒25和下作动筒6相对应。

高温炉7安装于上作动筒25和下作动筒6之间；高温炉7的正面开设有观测视窗16；高温炉7为对开式结构，由相同的两半部分组成，高温炉7上下两端的内径与耐高温石英管8的外径相配合。

耐高温石英管8位于高温炉7内，耐高温石英管8开设有进气口14和排气口13，进气口14通过导气管与预混预热室2连接，排气口13通过导气管与尾气处理装置29连接；进气口14处安装有石英管进气流量开关21，排气口13处安装有第二气体成分传感器24和石英管排气流量开关23；耐高温石英管8上端通过螺纹连接有带孔的上活塞18，上作动筒25穿过上活塞18中的孔，耐高温石英管8下端通过螺纹连接有带孔的下活塞19，下作动筒6穿过下活塞19中的孔；上活塞18与耐高温石英管8通过紧定旋钮12固定在上作动筒25上；上作动筒25的底部连接有上夹头10，下作动筒6的顶部连接有下夹头20，上夹头10和下夹头20中开设有相对应的梯形槽15，梯形槽15中用于嵌入陶瓷基复合材料试验件11，梯形槽15外边缘嵌入有梯形盖片31，并通过螺钉17连接梯形盖片31与梯形槽15。使用时，将陶瓷基复合材料试验件11嵌入梯形槽15内，再将梯形盖片31嵌入梯形槽15内，通过螺钉17连接梯形盖片与梯形槽15，将陶瓷基复合材料试验件11固定压紧。

尾气处理装置29为可燃气体燃烧装置，用于将排气口13排出的可燃气体燃烧耗尽。

DIC非接触式应变测量装置28的图像采集部件正对高温炉7的观测视窗16。

上作动筒25上安装有高度控制器9，高度控制器9用于控制上作动筒25及横梁5相对于支架4的高度，进而调节上夹头10和下夹头20之间的距离。

下面通过具体实施例，对本发明做进一步说明。

实施例：陶瓷基复合材料高温水氧疲劳试验

利用本发明的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，步骤如下：

步骤101：在室温条件下，拧开下活塞19，松开上活塞18上的紧定螺钉12，沿下作动筒6向上滑动耐高温石英管8，露出上夹头10后将紧定螺钉12拧紧，固定耐高温石英管8于上作动筒25上，防止其滑落；

步骤102：用高度控制器9调节上夹头10和下夹头20的间距，直到上夹头10和下夹头20的距离等于陶瓷基复合材料试件11的长度，将陶瓷基复合材料试件11放入梯形槽15中，盖上梯形盖片31，然后拧紧螺钉17；

步骤103：松开紧定螺钉12，沿下作动筒6向下滑动耐高温石英管8，使耐高温石英管8完全罩住陶瓷基复合材料试件11，拧紧下活塞19，再拧紧紧定螺钉12，使耐高温石英管8上端固定于上作动筒25上；耐高温石英管8下端则为自由端，能够与下活塞19一起紧下贴机械臂19上下滑动；

步骤104：用石棉堵住下活塞19与下作动筒6之间的缝隙；

步骤105：在支架4上安装高温炉7，使其包裹住耐高温石英管8，同时注意不能挡住石英管8的进气口14和排气口13；

步骤106：设定预混预热室气体成分的目标值，打开预混预热室2的第一气体成分传感器30，待各气体成分达到目标值，打开耐高温石英管8的石英管进气流量开关21和石英管排气流量开关23，预混预热室2的气体流入耐高温石英管8，同时赶出耐高温石英管8内原有气体，直到排气口13的第二气体成分传感器24显示的气体成分与预混预热室2的第一气体成分传感器30显示的气体成分一致，关闭石英管进气流量开关21和石英管排气流量开关23；

步骤107：将预混预热室2加热到800℃，高温炉7加热至1800℃；

步骤108：启动电液伺服疲劳试验机3对陶瓷基复合材料试件11施加疲劳载荷，并用DIC非接触式应变测量装置28通过观测视窗16观察陶瓷基复合材料试件11是否产生裂纹；

步骤109：电液伺服疲劳试验机3停止工作后，控制高温炉降温至800℃，再控制预混预热室2和高温炉7内温度一同降至室温。

本发明的工作原理：

(1)航空发动机中的气体成分分析：发动机工作时，除去少量的二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NO_x)等污染物，热端部件的气体成分主要包括碳氢氧化物完全燃烧产生二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)，以及空气中剩余的氧气(O₂)和氮气(N₂)。

(2)气体成分控制：以氧气为例，预混预热室的体积为V₀，温度为T₀，其氧气的初始分压力为氧气发生装置中的气体压强为温度为设预混预热室中的氧气要达到的目标分压力为则需要打开氧气发生装置的流量开关，注入体积为的氧气，则根据理想气体气体状态方程PV＝nRT，可以求得：

其他气体成分以相同的原理控制流量开关的打开和闭合，以保证预混预热室中各气体成分的分压达到目标值；特别地，必须控制预混预热室内的温度高于水蒸气发生装置内的温度，防止水蒸气接触到预混预热室的内壁发生冷凝。预混预热室中的气体成分传感器用于监测气体成分，一旦某气体成分的量低于目标值，则打开相应气体发生器，以保证预混预热室中各气体成分处于动态平衡的稳定状态。

(3)尾气成分分析与处理：高温炉升温至1800℃时，耐高温石英管内会发生如下反应：

SiC(s)+2O₂(g)→CO₂(g)+SiO₂(s)

SiO₂(l)+2H₂O(g)→Si(OH)₄(g)

2H₂(g)+O₂(g)→2H₂O(g)

CH₄(g)+O₂(g)→CO₂(g)+2H₂(g)

CH₄(g)+2O₂(g)→CO₂(g)+2H₂O(g)

考虑到会生成少量易燃气体(氢气和甲烷)，出于安全性的考虑，特设专用尾气处理装置可燃气体燃烧耗尽。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：包括混合气体发生装置(1)、预混预热室(2)、电液伺服疲劳试验机(3)、高温炉(7)、耐高温石英管(8)、尾气处理装置(29)及DIC非接触式应变测量装置(28)；其中：

所述混合气体发生装置(1)包括若干个气体发生器，每个气体发生器的出口处均安装有流量开关(22)、温度传感器(26)、压强传感器(27)，每个气体发生器均通过导气管与预混预热室(2)连接；若干个气体发生器为氧气罐、氮气罐、二氧化碳罐及水蒸气发生器；

所述预混预热室(2)中安装有第一气体成分传感器(30)；

所述电液伺服疲劳试验机(3)上设置有支架(4)，支架(4)的顶部设置有横梁(5)，横梁(5)能够相对于支架(4)上下调节高度；横梁(5)底部设置有上作动筒(25)，电液伺服疲劳试验机(3)的顶面上设置有下作动筒(6)，上作动筒(25)和下作动筒(6)相对应；

所述高温炉(7)安装于上作动筒(25)和下作动筒(6)之间；高温炉(7)的一个面上开设有观测视窗(16)；

所述耐高温石英管(8)位于高温炉(7)内，用于放置陶瓷基复合材料试验件(11)，耐高温石英管(8)开设有进气口(14)和排气口(13)，进气口(14)通过导气管与预混预热室(2)连接，排气口(13)通过导气管与尾气处理装置(29)连接；进气口(14)处安装有石英管进气流量开关(21)，排气口(13)处安装有第二气体成分传感器(24)和石英管排气流量开关(23)；

所述DIC非接触式应变测量装置(28)的图像采集部件正对高温炉(7)的观测视窗(16)。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述第一气体成分传感器(30)与混合气体发生装置(1)的流量开关(22)关联。

3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述高温炉(7)为对开式结构，由相同的两半部分组成。

4.根据权利要求1或3所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述耐高温石英管(8)上端通过螺纹连接有带孔的上活塞(18)，所述上作动筒(25)穿过上活塞(18)中的孔，耐高温石英管(8)下端通过螺纹连接有带孔的下活塞(19)，所述下作动筒(6)穿过下活塞(19)中的孔；所述上活塞(18)与耐高温石英管(8)通过紧定旋钮(12)固定在上作动筒(25)上；上作动筒(25)的底部连接有上夹头(10)，下作动筒(6)的顶部连接有下夹头(20)，上夹头(10)和下夹头(20)之间用于安装陶瓷基复合材料试验件(11)。

5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述上夹头(10)和下夹头(20)中开设有相对应的梯形槽(15)，梯形槽(15)中用于嵌入陶瓷基复合材料试验件(11)，梯形槽(15)外边缘嵌入有梯形盖片(31)，并通过螺钉(17)连接梯形盖片(31)与梯形槽(15)。

6.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述上作动筒(25)上安装有高度控制器(9)。

7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，其特征在于：所述尾气处理装置(29)为可燃气体燃烧装置。

8.一种陶瓷基复合材料高温水氧试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤101：在室温条件下，拧开下活塞(19)，松开上活塞(18)上的紧定螺钉(12)，沿下作动筒(6)向上滑动耐高温石英管(8)，露出上夹头(10)后将紧定螺钉(12)拧紧，固定耐高温石英管(8)于上作动筒(25)上；

步骤102：用高度控制器(9)调节上夹头(10)和下夹头(20)的间距，直到上夹头(10)和下夹头(20)的距离等于陶瓷基复合材料试件(11)的长度，将陶瓷基复合材料试件(11)放入梯形槽(15)中，盖上梯形盖片(31)，然后拧紧螺钉(17)；

步骤103：松开紧定螺钉(12)，沿下作动筒(6)向下滑动耐高温石英管(8)，使耐高温石英管(8)完全罩住陶瓷基复合材料试件(11)，拧紧下活塞(19)，再拧紧紧定螺钉(12)，使耐高温石英管(8)上端固定于上作动筒(25)上；耐高温石英管(8)下端则为自由端，能够与下活塞(19)一起紧下贴机械臂(19)上下滑动；

步骤104：用石棉堵住下活塞(19)与下作动筒(6)之间的缝隙；

步骤105：在支架(4)上安装高温炉(7)，使其包裹住耐高温石英管(8)，同时注意不能挡住石英管(8)的进气口(14)和排气口(13)；

步骤106：设定预混预热室气体成分的目标值，打开预混预热室(2)的第一气体成分传感器(30)，待各气体成分达到目标值，打开耐高温石英管(8)的石英管进气流量开关(21)和石英管排气流量开关(23)，预混预热室(2)的气体流入耐高温石英管(8)，同时赶出耐高温石英管(8)内原有气体，直到排气口(13)的第二气体成分传感器(24)显示的气体成分与预混预热室(2)的第一气体成分传感器(30)显示的气体成分一致，关闭石英管进气流量开关(21)和石英管排气流量开关(23)；

步骤107：将预混预热室(2)加热到800℃，高温炉(7)加热至1800℃；

步骤108：启动电液伺服疲劳试验机(3)对陶瓷基复合材料试件(11)施加疲劳载荷，并用DIC非接触式应变测量装置(28)通过观测视窗(16)观察陶瓷基复合材料试件(11)是否产生裂纹；

步骤109：电液伺服疲劳试验机(3)停止工作后，控制高温炉降温至800℃，再控制预混预热室(2)和高温炉(7)内温度一同降至室温。