CN108680440A - 采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一套冷加持材料高温力学性能测试加热与测量系统，特别涉及一种用于复合材料高温力学性能测试的新型高温实验炉。高温实验炉采用对开式结构，整个高温实验炉放在一个托盘上，托盘分两瓣，分别支撑左右两个小型方形加热炉，并实现炉体分开闭合操作。实验时，高温实验炉配套的自动温控系统控制深入加热室中的电加热元件，结合测温热电偶的反馈，可达到所需实验温度。本新型高温实验炉左右加热炉采用不对称设计，其中一个方形加热炉在加热室内放入陶瓷隔板，这样的设计可以在加热时起到更好的引导分配热流作用，使试件的试验段尽可能保持温度均匀，提高实验结果精度。实验时试件的加持部分在高温实验炉之外，可实现试件的冷加持。

Description

采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统
技术领域
本发明涉及一套采用冷加持方式进行高温材料力学性能测试的加热与测量系统，特别涉及一种用于复合材料高温力学性能测试的新型高温实验炉。本发明属于高温材料力学性能测试技术领域。
背景技术
为了提高现有航空发动机的性能，各国积极研发具有良好综合力学性能的新材料。在将新材料应用到航空发动机上之前需要对其进行一系列力学性能测试，尤其是和航空发动机真实工况相关的高温力学性能测试。传统高温实验中为试件进行加热的装置一般是箱式炉、管式炉等。这些装置普遍体积较大，通常将整个试验件和部分夹具包围起来，不能实现冷加持；随着材料所需测试温度大幅提高，夹具需使用昂贵易损的陶瓷夹具，对试验操作与安装精度要求很高；巨大腔体升降温缓慢，也影响到实验效率。目前国内一些实验室虽然设计出能克服以上缺点的小型高温实验炉，但由于小腔体内的均温不容易控制，2.很难保证试件的试验段温度均匀一致。为了解决以上问题，为航空发动机等高温装置关键部件的寿命评估工作提供可靠的材料力学性能数据，此发明设计了一种实验室用新型高温加热炉。
发明内容
本发明旨在解决传统高温实验炉不能实现冷加持，巨大腔体升降温缓慢从而影响实验效率以及小型加热炉不能保证试验件的试验段温度均匀一致、保温密封效果不理想等问题。
为解决上述问题以实现良好的加热保温功能，从而高效、准确可靠地完成高温实验，本发明提出了一套新型冷加持材料高温力学性能测试加热与测量系统，包括所发明的新型高温实验炉以及配合其完成实验的托盘、热电偶、引伸计、外部自动温控系统以及试件等。
所述新型高温实验炉包括1号方形加热炉、2号方形加热炉两个部分：
所述1号方形加热炉由第一上炉体外炉壳、第一下炉体壳体、第一连接板、第一电缆接头安装孔、第一散热孔、第一上炉体内炉壳、第一电加热元件、第一加热室和夹持槽构成。
所述2号方形加热炉由第二上炉体外炉壳、第二下炉体壳体、第二连接板、第二电缆接头安装孔、散热孔、第二上炉体内炉壳、第二电加热元件、第二加热室、加强框和陶瓷隔板构成。
第一连接板是通过螺栓与第一上炉体外炉壳相连，通过螺钉与第一下炉体壳体相连。第一连接板设计成直角Z形，主要起过渡连接作用。第一连接板上面开有第一电缆接头安装孔，将第一电加热元件的触点通过电缆与外界自动温控系统相连。第一上炉体外炉壳设计成近立方体形状，其中一面开有内腔。第一上炉体外炉壳的内腔包围着由高温耐火砖组成的第一上炉体内炉壳。第一上炉体内炉壳设计成近立方体形状，形状尺寸要配合第一上炉体外炉壳的内腔尺寸，一面开有内腔，形成第一加热室。第一加热室内部有与外界自动温控系统相连的两个细长方体板状的第一电加热元件，实现对试件的加热，还有两支用于配合外部自动温控系统实现对加热温度准确控制的热电偶和两支用于测量线变形的引伸计顶杆。第一上炉体内、外炉壳左右两侧开有供第一电加热元件、热电偶和引伸计穿过的孔。第一上炉体内、外炉壳上下还开有一对夹持槽，用于容纳试验试件。第一下炉体壳体设计要配合第一连接板和第一上炉体外炉壳的形状、尺寸。第一下炉体壳体内部主要是将第一电加热元件与外部的自动温控系统相连接的电路。第一下炉体壳体两侧开有第一散热孔用于散热。
第二连接板是通过螺栓与第二上炉体外炉壳相连，通过螺钉与第二下炉体壳体相连。第二连接板设计成直角Z形，主要起过渡连接作用。第二连接板上面开有第二电缆接头安装孔，将第二电加热元件的触点通过电缆与外界自动温控系统相连。第二上炉体外炉壳设计成近立方体形状，其中一面开有内腔。第二上炉体外炉壳的内腔包围着由高温耐火砖组成的第二上炉体内炉壳。第二上炉体内炉壳设计成近立方体形状，形状尺寸要配合第二上炉体外炉壳的内腔尺寸，一面开有内腔，形成第二加热室。第二加热室内部有与外界自动温控系统相连的两个细长方体板状的第二电加热元件，实现对试件的加热。第二上炉体内、外炉壳一侧设有供第二电加热元件穿过的孔，而没有供热电偶和引伸计穿过的孔和用于装夹试件的夹持槽，但在第二上炉体外炉壳外部有通过螺钉连接的加强框，起到了更好的密封和阻碍热流的作用。第二加热室内两个第二电加热元件的中间放入一块陶瓷隔板，陶瓷隔板要配合第一上炉体外炉壳内腔的尺寸，用于更好地引导分配热流，最大程度保证试件试验段温度均匀一致。第二下炉体壳体设计要配合第二连接板和第二上炉体外炉壳的形状、尺寸。第二下炉体壳体内部主要是将第二电加热元件与外部的自动温控系统相连接的电路。第二下炉体壳体两侧开有第二散热孔用于散热。
所述托盘主要起支撑和分开闭合左右1号方形加热炉和2号方形加热炉的作用，第一上炉体外炉壳、第二上炉体外炉壳一侧各开有4个螺栓孔用于将1 号、2号方形加热炉以螺纹连接形式固定在托盘上。
本发明优点和功效在于：克服了传统箱式炉、管式炉的体积大、结构复杂、升降温缓慢等缺点，又改善了目前小型高温实验炉腔体内均温性不佳的不足。整个高温炉最大方向尺寸不超过200mm，体积小，重量轻，便于配合各类试验机搭建高温测试平台。高温实验炉采用对开式不对称式设计，2号方形加热炉的加强框和电加热元件之间陶瓷隔板的应用实现了更好的密封和引导分配热流的作用，而且能最大程度地保证试件的试验段温度均匀一致，提高了材料高温力学性能测试结果的准确性。除此之外，此高温实验炉仅将需要高温加热的试件试验段包围起来，试件的夹持端和夹具裸露在外面，实现了实验的冷加持。这样的设计既保护了夹具，又可以提高实验效率。
附图说明
图1是1号方形加热炉的三维效果图。
图2是1号方形加热炉的正视图。
图3是2号方形加热炉的三维效果图。
图4是2号方形加热炉的正视图。
图5是高温实验炉的工作演示图。
图中符号说明：
1：第一上炉体外炉壳；2：第一下炉体壳体；3：第一连接板；
4：第一电缆接头安装孔；5：第一散热孔；6：第一上炉体内炉壳；
7：第一电加热元件；8：第一加热室9：热电偶；10：引伸计11：夹持槽；
12：试件；13：第二上炉体外炉壳；14：第二下炉体壳体；
15：第二连接板；16：第二电缆接头安装孔；17：第二散热孔；
18：第二上炉体内炉壳；19：第二电加热元件；20：第二加热室；
21：加强框；22：陶瓷隔板；23：1号方形加热炉；24：2号方形加热炉；
25：托盘。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
如图1-5所示，整套新型冷加持材料高温力学性能测试加热与测量系统包括所发明的新型高温实验炉(包括1号方形加热炉20和2号方形加热炉21)以及配合其完成实验的托盘22、热电偶9、引伸计10、外部自动温控系统以及试件12等。所述1号方形加热炉20由第一上炉体外炉壳1、第一下炉体壳体2、第一连接板3、第一电缆接头安装孔4、第一散热孔5、第一上炉体内炉壳6、第一电加热元件7、第一加热室8和夹持槽11构成。所述2号方形加热炉21由第二上炉体外炉壳13、第二下炉体壳体14、第二连接板15、第二电缆接头安装孔16、第二散热孔17、第二上炉体内炉壳18、电加热元件19、第二加热室20、加强框21和陶瓷隔板22构成。
使用时，托盘25与试验机立柱固定连接，1号方形加热炉随托盘25固定瓣固定在试验机上，2号方形加热炉随托盘25可动瓣相安装连接，将托盘25可动瓣展开，即可打开加热炉。接下来将准备好的试件12放入夹具，试件12的阶梯过渡部分应恰好在1号方形加热炉23的夹持槽11中，反复检查试件是否装夹好，保证试件的试验段处于第一加热室8的中间位置。试件12位置确定好后，将两支热电偶9和一对引伸计顶杆10通过1号方形加热炉23的第一上炉体外炉壳1、第一上炉体内炉壳6上的孔插入第一加热室8内。两只热电偶9的位置分别处在2号方形加热炉内陶瓷隔板所隔出的上下空间，热电偶9在试件12宽度方向上可以左右移动，需调节至尽可能接近试样侧表面以便准确反映试样加热温度，为自动温控系统的加热温度控制提供精确的反馈。接下来缓慢合上托盘25，将2号方形加热炉24的加强框21完全包围1号方形加热炉23的第一上炉体外炉壳1，完成合炉。通电后通过自动温控系统设定控制温度，两个第一电加热元件7和两个第二电加热元件19开始对试件12进行加热，两只热电偶9实时采集炉内温度，实现对加热温度的准确控制。实验结束后，首先停止加热，待炉内温度降到300℃以下时，通过托盘25缓慢分开1号方形加热炉23和2号方形加热炉24。接下来试样表面温度下降到50℃之内时，小心地取下试件12，更换试样。。
设计的小尺寸高温实验炉由两个独立的不对称方形加热炉构成，每个方形加热炉含有一个内腔，可根据需要布置电加热元件的数目。本实例给出的高温实验炉高度方向上最大尺寸为196mm，长度方向上最大尺寸为86mm，深度方向上最大尺寸为147mm。方形加热炉的上炉体外炉壳、下炉体壳体和连接板可使用普通合金钢，上炉体内炉壳可使用氧化铝陶瓷材质的高温耐火砖。方形加热炉的加热室高50mm*宽50mm*深60mm。可根据设计最高工作温度来选择加热元件。发热体为条形长槽的板状，工作部分外形尺寸为长50mm*宽10mm，每个方形加热炉的两个电加热元件的电路采用串联的方式。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：包括高温实验炉以及配合其完成实验的托盘、热电偶、引伸计、外部自动温控系统以及试件；
所述高温实验炉包括1号方形加热炉和2号方形加热炉两个部分：
所述1号方形加热炉由第一上炉体外炉壳、第一下炉体壳体、第一连接板、第一电缆接头安装孔、第一散热孔、第一上炉体内炉壳、第一电加热元件、第一加热室和夹持槽构成；
所述2号方形加热炉由第二上炉体外炉壳、第二下炉体壳体、第二连接板、第二电缆接头安装孔、散热孔、第二上炉体内炉壳、第二电加热元件、第二加热室、加强框和陶瓷隔板构成；
第一连接板是通过螺栓与第一上炉体外炉壳相连，通过螺钉与第一下炉体壳体相连；第一连接板上面开有第一电缆接头安装孔，将第一电加热元件的触点通过电缆与外界自动温控系统相连；第一上炉体外炉壳设计成近立方体形状，其中一面开有内腔；第一上炉体外炉壳的内腔包围着由高温耐火砖组成的第一上炉体内炉壳；第一上炉体内炉壳设计成近立方体形状，形状尺寸要配合第一上炉体外炉壳的内腔尺寸，一面开有内腔，形成第一加热室；第一加热室内部有与外界自动温控系统相连的两个细长方体板状的第一电加热元件，实现对试件的加热，还有两支用于配合外部自动温控系统实现对加热温度准确控制的热电偶和两支用于测量线变形的引伸计顶杆；
第二连接板是通过螺栓与第二上炉体外炉壳相连，通过螺钉与第二下炉体壳体相连；第二连接板上面开有第二电缆接头安装孔，将第二电加热元件的触点通过电缆与外界自动温控系统相连；第二上炉体外炉壳设计成近立方体形状，其中一面开有内腔；第二上炉体外炉壳的内腔包围着由高温耐火砖组成的第二上炉体内炉壳；第二上炉体内炉壳设计成近立方体形状，形状尺寸要配合第二上炉体外炉壳的内腔尺寸，一面开有内腔，形成第二加热室；第二加热室内部有与外界自动温控系统相连的两个细长方体板状的第二电加热元件，实现对试件的加热；第二上炉体内、外炉壳一侧设有供第二电加热元件穿过的孔，而没有供热电偶和引伸计穿过的孔和用于装夹试件的夹持槽，但在第二上炉体外炉壳外部有通过螺钉连接的加强框，起到了更好的密封和阻碍热流的作用；第二加热室内两个第二电加热元件的中间放入一块陶瓷隔板，陶瓷隔板要配合第一上炉体外炉壳内腔的尺寸，用于更好地引导分配热流，最大程度保证试件试验段温度均匀一致；
所述托盘起支撑和分开闭合左右1号方形加热炉和2号方形加热炉的作用，第一上炉体外炉壳、第二上炉体外炉壳一侧各开有4个螺栓孔用于将1号、2号方形加热炉以螺纹连接形式固定在托盘上。
2.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：第一连接板和第二连接板设计成直角Z形，起过渡连接作用。
3.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：第一上炉体内、外炉壳左右两侧开有供第一电加热元件、热电偶和引伸计穿过的孔。
4.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：第一上炉体内、外炉壳上下还开有一对夹持槽，用于容纳试验试件。
5.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：第一下炉体壳体设计要配合第一连接板和第一上炉体外炉壳的形状、尺寸；第一下炉体壳体内部是将第一电加热元件与外部的自动温控系统相连接的电路；第一下炉体壳体两侧开有第一散热孔用于散热。
6.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：第二下炉体壳体设计要配合第二连接板和第二上炉体外炉壳的形状、尺寸；第二下炉体壳体内部是将第二电加热元件与外部的自动温控系统相连接的电路；第二下炉体壳体两侧开有第二散热孔用于散热。
7.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：高温实验炉由两个独立的不对称方形加热炉构成，每个方形加热炉含有一个内腔，根据需要布置电加热元件的数目。
8.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：高温实验炉高度方向上最大尺寸为196mm，长度方向上最大尺寸为86mm，深度方向上最大尺寸为147mm。
9.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：两个方形加热炉的上炉体外炉壳、下炉体壳体和连接板使用普通合金钢，上炉体内炉壳使用氧化铝陶瓷材质的高温耐火砖。
10.根据权利要求1所述的一种采用冷加持方式的高温材料力学性能测试加热与测量系统，其特征在于：每个方形加热炉的两个电加热元件的电路采用串联的方式。
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