CN109357993A - 碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，包括进气系统、炉体加热系统、排气系统和坩埚，进气系统与炉体加热系统连接，炉体加热系统与排气系统连接，试样放在坩埚并移动坩埚至炉体加热系统中心位置，炉体加热系统包括炉体外壳、刚玉管、加热单元和隔热单元，刚玉管有三件且均匀放置在炉体外壳内，加热保温带与进气管的一端连接，进气管的另一端与刚玉管连接，隔热单元使加热单元成为三个独立的加热系统。本发明的有益效果是：实现三个样品在三个不同温度段同时进行水氧腐蚀测试，节约时间和成本，对三件刚玉管物理隔离，消除了加热时水氧腐蚀过程中不同样品在温度、水氧气氛的相互干扰。
Description
技术领域
本发明属于性能测试领域，主要涉及一种碳化硅基复合材料三温度段水氧腐蚀性能测试的装置。
背景技术
随着陶瓷基复合材料的发展，以碳化硅基为代表的高温复合材料高比强度、高比模量等优异的力学性能和良好的抗氧化、低密度等特点，成为航空发动机领域的热端部件制造用材料的首选。在航空发动机燃气环境中，由于碳氢燃料的燃烧使燃气中必然产生一定量水蒸气(约10%)，水蒸气会使碳化硅的氧化速率增加几个数量级，导致复合材料的性能迅速下降，通常称为水氧耦合腐蚀。因此，在性能测试方面，模拟航空发动机环境进行的水氧腐蚀性能是碳化硅基复合材料表征的一项重要指标，但是目前的水氧腐蚀装置只能实现单一温度下水氧腐蚀性能的测试。由于水氧腐蚀试验耗时可能上千小时，单个温度段测量既耗时又耗成本，需要研发可以多温度段同时处理多个样品的装置，这样既省时又省成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的耗时耗成本的缺点，提供一种既省时又省成本的碳化硅基复合材料三温度段水氧腐蚀性能测试的装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，包括进气系统、炉体加热系统、排气系统和坩埚，进气系统与炉体加热系统连接，炉体加热系统与排气系统连接，试样放在坩埚并移动坩埚至炉体加热系统中心位置，其特征在于：所述进气系统包括氧气罐、气体控制装置、水蒸气发生器和加热保温带，氧气罐与气体控制装置连接，气体控制装置与水蒸气发生器连接，水蒸气发生器通过加热保温带与炉体加热系统连接；
所述炉体加热系统包括炉体外壳、刚玉管、加热单元和隔热单元，所述刚玉管、加热单元和和隔热单元置于炉体内，所述刚玉管有三件且均匀放置在炉体外壳内，所述加热保温带与进气管的一端连接，进气管的另一端与刚玉管连接，所述加热单元均匀分布在刚玉管周围，所述隔热单元使加热单元成为三个独立的加热系统；
所述排气系统为收集装置，收集装置与炉体加热系统的排气管连接。
优选的，所述的气体控制装置包括气体压力调节阀和流量计，氧气从氧气罐出来依次通过气体压力调节阀和流量计进入水蒸气发生器。
优选的，所述的水蒸气发生器内有一个温度计，所述温度计底部置于液面下。
优选的，进气管和炉体加热系统之间有密封法兰，排气管与炉体加热系统之间有密封法兰，所述密封法兰可拆卸。
优选的，所述的水蒸气发生器放置在水浴锅内，通过水浴锅对水蒸气发生器加热制造水蒸气，所述水蒸气发生器顶部密封。
优选的，所述的水蒸气发生器里面的水是去离子水。
优选的，所述的加热单元是硅钼棒加热体，所述隔热单元是采用硅化物纤维成型制造的耐高温隔热棉。
一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试方法，包括以下步骤：
S1：将一定量的去离子水加入水蒸气发生器中，利用水浴锅对去离子水加温，将去离子水加热到80-85℃然后开始保温；
S2：打开氧气罐，调节气体压力调节阀至1MPa，流量计控制氧气流量为50 mL/min，炉体加热系统的进气端安装加热保温带且其保温温度为110℃，此时炉体加热系统内气氛体积比为50vol%H2O-50vol%O2，气体流速约为8.5×10-4m/s，可视为静态环境，压力为1atm；
S3：开展900℃、1000℃和1100℃三个温度的腐蚀试验，设置程序开始升温，当三个刚玉管分别达到目标温度后，打开排气管处的密封法兰，将三件同样的试样分别放在三个坩埚内，然后分别慢慢移动装有试样的坩埚至三个刚玉管中心位置，保持10-30分钟，待刚玉管内部全部达到水氧气氛试样温度的目标温度后，安装好密封法兰，水氧腐蚀试验开始计时，收集装置用于收集流过试样的水蒸气；
S4：每隔50h打开排气管处的密封法兰，缓慢将试样移出进行称重并记录，称重结束后将试样慢慢移动至炉内中心位置，保持10-30分钟后，水氧腐蚀试验时间开始计时，总共腐蚀时间为500h。
本发明具有以下优点：1、可以实现三个样品在三个不同温度段同时进行水氧腐蚀测试，节约时间和成本；
2、硅化物纤维成型制造的耐高温隔热棉将三个刚玉管物理隔离，消除了加热时水氧腐蚀过程中不同样品在温度、水氧气氛的相互干扰。
3、水蒸气和氧气压力和体积比可控可调，可以模拟复杂航空发动机环境对材料进行考核。
附图说明
图1 为本发明结构的示意图；
图2 为本发明炉体加热系统的剖视图；
图中，1-氧气罐，2-气体压力调节阀，3-流量计，4-温度计，5-水蒸气发生器，6-水浴锅，7-加热保温带，8-密封法兰，9-炉体加热系统，10-坩埚，11-刚玉管，12-收集装置，13-炉体外壳，14-隔热单元，15-加热单元。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定的发明的有益目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对根据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例，此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可有任何合适形式组合：
如图1~2所示，一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，包括进气系统、炉体加热系统9、排气系统和坩埚10，进气系统与炉体加热系统9连接，炉体加热系统9与排气系统连接，试样放在坩埚10并移动坩埚10至炉体加热系统9中心位置，其特征在于：所述进气系统包括氧气罐1、气体控制装置、水蒸气发生器5和加热保温带7，氧气罐1与气体控制装置连接，气体控制装置与水蒸气发生器5连接，水蒸气发生器5通过加热保温带7与炉体加热系统9连接；
所述炉体加热系统9包括炉体外壳13、刚玉管11、加热单元15和隔热单元14，所述刚玉管11、加热单元15和和隔热单元14置于炉体内，所述刚玉管11有三件且均匀放置在炉体外壳13内，所述加热保温带7与进气管的一端连接，进气管的另一端与刚玉管11连接，所述加热单元15有多件且均匀分布在刚玉管11周围，所述隔热单元14使加热单元15成为三个独立的加热系统；
所述排气系统为收集装置12，收集装置12与炉体加热系统9的排气管连接。
通过上述方式，加热保温带保证进入炉体加热系统的水蒸气的温度很定，防止水蒸气凝结，隔热单元使加热单元成为三个独立的加热系统对刚玉管进行加热，消除了加热时水氧腐蚀过程中不同样品在温度、水氧气氛的相互干扰，使得测试结果更具科学性。
做为可选的实施方式，所述的气体控制装置包括气体压力调节阀2和流量计3，氧气从氧气罐1出来依次通过气体压力调节阀2和流量计3进入水蒸气发生器5。
通过上述方式，可控制进去水蒸气发生器中氧气的流量。
做为可选的实施方式，所述的水蒸气发生器5内有一个温度计4，所述温度计4底部置于液面下。
通过上述方式，可时刻观测水蒸气发生器中水的温度，当水温达到要求的温度时，则停止加热。
做为可选的实施方式，进气管和炉体加热系统9之间有密封法兰8，排气管与炉体加热系统9之间有密封法兰8，所述密封法兰8可拆卸。
通过上述方式，密封法兰可防止在炉体加热系统内的试样进行水氧腐蚀试验时，有其他的气体通过排气管进入炉体加热系统影响整个的测试，其次是可拆卸的密封法兰方便添加试样。
做为可选的实施方式，所述的水蒸气发生器5放置在水浴锅6内，通过水浴锅6对水蒸气发生器5加热制造水蒸气，所述水蒸气发生器5顶部密封。
做为可选的实施方式，所述的水蒸气发生器5里面的水是去离子水。
通过上述方式，以去离子水作为水蒸气的气源，以避免水中杂质(如Na+，Ca2+等)对基体材料氧化的影响。
做为可选的实施方式，所述的加热单元15是硅钼棒加热体，所述隔热单元14是采用硅化物纤维成型制造的耐高温隔热棉。
具体实施例：
S1：将一定量的去离子水加入水蒸气发生器5中，利用水浴锅6对去离子水加温，将去离子水加热到80-85℃然后开始保温；
S2：打开氧气罐1，调节气体压力调节阀2至1MPa，流量计3控制氧气流量为50 mL/min，炉体加热系统9的进气端安装加热保温带7且其保温温度为110℃，氧气和水蒸气经过加热保温袋7和进气管进入炉体加热系统9，此时炉体加热系统9内气氛体积比为50vol%H2O-50vol%O2，气体流速约为8.5×10-4m/s，可视为静态环境，压力为1atm；
S3：开展900℃、1000℃和1100℃三个温度的腐蚀试验，设置程序开始升温，当三个刚玉管11分别皆达到目标温度后，打开排气管处的密封法兰8，将三件同样的试样分别放在三个坩埚10内，然后分别慢慢移动装有试样的坩埚10至三个刚玉管11中心位置，保持10-30分钟，待刚玉管11内部全部达到水氧气氛试样温度的目标温度后，安装好密封法兰8，水氧腐蚀试验开始计时，收集装置12用于收集流过试样的水蒸气；
S4：每隔50h打开排气管处的密封法兰8，缓慢将试样移出进行称重并记录，称重结束后将试样慢慢移动至炉内中心位置，保持10-30分钟后，水氧腐蚀试验时间开始计时，总共腐蚀时间为500h。
对于本领域专业技术人员来说，基于上述所公开的一种碳化硅基复合材料三温度段水氧腐蚀性能测试的装置可实现或使用本发明。但是，需要说明的是，设计多种（比如增加可测试的温段）具有本发明所要求保护范围内多温段水氧腐蚀腐蚀性能测试的装置的不同实施例对本领域的专业技术人员将是显而易见的。因此本发明将不会被限制于本文所公开的一种碳化硅基复合材料三温度段水氧腐蚀性能测试的装置的具体实施例，而是用于所述碳化硅基复合材料三温度段水氧腐蚀性能测试且不偏离所附权利要求书精神和要求保护范围内的多种改变。
Claims (8)
1.一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，包括进气系统、炉体加热系统（9）、排气系统和坩埚（10），进气系统与炉体加热系统（9）连接，炉体加热系统（9）与排气系统连接，试样放在坩埚（10）并移动坩埚（10）至炉体加热系统（9）中心位置，其特征在于：所述进气系统包括氧气罐（1）、气体控制装置、水蒸气发生器（5）和加热保温带（7），氧气罐（1）与气体控制装置连接，气体控制装置与水蒸气发生器（5）连接，水蒸气发生器（5）通过加热保温带（7）与炉体加热系统（9）连接；
所述炉体加热系统（9）包括炉体外壳（13）、刚玉管（11）、加热单元（15）和隔热单元（14），所述刚玉管（11）、加热单元（15）和和隔热单元（14）置于炉体内，所述刚玉管（11）有三件且均匀放置在炉体外壳（13）内，所述加热保温带（7）与进气管的一端连接，进气管的另一端与刚玉管（11）连接，所述加热单元（15）有多件且均匀分布在刚玉管（11）周围，所述隔热单元（14）使加热单元（15）成为三个独立的加热系统；
所述排气系统为收集装置（12），收集装置（12）与炉体加热系统（9）的排气管连接。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：所述的气体控制装置包括气体压力调节阀（2）和流量计（3），氧气从氧气罐（1）出来依次通过气体压力调节阀（2）和流量计（3）进入水蒸气发生器（5）。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：所述的水蒸气发生器（5）内有一个温度计（4），所述温度计（4）底部置于液面下。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：进气管和炉体加热系统（9）之间有密封法兰（8），排气管与炉体加热系统（9）之间有密封法兰（8），所述密封法兰（8）可拆卸。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：所述的水蒸气发生器（5）放置在水浴锅（6）内，通过水浴锅（6）对水蒸气发生器（5）加热制造水蒸气，所述水蒸气发生器（5）顶部密封。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：所述的水蒸气发生器（5）里面的水是去离子水。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试装置，其特征在于：所述的加热单元（15）是硅钼棒加热体，所述隔热单元（14）是采用硅化物纤维成型制造的耐高温隔热棉。
8.一种碳化硅基复合材料三温段水氧耦合腐蚀性能测试方法，包括以下步骤：
S1：将去离子水加入水蒸气发生器（5）中，利用水浴锅（6）对去离子水加温，将去离子水加热到80-85℃然后开始保温；
S2：打开氧气罐（1），调节气体压力调节阀（2）至1MPa，流量计（3）控制氧气流量为50mL/min，炉体加热系统（9）的进气端安装加热保温带（7）且其保温温度为110℃，此时炉体加热系统（9）内气氛体积比为50vol%H2O-50vol%O2，气体流速约为8.5×10-4m/s，可视为静态环境，压力为1atm；
S3：开展900℃、1000℃和1100℃三个温度的腐蚀试验：设置程序开始升温，当三个刚玉管（11）分别达到目标温度后，打开排气管处的密封法兰（8），将三件同样的试样分别放在三个坩埚（10）内，然后分别慢慢移动装有试样的坩埚（10）至三个刚玉管（11）中心位置，保持10-30分钟，待刚玉管（11）内部全部达到水氧气氛试样温度的目标温度后，安装好密封法兰（8），水氧腐蚀试验开始计时，收集装置（12）用于收集流过试样的水蒸气；
S4：每隔50h打开排气管处的密封法兰（8），缓慢将试样移出进行称重并记录，称重结束后将试样慢慢移动至炉内中心位置，保持10-30分钟后，水氧腐蚀试验时间开始计时，总共腐蚀时间为500h。
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2018
- 2018-09-28 CN CN201811141150.9A patent/CN109357993A/zh active Pending
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