CN110018061A - 一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，包括超高温加热炉、隔热气冷夹具、过渡夹具等部件。超高温加热炉用于实现预定测试温度及其精度，隔热气冷夹具兼具陶瓷材料的隔热和腔体内部气流的冷却功能，过渡夹具主要承受机械载荷。本发明的优点是超高温长时力学性测试系统结构简单，通过合理设计隔热气冷夹具腔体的厚度，以及调节其腔体内部冷却气体的压力和流速，使温度始终保持在较低的水平，从而选用普通高温合金即可实现对超高温结构材料在超高温环境下的长时力学性能测试。

Description

一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统

技术领域

本发明提出了一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，用于超高温结构材料轴向疲劳和持久/蠕变等综合力学性能测试，属于高温结构材料力学性能测试技术领域。

背景技术

随着先进航空、航天发动机技术的快速进步和蓬勃发展，对高温结构材料的综合性能提出了越来越高的要求，尤其是对高温结构材料承温能力提升的需求越来越迫切。传统镍基、钴基高温合金的使用温度都在1100℃以内(包括采用冷却技术)，已接近材料熔点的90％。由于受熔点的限制，继续提高其使用温度已变得越来越困难。因此，寻求新体系高温结构材料，特别是超高温结构材料，显得尤为重要。目前，超高温结构材料主要包括由高熔点硼化物、碳化物及氧化物组成的多元复合超高温陶瓷材料体系、难熔金属和抗氧化、抗烧蚀的改性C/C复合材料、SiC基复合材料等。超高温结构材料的研发为未来航空、航天发动机综合性能的提升有着重要的研究价值和科学意义。

若要实现超高温结构材料的工程应用，必须获得超高温结构材料在其典型服役工况下的力学性能和结构强度，这些重要试验数据和设计用曲线的获得，离不开其在超高温环境下的综合力学性能测试。据相关资料调研，国内外超高温结构材料的测试温度普遍要求达到1300℃以上，甚至达到1800℃左右，并要求能够获得可靠地长时(比如疲劳寿命10⁵循环或持久/蠕变寿命1000小时以上等)力学性能数据。但目前能够开展长时力学性能测试设备的温度普遍低于1200℃，其最主要的原因是难以获得能够长期承温高于1200℃的抗氧化高温夹具。可以看出，高可靠性且抗氧化的高温夹具是超高温结构材料力学性能测试技术的瓶颈和短板。如果不攻克高温夹具的设计和制备技术，超高温结构材料长时力学性能测试几近空谈，也无法满足当前及未来航空、航天等领域对超高温结构材料的迫切需要。因此，急需设计和制备出一种既能在超高温环境下稳定夹持的高温夹具，又能保证高温夹具的长寿命，从而兼顾功能性和经济性，为超高温结构材料在航空、航天等领域的工程应用提供技术支持。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提出了一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其目的是提供一种夹持稳定、结构形式简单且配置隔热气冷夹具的超高温力学性测试系统，该系统可与诸如疲劳试验机和持久/蠕变试验机配合，从而实现超高温结构材料在超高温条件下的长时力学性能测试。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，所述超高温长时力学性测试系统包括超高温加热炉1包括炉体2和炉腔3，其特征在于：在炉体2的上、下两端加工有孔并各装配一副隔热气冷夹具4，隔热气冷夹具4为中空结构，隔热气冷夹具4的侧壁与孔之间密封连接，隔热气冷夹具4的上端开有中心螺纹孔5，该螺纹孔5与过渡夹具7侧壁通过螺纹连接，隔热气冷夹具4的下一端开有中心通孔6，待测试样8穿过该通孔6与过渡夹具7的顶端连接；

在隔热气冷夹具4的上端面上、沿环绕螺纹孔5的圆周加工有均匀排列的气孔与隔热气冷夹具4的中空腔体9相通，该气孔的数量为偶数，其中，按顺序排列为偶数字的气孔是排气孔10，按顺序排列为奇数字的气孔是进气孔11。

所述气孔数为8～12个。进气孔11通过管路与空气压缩机连接。

在过渡夹具7的侧壁上设置有环形定位凸台12，该凸台12座落在隔热气冷夹具4的螺纹孔5外缘的上端面上。

采用本发明提出的配置隔热气冷夹具的超高温力学性测试系统能够保证高温夹具在超高温环境下不发生功能失效性的氧化，且使用普通高温合金制备的高温夹具即能实现超高温环境下的长期、稳定可靠夹持，从而满足实际工程对超高温测试技术的需求。

隔热气冷夹具4是由耐高温、防氧化的高品质陶瓷制备的，其整体结构呈圆筒状。隔热气冷夹具4与超高温加热炉1要求紧密配合，主要原因是防止热流逸散，保证炉内温度的可达性和均匀性。超高温加热炉1结构可采用对开式也可采用整体式。过渡夹具7的夹持结构位于隔热气冷夹具4的腔体内部。在过渡夹具7的侧壁上设置有环形定位凸台12，用于确定隔热气冷夹具4与过渡夹具7之间相对位置。过渡夹具7的下端与待测试样8连接，上端与各类力学性能测试设备的加载轴连接，从而实现预定载荷的有效传递。考虑到在超高温条件下，隔热气冷夹具4的材料(陶瓷)的线膨胀系数较小，而待测试样8(难熔金属、复合材料等)材料的线膨胀系数较大。因此，隔热气冷夹具4与待测试样8的配合方式在超高温环境下由间隙配合演变为轻度的过盈配合，从而保证隔热气冷夹具4中空腔体9的密闭性。具体间隙尺寸可根据两者材料线膨胀系数的差异进行计算分析和优化设计。隔热气冷夹具4的进气孔11与排气孔10间隔交替排列，保证隔热气冷夹具4中空腔体9内冷却气体的均匀性和充分性。进气孔11通过管道与空气压缩机连接，保证向隔热气冷夹具4中空腔体9内提供合适压力和流速的冷却气体。排气孔通过管道把被加热的气体排出到大气中。因此，通过进气孔11和排气孔10的协调工作，源源不断地把热量带走，从而保证隔热气冷夹具4中空腔体9内始终保持在一个较低的温度水平，从而使得过渡夹具7选用普通的高温合金即可实现对超高温结构材料的长时力学性能测试。

本发明具有的优点和有益效果是根据本发明的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统可以实现超高温环境下材料的长时力学性能测试能力，同时具有以下优点：

(1)过渡夹具7与隔热气冷夹具4相配合，仅承受热载荷而不承受机械载荷，不容易发生失效或破坏；

(2)隔热气冷夹4具选用高品质陶瓷材料，且结构设计简单，并与腔体内流动冷却气体协同工作，隔热降温效果非常明显；

(3)通过合理改变隔热气冷夹具4中空腔体9的厚度，以及调节其腔体内部冷却气体的压力和流速，使其腔体内温度始终保持在一个较低的水平，从而选用普通高温合金即可实现对超高温结构材料在超高温环境下的长时力学性能测试。

附图说明

图1为本发明配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统整体结构装配示意图

图2为图1中A-A剖面图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明装置作进一步地详述：

参照附图1-图2所示，配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统主要包括超高温加热炉1、隔热气冷夹具4、过渡夹具7。超高温加热炉1包括炉体2和炉腔3两部分。炉体2结构整体呈圆筒状，且上、下两端各装有一副隔热气冷夹具4，炉腔3直径与长度等尺寸的确定原则是确保产生预定的温度和足够长的均温带。隔热气冷夹具4的结构呈圆筒状，隔热气冷夹具4与炉体2之间采用高温密封形式，确保超高温加热炉1的炉腔3内部温度的稳定性。隔热气冷夹具4上端的螺纹孔5与过渡夹具7进行螺纹连接，其下端的通孔6与待测试样8的螺纹段进行间隙配合。

在隔热气冷夹具4的上端面上、沿环绕螺纹孔5的圆周上加工有均匀排列的气孔与隔热气冷夹具4的中空腔体9相通，该气孔的数量为8个，其中，按顺序排列为偶数字的气孔2、4、6、8是排气孔10，按顺序排列为奇数字的气孔1、3、5、7是进气孔11。且进气孔11与排气孔10间隔交替排列，从而保证隔热气冷夹具4的中空腔体9内冷却气体的充分性和均匀性。进气孔11通过管道与空气压缩机连接，保证向隔热气冷夹具4的中空腔体9内部提供合适压力和流速的冷却气体。排气孔10通过管道把被加热的气体排出到大气中。过渡夹具7上的环形定位凸台12用于确定隔热气冷夹具4与过渡夹具7之间相对位置。过渡夹具7下端与待测试样8连接，上端与各类力学性能测试设备的加载轴连接，从而实现预定载荷的有效传递。

在超高温环境下进行长时力学性能测试前，首先，将过渡夹具7与各类力学性能测试设备的加载轴连接。其次，将隔热气冷夹具4与过渡夹具7的螺纹孔5进行连接，沿着过渡夹具7的周向进行旋转，直到隔热气冷夹具4旋至与过渡夹具7上的定位凸台12接触为止，完成隔热气冷夹具4的定位与安装。再次，将待测试样8穿过隔热气冷夹具4的通孔6，并与过渡夹具7螺纹连接。然后，完成对开式或整体式超高温加热炉1与隔热气冷夹具4之间的密封。最后，将进气孔11通过管道与空气压缩机连接，排气孔10通过管道与外部大气环境直通，从而完成超高温力学性测试系统上端零部件的安装。超高温长时力学性测试系统下端零部件的安装与上述步骤相同，不再赘述。

在超高温环境下进行长时力学性能测试前，隔热气冷夹具4的通孔6与待测试样8螺纹段之间采用间隙配合形式。由于隔热气冷夹具4的材料(陶瓷)的线膨胀系数较小，而待测试样8材料的线膨胀系数较大，当超高温加热炉1的炉腔3温度达到预定温度并保温一定时间后，隔热气冷夹具4与待测试样8的配合方式由间隙配合演变为轻度的过盈配合，从而保证隔热气冷夹具4中空腔体9的封闭性。打开空气压缩机，通过管道与进气孔11向隔热气冷夹具4的中空腔体9内通入冷却气体，打开排气孔10排出被加热的气体，从而实现隔热气冷夹具4陶瓷材料的隔热和中空腔体9内部气流的冷却功能，将隔热气冷夹具4的中空腔体9内部温度保持在一个较低的水平，从而选用普通高温合金即可实现对超高温结构材料在超高温环境下的长时力学性能测试。

Claims (9)

1.一种配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，所述超高温长时力学性测试系统包括超高温加热炉(1)包括炉体(2)和炉腔(3)，其特征在于：在炉体(2)的上、下两端加工有孔并各装配一副隔热气冷夹具(4)，隔热气冷夹具(4)为中空结构，隔热气冷夹具(4)的侧壁与孔之间密封连接，隔热气冷夹具(4)的上端开有中心螺纹孔(5)，该螺纹孔(5)与过渡夹具(7)侧壁通过螺纹连接，隔热气冷夹具(4)的下一端开有中心通孔(6)，待测试样(8)穿过该通孔(6)与过渡夹具(7)的顶端连接；

在隔热气冷夹具(4)的上端面上、沿环绕螺纹孔(5)的圆周加工有均匀排列的气孔与隔热气冷夹具(4)的中空腔体(9)相通，该气孔的数量为偶数，其中，按顺序排列为偶数字的气孔是排气孔(10)，按顺序排列为奇数字的气孔是进气孔(11)。

2.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：超高温加热炉(1)的炉体(2)为圆筒形。

3.根据权利要求1或2所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：隔热气冷夹具(4)为圆筒形。

4.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：隔热气冷夹具(4)上的通孔(6)与待测试样(8)之间为间隙配合。

5.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：所述气孔数为8～12个。

6.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：进气孔(11)通过管路与空气压缩机连接。

7.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：在过渡夹具(7)的侧壁上设置有环形定位凸台(12)，该凸台(12)座落在隔热气冷夹具(4)的螺纹孔(5)外缘的上端面上。

8.根据权利要求7所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：所述凸台(12)位于过渡夹具(7)侧壁的螺纹的上端处。

9.根据权利要求1所述的配置隔热气冷夹具的超高温长时力学性测试系统，其特征在于：隔热气冷夹具(4)由耐高温、防氧化的高品质陶瓷制成。