CN111307861A - 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统 - Google Patents

一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111307861A
CN111307861A CN202010190905.5A CN202010190905A CN111307861A CN 111307861 A CN111307861 A CN 111307861A CN 202010190905 A CN202010190905 A CN 202010190905A CN 111307861 A CN111307861 A CN 111307861A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode
sample
arc
ablation
base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010190905.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111307861B (zh
Inventor
关慰勉
王宏涛
方攸同
刘嘉斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202010190905.5A priority Critical patent/CN111307861B/zh
Publication of CN111307861A publication Critical patent/CN111307861A/zh
Priority to JP2021043226A priority patent/JP7236715B2/ja
Priority to US17/205,507 priority patent/US20210293732A1/en
Application granted granted Critical
Publication of CN111307861B publication Critical patent/CN111307861B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/06—Investigating by removing material, e.g. spark-testing

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，该测试系统包括阳极，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统，和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间，电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；样品安装件带着阴极样品绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。本发明的优点在于：将阴极样品制备成片状样品，搭建能够产生电弧并在对阴极样品进行电弧烧蚀的同时对阴极样品进行冷却，模拟高温电弧风洞的烧蚀工况；通过设置旋转驱动组件，使样品发生自转，在电弧固定时，实现电弧对阴极样品的移动烧蚀。

Description

一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，特别是一种对材料的电弧烧蚀性能进行试验的方法和测试系统。
背景技术
航空航天技术是国家科技实力的重要标志和国际影响力的有力保障，反映了一个国家的综合国力水平。高超声速飞行器是以超音速飞行的航空航天飞行器，包括高超声速导弹、高超声速飞机和星际飞行器等。高超声速飞行器由于在大气层内高速长时飞行，表面气动热效应引发严重的外形烧蚀。外形烧蚀将导致飞行器产生转捩、翻转甚至解体。因此高超声速飞行器的防热设计必须经过严格防热试验和考核，以检验飞行器防热材料和结构的可靠性、有效性和适用性。目前，针对飞行器的考核方式主要有模型试飞、数值模拟和地面风洞试验三种。由于高超声速数值计算涉及多物理场耦合，计算难度大、精度低，难以作为防热评估依据；模型试飞获得数据有限且失败的风险与成本高，因此地面风洞试验是高超声速飞行器热防护评测的核心方式。目前能够开展高超声速飞行器防热试验研究的高温风洞设备主要有燃烧风洞、电弧风洞、激波风洞、弹道靶等。对于马赫数8以上的防热考核试验，燃烧风洞的流场总温上限难以满足试验需求。激波风洞和电弧风洞可以提供高速高温空气流场，然而激波风洞试验时间只有毫秒级，无法满足高超声速飞行器的高马赫数长时间飞行试验研究的需求。相对而言，电弧风洞可以提供长时间的连续考核试验条件，因而成为高超声速飞行器头椎、翼前缘及发动机等关键部件地面防热考核的必备手段。
高温电弧风洞试验时高电压将电弧加热器内铜电极的空气击穿，形成强烈的等离子体电弧放电，剧烈地加热旋转射入的高压纯净空气，从而获得高压高焓气流，进而通过喷管膨胀加速，形成高温射流，对安装在喷管出口的试件进行烧蚀试验。
电极作为高温电弧风洞的心脏，其使用环境恶劣，需承受高温、高气压、大电流和高电压。弧根处极高的热输入（~20000 MW/m2）造成电极表面局部氧化、熔化。电极在高压气流的冲刷下壁面逐渐削薄，甚至局部烧穿而导致漏气透水失效。因此，电极的耐烧蚀性能基本决定了电弧加热器的试验能力。
目前，为了减少电极烧蚀，主要的措施包括：1、在电弧控制方面，从缩短弧根烧蚀时间和减小弧根电流的角度减少电极烧蚀。2、在电极材料方面，目前主要围绕电弧烧蚀所涉及的热物理化学过程进行基础理论探索，探讨了材料属性、材料微结构、电极表面气氛与温度等因素对电极材料烧蚀程度的影响规律。但是材料理论研究与电弧风洞电极实际服役条件存在重大差别，相关研究所得出的影响规律是否能够直接应用于电弧风洞尚待验证。
技术内容
本发明的目的在于提供一种能够用小尺寸电极材料样本复现电弧风洞电极的电弧烧蚀工况，和测试电极材料的耐烧蚀性能的测试系统。
一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，包括阳极，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统，和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间，电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；阴极样品与样品安装件可拆卸式装配；样品安装件带着阴极样品绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。
作为优选的方案，样品安装件包括基体，基体具有冷却介质腔和进液环，冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品装载于样品安装件时、阴极样品与样品装载区域对中；冷却介质腔在内、进液环在外，进液环与冷却介质腔连通且可转动的密封配合；进液环固定且与进液管相连，冷却介质腔的中心设置出液通道；测试系统具有旋转驱动组件连接，旋转驱动组件包括与基体固定的从动轮和与电机连接主动轮，从动轮与基体对中。
旋转驱动组件驱动阴极样品绕中心自转，基体跟随旋转驱动组件转动，样品跟随基体自转；进液环保持固定，从而与冷却介质的输入管道相连。将出液通道设置于冷却介质腔中心，只需要在出液通道上连接可旋转的液密封接头即可。如此，通过进液环和出液通道实现冷却介质的在冷却介质腔的循环，从而能够持续冷却阴极样品。
优选的，基体呈圆柱形，冷却介质腔的侧壁设有多个通孔，进液环呈圆环，进液环覆盖所有通孔，进液环和基体之间设置密封圈。密封圈将冷却介质限制在进液环和冷却介质腔内，进液环从整个圆环周向向冷却介质腔内进液。
通过进液环的设置，避免冷却介质的输入管道跟随基体旋转，避免管道缠绕的问题。
优选的，基体和从动轮同轴固定，基体在内，从动轮在外。基体和从动轮的固定可以是榫卯固定，也可以是键连接固定等。
优选的，基体为一体式的圆筒，圆筒的顶部敞口、并与阴极样品密封配合，圆筒的底部设置出液通道。这种情况下，出液通道与可旋转的密封接头连接，即可避免输出管道旋转的问题。
或者，基体包括阴极座顶盖和固定底座，阴极座顶盖中部为贯通孔，阴极座顶盖与固定底座可旋转的密封配合，阴极座顶盖和固定底座组合成冷却介质腔。优选的，阴极座顶盖与固定底座可转动配合，阴极座顶盖与固定底座之间设有密封圈。如此，实现阴极座顶盖与固定底座可旋转的密封配合。这种情况下，固定底座跟固定的输出管道连接即可。
优选的，阴极座顶盖具有跟阴极样品连接的第一连接部和与从动轮连接的第二连接部；第一连接部与从动轮有距离。优选的，第一连接部和第二连接部呈两段式，第二连接部位沿第一连接部向外延伸的一圈凸缘，第二连接部作为与从动轮连接的法兰。如此，实现阴极座顶盖与从动轮的稳定连接。
优选的，保护罩的气氛入口沿轴向进气和、或气氛入口沿切向进气。使保护氛围沿轴向进气，可以降低气流进入对电弧的影响。
将阴极材料制成阴极样品装载在样品安装件上，盖上保护罩，将阳极和阴极通电，阳极向阴极产生电弧，电弧对阴极进行烧蚀，同时，冷却系统对阴极进行冷却，控制电弧和冷却系统，即可模拟出电弧风洞电极的电弧烧蚀工况，电弧烧蚀试验完成后，将阴极样品取下，进行烧蚀后的材料测试，以便判断阴极样品的耐烧蚀性能。
作为优选的方案，样品安装件具有样品装载区域，被装载的阴极样品为片状样品，阳极与样品装载区域对中。片状样品比较容易制得，制作工艺也相对简单，用料少。相比高温电弧风洞的阴极，本发明对阴极样品量和尺寸的要求大大降低。
优选的，冷却系统的冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品与冷却介质腔之间设有金属密封圈。金属密封圈能够耐受高温烧蚀而不失效，保持冷却系统的良好密封性。
优选的，绝缘环将阴极样品压紧于样品安装件。
优选的，测试系统设有底座，保护罩将样品安装件封闭在保护罩和底座之间。
优选的，保护罩上设有气氛入口，气氛入口通过管道与高压供气系统相连。气氛入口使保护气氛能够进入电弧烧蚀发生的空间内。需要通入什么气氛，气氛入口的管道就与什么气源相连。如通氮气，则与氮气气源连通。通入空气，就与空气气源连通。
由于电弧温度极高，若持续在某一部位放电，将导致电极迅速熔化、烧蚀、失效。为了避免电弧在任一部位的长时间烧蚀，高温电弧风洞采用磁场旋转技术是电弧运动。因此，在进行耐电弧烧蚀材料筛选时，为了更真实的复现电弧风洞的电弧烧蚀情况本发明的测试系统也提出多种技术方案使电弧与阴极样品具有相对旋转运动。
本发明的优点在于：1、将阴极样品制备成片状样品，搭建能够产生电弧并在对阴极样品进行电弧烧蚀的同时对阴极样品进行冷却，模拟高温电弧风洞的烧蚀工况。相对电弧风洞来说，本发明不仅能模拟电弧风洞工况，并且阴极样品所需的材料量少，结构简化，成本低，方便进行材料筛选。
2、通过设置旋转驱动组件，使样品发生自转，在电弧固定时，实现电弧对阴极样品的移动烧蚀。
附图说明
图1是实施例1的示意图。
图2 是保护罩的示意图。
图3 是磁旋电弧发生装置组成图。
图4 是电弧弧根旋转示意图。
图5是电磁场使电弧做螺旋运动的原理图，其中a）是电弧外设置电磁线圈的示意图，b）是带电粒子在磁场轴运动的运动分量示意图，c）是受向心力Fr作用的带电粒子受离心力具有Z向速度的示意图，d）是具有Z向速度带电粒子做圆弧运动时的受向心力的示意图。
图6是气氛从保护罩切向进气示意图。
图7是阴极样品主动旋转电弧发生装置组成图。
图8是电弧发生装置主体爆炸视图。
图9是电弧发生装置俯视图。
图10是阴极座上顶盖进水道示意图。
图11是电极背部冷却水流动示意图。
图12 是样品表面电弧弧根绕轴旋转轨迹设计图.
图13是纯铜样品烧蚀后失效图。
图14是纯铜烧蚀后三维轮廓图（燃弧720 s）。
图15 是铜铬合金Cu50Cr50电极烧蚀后三维轮廓图（燃弧720 s）。
图16是纯铜烧蚀后的三维轮廓图（燃弧120 s）。
具体实施方式
结合附图，详细说明本发明的测试系统的具体结构方案。
实施例1
本实施例是一种驻点烧蚀的测试系统。
如图1所示，用于筛选耐电弧烧蚀材料的烧蚀性能测试系统，包括阳极6，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统3，和保护罩10；电弧产生于阴极和阳极6之间，电弧位于保护罩10内，电磁线圈9产生的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向；阳极6和阴极分别具有与燃弧供电电源1相连的端口；阴极样品7与样品安装件可拆卸式装配。
将阴极材料制成阴极样品7装载在样品安装件上，盖上保护罩10，将阳极6和阴极通电，阳极6向阴极产生电弧，电弧对阴极进行烧蚀，同时，冷却系统3对阴极进行冷却，控制电弧和冷却系统3，即可模拟出电弧风洞电极的电弧烧蚀工况，电弧烧蚀试验完成后，将阴极样品7取下，进行烧蚀后的材料测试，以便判断阴极样品7的耐烧蚀性能。
样品安装件具有样品装载区域，被装载的阴极样品7为片状样品，阳极6与样品装载区域对中。片状样品比较容易制得，制作工艺也相对简单，用料少。相比高温电弧风洞的阴极，本发明对阴极样品7量和尺寸的要求大大降低。
冷却系统3的冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品7与冷却介质腔之间设有金属密封圈5。金属密封圈5能够耐受高温烧蚀而不失效，保持冷却系统3的良好密封性。绝缘环8将阴极样品7压紧于样品安装件。
实施例2
本实施例是一种能根据需要通入保护气氛的材料耐烧蚀性能测试系统。
本实施例与实施例1的区别之处在于：如图2所示，保护罩10上设有气氛入口12，气氛入口12通过管道与高压供气系统相连。气氛入口12使保护气氛能够进入电弧烧蚀发生的空间内。需要通入什么气氛，气氛入口12的管道就与什么气源4相连。如通氮气，则与氮气气源4连通。通入空气，就与空气气源4连通。
测试系统设有底座11，保护罩10将样品安装件封闭在保护罩10和底座11之间。当然，也可以不密封。
其余结构都与实施例1相同。
实施例3
本实施例相比实施例1或2，在样品自转的基础上，增加电弧相对阴极旋转。
本实施例与实施例1或2的区别在于：如图4所示，本实施例增加：阴极样品7固定，电弧绕阴极样品7的中心旋转。
如图3所示，测试系统具有电磁线圈9，电磁线圈9的磁场方向与阳极6指向阴极的方向平行，电磁线圈9具有与线圈电源2连接的端口；样品装载区域外设有绝缘环8，绝缘环8与样品装载区域对中。电磁线圈9设置于保护罩10之外。绝缘环8在外，阴极样品7在内，绝缘环8将电弧限制在其内。
如图4所示，样品安装件包括基座，基座设有冷却介质腔，冷却介质腔分别与进液管和出液管连通，进液管和出液管与循环冷却系统3相连；阴极样品7装载于样品安装件时、阴极样品7封闭冷却介质腔。阴极样品7封闭冷却介质腔指的是除了进液管和出液管以外，冷却介质腔没有其他开口。
冷却介质与阴极样品7接触，对阴极样品7起到冷却散热作用，避免阴极样品7一接触到电弧就被击穿，模拟阴极材料长时间被烧蚀的工况。
冷却介质腔是设置于基座的顶部敞口的下凹腔体，样品装载于样品安装件时，阴极样品7将冷却介质腔的顶部敞口密封。
如图3所示，进液管和出液管设置于基座的侧面。进液管低于出液管。循环冷却系统3包括储液池和泵，储液池分别通过管道与进液管、出液管连接，泵设置于管道上。阴极样品7呈圆形，冷却介质腔呈圆形腔。保护罩10的横截面呈圆形，气氛入口12沿切向进气。如图2所示，气氛入口12至少一组，气氛入口12有多组时，多组气氛入口12沿轮廓周向均匀布置。气氛沿切向进入电弧发生的区域内，有利于为电弧提供旋转助力。
其余结构都与实施例1或2相同。
实施例4
本实施例是样品自转的材料耐烧蚀性能测试系统。
本实施例与实施例1或2的区别之处在于：如图7所示，样品安装件带着阴极样品7绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。
如图7和图8所示，样品安装件包括基体，基体具有冷却介质腔和进液环，冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品7装载于样品安装件时、阴极样品7与样品装载区域对中；冷却介质腔在内、进液环在外，进液环与冷却介质腔连通且可转动的密封配合；进液环固定且与进液管相连，冷却介质腔的中心设置出液通道；测试系统具有旋转驱动组件连接，旋转驱动组件包括与基体固定的从动轮13和与电机14连接主动轮15，从动轮13与基体对中。
如图7所示，旋转驱动组件驱动阴极样品7绕中心自转，基体跟随旋转驱动组件转动，样品跟随基体自转；进液环保持固定，从而与冷却介质的输入管道相连。将出液通道设置于冷却介质腔中心，只需要在出液通道上连接可旋转的液密封接头即可。如此，通过进液环和出液通道实现冷却介质的在冷却介质腔的循环，从而能够持续冷却阴极样品7。
如图10和11所示，基体呈圆柱形，冷却介质腔的侧壁设有多个通孔，进液环呈圆环，进液环覆盖所有通孔，进液环和基体之间设置密封圈5。密封圈5将冷却介质限制在进液环和冷却介质腔内，进液环从整个圆环周向向冷却介质腔内进液。
通过进液环的设置，避免冷却介质的输入管道跟随基体旋转，避免管道缠绕的问题。
基体和从动轮13同轴固定，基体在内，从动轮13在外。基体和从动轮13的固定可以是榫卯固定，也可以是键连接固定等。
基体为一体式的圆筒，圆筒的顶部敞口、并与阴极样品7密封配合，圆筒的底部设置出液通道。这种情况下，出液通道与可旋转的密封接头连接，即可避免输出管道旋转的问题。
保护罩10的气氛入口12沿轴向进气，和、或如图9所示，气氛入口12沿切向进气。使保护氛围沿轴向进气，可以降低气流进入对电弧的影响。
其余都与实施例1或2相同。
实施例5
本实施例与实施例5的区别在于：如图8所示，基体包括阴极座顶盖12和底座11，阴极座顶盖12中部为贯通孔，阴极座顶盖12与底座11可旋转的密封配合，阴极座顶盖12和底座11组合成冷却介质腔。
阴极座顶盖12与底座可转动配合，阴极座顶盖12与底座11之间设有密封圈5。如此，实现阴极座顶盖12与底座11可旋转的密封配合。这种情况下，底座11跟固定的输出管道连接即可。
阴极座顶盖12具有跟阴极样品7连接的第一连接部和与从动轮13连接的第二连接部；第一连接部与从动轮13有距离。第一连接部和第二连接部呈两段式，第二连接部位沿第一连接部向外延伸的一圈凸缘，第二连接部作为与从动轮13连接的法兰。如此，实现阴极座顶盖12与从动轮13的稳定连接。
其余都与实施例4相同。
实施例6
一种定量评价材料的耐烧蚀性能的方法，包括以下步骤：
S1、搭建或测试系统，测试系统采用驻点烧蚀，保护罩10的气氛为空气。
S2、制备阴极样品7；采取线切割方式制备单个样品尺寸为68*18*3 mm3的片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率395 W m-1 K-1，电导率99 %IACS，硬度80HV。
S3、将阴极样品7装载于测试系统，对阴极样品7进行电弧烧蚀试验，记录电弧烧蚀的参数：电弧电流为15 A，燃弧时间为 720 s，电极背部冷却液流量为0.8 L/min，电弧弧长约3~4 mm，滤光条件下弧斑直径约0.5~0.8 mm，阴极样品7表面弧斑自发移动速率约10-2 m/s；电弧对阴极样品7进行驻点烧蚀；
S4、将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积为672±2.57 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率,烧损速率为（62.2±0.238）×10-3 mm3/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。
如图13所示，电极烧蚀采取的片状纯铜样品，加工尺寸为68*18*3 mm3, 密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm。在烧蚀后，驻点烧蚀下，电极表面留下直径约5 mm的圆形烧蚀孔，边缘与未烧蚀区界限分明。
如图14所示的三维轮廓图，对应样品为图13的驻点烧蚀后的纯铜样品，能够通过此图得到任意XZ或YZ方向的线轮廓信息及想对某一平行于XOY平面的烧损体积等。对应此图，测算的烧损体积为672±2.57 mm3，换算的烧蚀速率为（62.2±0.238）×10-3 mm3/C。从图上可观察到，烧损区下凹明显，与未烧蚀区分界处有高约50~100 μm的挤出峰，系纯铜高热导率加速熔池凝固所致。
实施例7
本实施例与实施例6的区别之处在于，阴极样品7为铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸亦为68*18*3 mm3，样品热导率236 W m-1 K-1，电导率60 %IACS，硬度170 HV,其余结构和参数，都与实施例6一致。
如图15所示的铜铬合金电极样品（Cu50Cr50）的烧蚀三维轮廓图。铜铬合金电极样品在15 A电弧下驻点烧蚀720 s，电弧弧长约2~3 mm，滤光条件下弧斑直径约0.6~0.9 mm，阴极样品7表面弧斑自发移动速率约（0.4~0.6）×10-2 m/s测算得到的烧损体积为526±6.21 mm3，换算的烧蚀速率为（48.7±0.575）×10-3 mm3/C。烧蚀后相比图13，该样品烧损区侧壁较光滑，局部高低交错缓和，烧蚀区与未烧蚀区边界处挤出峰高度降低。
实施例8
本实施例与实施例6的区别之处在于，阴极样品7为纯铬电极样品（Cr），阴极样品7尺寸亦为68*18*3 mm3，样品热导率95 W m-1 K-1，电导率13 %IACS，硬度861 HV，其余结构和参数，都与实施例6一致。
将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为 510±3.02mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.2±0.28）×10-3 mm3/C。
实施例9
本实施例与实施例6的区别在于：采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3mm的圆片状阴极样品7，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率397 W m-1 K-1，电导率99%IACS，硬度75 HV。
电弧烧蚀试验的参数为电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长4~5 mm、阴极斑点直径0.5~0.8 mm、阴极斑移动速率10-2 m/s。
将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，获得烧损体积为137±1.15 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率，为（57.1±0.479）×10-3 mm3/C。
如图16所示，对应圆片纯铜电极在实施例2试验条件后扫描得到的三维轮廓图，其中心绿色区域为相比周围基体平面烧损而下凹的区域，烧损区与未烧损区间有红色的挤出区域。
实施例10
本实施例与实施例6的区别在于：测试系统采用有电磁线圈9的方案，电磁线圈9，直径150 mm，匝数20，在3 A直流供电下，于线圈中心长30 mm，直径75 mm范围内，产生磁场范围-120 μT~120μT的均匀的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向。
阴极样品7采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3 mm的圆片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率395 W m-1 K-1，电导率99 %IACS，硬度82 HV。
电弧烧蚀试验的电弧参数有电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长8~10 mm、阴极斑点直径0.6~0.8 mm、阴极斑移动速率0.5~0.8 m/s，磁场强度75 μT。
将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为96.1±8.27mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（40.0±3.45）×10-3 mm3/C。
实施例11
本实施例与实施例10的区别在于：测试系统采用有电磁线圈9的方案，电磁线圈9在直径150 mm，在2 A直流供电下，于线圈中心长30 mm，直径65 mm范围内，产生磁场范围-80 μT~80μT的均匀的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向。其余结构和参数，都与实施例8一致。
将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为112.7±6.12mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.0±2.55×10-3 mm3/C。
实施例12
本实施例与实施例10的区别在于：阴极材料采用（铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸一致，样品热导率239 W m-1 K-1，电导率61 %IACS，硬度168 HV）
其余参数、结构与实施例10一致。
电弧烧蚀试验后，将阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为86.9±2.19mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（36.2±0.91）×10-3 mm3/C。
实施例13
本实施例与实施例10的区别在于：阴极材料采用（纯铬电极样品（Cr），阴极样品7尺寸一致，样品热导率为96 W m-1 K-1，电导率13 %IACS，硬度862 HV）
其余参数、结构与实施例10一致。
电弧烧蚀试验后，将阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为79.8±1.02mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（33.2±0.43）×10-3 mm3/C。
实施例14
本实施例与实施例6的区别之处在于：测试系统采用具有旋转驱动组件（所用电机静力矩2.2 N·m，额定电流4 A，止口直径38 mm，轴长25 mm）的方案，旋转驱动组件的输出转速为540 rpm，换算后样品安装件自转角速度为40~50 rad/s。
阴极样品7采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3 mm的圆片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率393 W m-1 K-1，电导率98 %IACS，硬度96 HV。
电弧烧蚀试验的电弧参数有电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长6~8 mm、阴极斑点直径0.4~0.5 mm、阴极斑移动速率0.3~0.5 m/s。
电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积114±6.73 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.5±2.80）×10-3 mm3/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。
实施例15
本实施例与实施例14的区别之处在于：旋转驱动组件的自转角速度为旋转驱动组件的输出转速为180 rpm，换算后样品安装件 自转角速度为10~20 rad/s其余参数和结构都与实施例14相同。
电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积124±5.62 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（51.7±2.34）×10-3 mm3/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。
实施例16
本实施例与实施例14的区别指出在于：电极材料为（铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸一致，样品热导率236 W m-1 K-1，电导率60 %IACS，硬度166HV）。
其余参数和结构都与实施例14相同。
电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积102.6±3.21 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（42.8±1.34）×10-3 mm3/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。
实施例17
本实施例与实施例14的区别指出在于：电极材料为（纯铬电极样品（Cr），阴极样品尺寸一致，样品热导率为97 W m-1 K-1，电导率13 %IACS，硬度860 HV）。
其余参数和结构都与实施例14相同。
电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积93.1±4.15 mm3，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（38.8±1.73）×10-3 mm3/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。
表1电极样品烧蚀性能
Figure 583416DEST_PATH_IMAGE002
特征参数说明：
1.组合1：线圈产生磁场驱动，供电电流为3 A，中心磁场强度-120 μT~120μT，阴极斑点移动速率0.5~0.8 m/s；
2.组合2：线圈产生磁场驱动，供电电流为2 A，中心磁场强度-80 μT~80μT，阴极斑移动速率0.2~0.4 m/s；
3.组合3：电极驱动，输出转速为540 rpm，样品安装件自转角速度为40~50 rad/s；
4.组合4：电极驱动，输出转速为180 rpm，样品安装件自转角速度为10~20 rad/s。
耐烧蚀性分析：
1.实施例6，7，8、实施例10，12，13及实施例14，16，17组内比较，耐烧蚀性纯铬最优，铜铬次之，纯铜最差；
2.实施例10与9相比，使用磁场线圈方案，可有效提升电极耐烧蚀性；
3.实施例11与10相比，使用磁场线圈方案，提升磁场强度以增加弧根转速，可减弱电极烧蚀；
4.实施例14与9相比，使用电机驱动样品旋转方案，可提升电极耐烧蚀性；
5.实施例14与15相比，使用电机驱动样品旋转方案，提升电机转速，可减弱电极烧蚀。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：该测试系统包括阳极，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统，和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间，电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；样品安装件带着阴极样品绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。
2.如权利要求1所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：样品安装件包括基体，基体具有冷却介质腔和进液环，冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品装载于样品安装件时、阴极样品与样品装载区域对中；冷却介质腔在内、进液环在外，进液环与冷却介质腔连通且可转动的密封配合；进液环固定且与进液管相连，冷却介质腔的中心设置出液通道；测试系统具有旋转驱动组件连接，旋转驱动组件包括与基体固定的从动轮和与电机连接主动轮，从动轮与基体对中。
3.如权利要求2所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：基体呈圆柱形，冷却介质腔的侧壁设有多个通孔，进液环呈圆环，进液环覆盖所有通孔，进液环和基体之间设置密封圈。
4.如权利要求2所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：基体和从动轮同轴固定，基体在内，从动轮在外。
5.如权利要求2所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：基体为一体式的圆筒，圆筒的顶部敞口、并与阴极样品密封配合，圆筒的底部设置出液通道；这种情况下，出液通道与可旋转的密封接头连接，即可避免输出管道旋转的问题。
6.如权利要求2所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：基体包括阴极座顶盖和固定底座，阴极座顶盖中部为贯通孔，阴极座顶盖与固定底座可旋转的密封配合，阴极座顶盖和固定底座组合成冷却介质腔。
7.如权利要求6所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：阴极座顶盖与固定底座可转动配合，阴极座顶盖与固定底座之间设有密封圈。
8.如权利要求6所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：阴极座顶盖具有跟阴极样品连接的第一连接部和与从动轮连接的第二连接部；第一连接部与从动轮有距离。
9.如权利要求8所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：第一连接部和第二连接部呈两段式，第二连接部位沿第一连接部向外延伸的一圈凸缘，第二连接部作为与从动轮连接的法兰；如此，实现阴极座顶盖与从动轮的稳定连接。
10.如权利要求8所述的基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统，其特征在于：保护罩的气氛入口沿轴向进气和、或气氛入口沿切向进气。
CN202010190905.5A 2020-03-18 2020-03-18 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统 Active CN111307861B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190905.5A CN111307861B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统
JP2021043226A JP7236715B2 (ja) 2020-03-18 2021-03-17 材料の耐アブレーション性能を定量的に評価する方法およびその測定システム
US17/205,507 US20210293732A1 (en) 2020-03-18 2021-03-18 Method for Quantitatively Evaluating Ablation-Resistant Properties of Materials and Testing System Thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190905.5A CN111307861B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111307861A true CN111307861A (zh) 2020-06-19
CN111307861B CN111307861B (zh) 2021-04-06

Family

ID=71145811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010190905.5A Active CN111307861B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111307861B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1281058A (zh) * 1999-10-11 2001-01-24 中国科学院力学研究所 金属低温渗入的装置和方法
US20030230554A1 (en) * 2002-06-12 2003-12-18 Nanotechnologies, Inc. Radial pulsed arc discharge gun for synthesizing nanopowders
CN101059549A (zh) * 2007-05-18 2007-10-24 西安建筑科技大学 一种材料击穿场强的测试设备
CN101207965A (zh) * 2007-07-31 2008-06-25 烟台龙源电力技术有限公司 等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法
US20080169205A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-17 Young Jin Kim Electrochemical corrosion potential sensor and method of making
CN103411958A (zh) * 2013-08-08 2013-11-27 哈尔滨工业大学 材料烧蚀率动态测试装置及方法
CN203827594U (zh) * 2014-05-10 2014-09-10 衢州昀睿工业设计有限公司 一种具有冷却肋环的回转体阴极
CN204369975U (zh) * 2014-12-05 2015-06-03 大连维钛克科技股份有限公司 一种阴极电弧源
CN109193353A (zh) * 2018-09-28 2019-01-11 全球能源互联网研究院有限公司 电弧产生设备及用电触头材料抗电弧烧蚀性能评测方法
CN109949263A (zh) * 2017-12-18 2019-06-28 西安交通大学 一种气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法
CN110636660A (zh) * 2019-07-19 2019-12-31 韩振斌 电弧加热方法及装置
CN110702775A (zh) * 2019-09-27 2020-01-17 清华大学 大气等离子体间隙式放电对电极烧蚀影响的测试装置及方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1281058A (zh) * 1999-10-11 2001-01-24 中国科学院力学研究所 金属低温渗入的装置和方法
US20030230554A1 (en) * 2002-06-12 2003-12-18 Nanotechnologies, Inc. Radial pulsed arc discharge gun for synthesizing nanopowders
US20080169205A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-17 Young Jin Kim Electrochemical corrosion potential sensor and method of making
CN101059549A (zh) * 2007-05-18 2007-10-24 西安建筑科技大学 一种材料击穿场强的测试设备
CN101207965A (zh) * 2007-07-31 2008-06-25 烟台龙源电力技术有限公司 等离子体发生器及延长等离子体发生器阴极寿命的方法
CN103411958A (zh) * 2013-08-08 2013-11-27 哈尔滨工业大学 材料烧蚀率动态测试装置及方法
CN203827594U (zh) * 2014-05-10 2014-09-10 衢州昀睿工业设计有限公司 一种具有冷却肋环的回转体阴极
CN204369975U (zh) * 2014-12-05 2015-06-03 大连维钛克科技股份有限公司 一种阴极电弧源
CN109949263A (zh) * 2017-12-18 2019-06-28 西安交通大学 一种气体电弧电极喷溅烧蚀的原位观测方法
CN109193353A (zh) * 2018-09-28 2019-01-11 全球能源互联网研究院有限公司 电弧产生设备及用电触头材料抗电弧烧蚀性能评测方法
CN110636660A (zh) * 2019-07-19 2019-12-31 韩振斌 电弧加热方法及装置
CN110702775A (zh) * 2019-09-27 2020-01-17 清华大学 大气等离子体间隙式放电对电极烧蚀影响的测试装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨惠雅 等: "时效处理对Cu-Co-(Ti)合金力学和电学性能影响", 《中国科学: 技术科学》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111307861B (zh) 2021-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111308011A (zh) 一种定量评价材料的耐烧蚀性能的方法
JP2022000624A (ja) 材料の耐アブレーション性能を定量的に評価する方法およびその測定システム
JP5108486B2 (ja) プラズマ誘導バーチャルタービン翼形部後縁延長部
CN104653422B (zh) 三级加速式螺旋波等离子体推进装置
CN102758651B (zh) 构件和使用多种填充剂制造涂覆构件的方法
US20140060005A1 (en) Magnetic advanced generation jet electric turbine
CN104454418B (zh) 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机
US7258526B2 (en) Eddy current heating for reducing transient thermal stresses in a rotor of a gas turbine engine
JP2008163940A (ja) 翼形部前縁端部壁渦流低減プラズマ
JP2008139011A (ja) 上流プラズマ遮蔽式フィルム冷却
JP2008139012A (ja) 下流プラズマ遮蔽式フィルム冷却
JPH11229108A (ja) 溶射コーティングを施すための方法及びこの方法で形成されたガスタービンエンジンのブレード
US10344613B2 (en) Hyperjet superconducting turbine blisk propulsion and power generation
EP3101230B1 (en) Turbine component having surface cooling channels and method of forming same
CN111307861B (zh) 一种基于阴极自转的电弧烧蚀测试系统
CN107605687A (zh) 低功率电弧加热推进器
CN111426718A (zh) 一种基于平板电极的磁旋电弧烧蚀测试系统
CN207802488U (zh) 一种等离子喷枪的喷嘴及使用其的喷枪
US8237079B2 (en) Adjustable plasma spray gun
CN107949139A (zh) 一种串连式电弧等离子体发生器
US11863040B2 (en) Electrohydrodynamic rotary systems and related methods
CN103567578A (zh) 放电加工工艺、用于放电加工的物件及放电冷却剂
Yuan et al. Copper cathode’s ablated structure operated in a 50 megawatt arc heater
CN105051241B (zh) 用于热涂覆表面的装置
US5442910A (en) Reaction motor structure and method of construction

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant