CN111398054B - 一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，属于高温材料力学性能测试技术领域。目的是为了解决高温材料在盐雾腐蚀环境下的综合力学性能测试问题。该测试装置主要包括高温加热炉、内螺孔主轴、上六角空心短轴、下六角空心短轴、圆柱形陶瓷筒体等部件。高温加热炉用于实现预定测试温度及其精度，上六角空心短轴和下六角空心短轴用于实现机械载荷的可靠传递和盐雾气氛的稳定流通，圆柱形陶瓷筒体用于限定高温盐雾气氛的腐蚀范围。本发明的优点是结构设计紧凑、工作原理简明，且采用模块化结构设计，重点突破了高温和机械载荷的稳定交互试验技术，其高温盐雾气氛不会腐蚀高温加热炉炉体和工装夹具，显著提升该系统的使用寿命。

Description

一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置
技术领域
本发明公开了一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，属于高温结构材料力学性能测试技术领域。
背景技术
舰载机作为我国航空母舰最重要的子系统之一，其性能直接决定了航空母舰的作战能力。作战持续性和多用途功能是舰载机两个最显著的特点，一定程度上代表了舰载机综合技术的先进性。舰载机在航空母舰上起降，舰载机航空发动机不可避免地吸入海洋气体，由于海洋大气中富含盐分，含盐分海洋大气经流道进入舰载机航空发动机的热端部件，热端部件材料在盐雾氛围和高温环境双重服役工况下工作，将进一步加速发动机热端部件的损伤，缩短其寿命。为了提高舰载机航空发动机的寿命和结构完整性，需要建立航空发动机热端部件材料在高温盐雾环境下的综合力学性能测试系统，研究舰载机航空发动机材料，尤其是热端部件材料在高温盐雾环境下的力学性能和损伤失效机理。而目前国内外公开报道的盐雾试验装置存在以下不足：(1)材料仅在室温盐雾腐蚀环境下测试，不涉及高温环境，也无外加机械载荷；(2)材料在高温盐雾腐蚀环境且外加机械载荷条件下进行测试，但温度不超过600℃。可以看出，现有的盐雾试验装置不能同时模拟舰载机航空发动机热端部件的机械载荷和高达1000℃的高温条件。因此，急需设计和制备出一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，既能施加诸如拉伸、疲劳和持久/蠕变等形式的机械载荷，又能产生高达1000℃的热量，满足热端部件所需的服役温度，从而开展舰载机航空发动机热端部件材料在盐雾气氛和高温环境下的综合力学性能试验研究工作，为热端部件材料在高温盐雾极端环境的工程应用提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是旨在设计出一种结构简单，操作灵活且采用模块化设计的一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，装置与诸如拉伸试验机、疲劳试验机和持久/蠕变试验机配合，能够实现高温结构材料在高温盐雾环境下的综合力学性能试验。采用本发明提出的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，能够确保高温结构材料在可控的温度和盐雾气氛下进行综合力学性能试验，可以获得高温盐雾环境影响的力学性能和寿命数据，从而满足航空发动机研制对高温结构材料高温腐蚀性能数据的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置包括高温加热炉1，两个内螺孔主轴2位于高温加热炉1的上、下两端，两个内螺孔主轴2的一端位于高温加热炉1炉内用于夹持试样，另一个位于高温加热炉1炉外用于连接力学性能试验机，内螺孔主轴2的炉内端沿轴向加工内螺栓孔11，两个内螺孔主轴2的炉外端沿轴向分别加工有主进气孔12和主排气孔13，主进气孔12和主排气孔13通过圆锥孔14与内螺栓孔11相通，在主进气孔12、主排气孔13上分别安装进气阀门15、排气阀门16，用来控制盐雾气氛的流量和压力；
在位于上部的内螺孔主轴2的炉内端的内螺栓孔11中通过螺纹安装中空的上六角空心短轴3，上六角空心短轴3的一端与内螺栓孔11通过螺纹连接，另一端的端面上加工有环形凹槽Ⅰ19，并在环形凹槽Ⅰ19的外周加工横向销钉孔20，在上六角空心短轴3的侧壁上、沿圆周等间距加工有垂直的分进气孔21将上六角空心短轴3两端的空间连通，上六角空心短轴3的中空内表面上通过螺纹连接测试试样22的一端，从而把设定的机械载荷可靠施加在待测试试样22上；
在位于下部的内螺孔主轴2的炉内端的内螺栓孔11中通过螺纹安装中空的下六角空心短轴4，下六角空心短轴3的一端与内螺栓孔11通过螺纹连接，另一端的端面上加工有环形凹槽Ⅱ23，在下六角空心短轴4的侧壁的内侧、沿圆周等间距加工有垂直的分排气孔27将下六角空心短轴4两端的空间连通，下六角空心短轴4的中空内表面上通过螺纹连接测试试样22的一端，从而把设定的机械载荷可靠施加在待测试试样22上；
在环形凹槽Ⅰ19和环形凹槽Ⅱ23之间安装一个圆柱形陶瓷筒体5，圆柱形陶瓷筒体5的上端插装在环形凹槽Ⅰ19内并通过横向销钉孔20固定，圆柱形陶瓷筒体5的下端插装在环形凹槽Ⅱ23内并通过设置在环形凹槽Ⅱ23上端面的密封垫片26将其以上的空间密封。
在一种实施中，高温加热炉1采用对开式结构，便于工装夹具和试样的安装。
在一种实施中，高温加热炉1包括炉体6和炉腔7，炉体6从内到外的三层结构分别为耐火层8、保温层9、不锈钢层10，高温加热炉1固定在力学性能试验机上。
在一种实施中，内螺孔主轴2整体呈台阶状，炉外端的细轴的部分与力学性能试验机相连，保证力学性能试验机的机械载荷的可靠、稳定传入。
在一种实施中，上六角空心短轴3上加工有环形凹槽Ⅰ19的一端为六角螺栓头18，分进气孔21的数量为六个，并围绕六角螺栓头18的中轴线均匀分布。
在一种实施中，环形凹槽Ⅰ19的深度小于环形凹槽Ⅱ23的深度。
在一种实施中，在环形凹槽Ⅱ23的上端面上加工有螺纹孔24，配合螺钉25固定密封垫片26。
在一种实施中，下六角空心短轴4的侧壁的内侧设置有一台阶面28，沿圆周等间距加工的垂直的分排气孔27的开口部设置在该台阶面28上，该台阶面28加工成浅凹槽状以便于试验前后盐雾气氛凝结为液体从分排气孔27顺利排出。
在一种实施中，分排气孔27的数量为六个。
在一种实施中，内螺孔主轴2、上六角空心短轴3和下六角空心短轴4均由单晶高温合金制成。
本发明技术方案的特点及有益效果是：
1.本发明提出的一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，具有结构设计紧凑、工作原理简明、操作流程简洁、测试功能多样和环境实现稳定等优点，且采用模块化结构设计，各模块拆卸、更换方便。
2.与现有相关技术相比，在实现可控盐雾气氛的前提条件下，重点突破了高温(可达1000℃)和机械载荷(诸如拉伸、疲劳和持久/蠕变等)的稳定交互试验技术，克服了传统有盐雾环境但无机械载荷和有机械载荷但无高温环境等诸多弊端，满足了相关工程技术的需求。
3.与现有相关技术相比，本发明提出的一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其高温盐雾气氛仅局限在圆柱形陶瓷筒体内与待测试样发生物化腐蚀作用，而不会腐蚀污染高温加热炉炉体和工装夹具，且圆柱形陶瓷筒体采用的陶瓷材料具有很强的抗盐雾腐蚀性，显著提升该系统的使用寿命，这一关键技术明显区别于现有技术。
附图说明
图1为本发明模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置装配示意图。
图2为本发明模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置A-A剖面图。
图3为本发明模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置C处局部4倍放大图。
图4为本发明模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置D处局部4倍放大图。
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4所示，具备模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置主要包括高温加热炉1、内螺孔主轴2、上六角空心短轴3、下六角空心短轴4、圆柱形陶瓷筒体5等部件。
所述高温加热炉1整体结构采用对开式，主要包括炉体6和炉腔7，炉体6从内到外的三层结构分别为耐火层8、保温层9和不锈钢层10，所述高温加热炉1固定在各类力学性能试验机上。
所述两个内螺孔主轴2整体呈台阶状，在其直径较大部位沿轴向加工内螺栓孔11，在其直径较小部位沿轴向分别加工主进气孔12、主排气孔13，在内螺栓孔主轴2上介于内螺栓孔11和主进气孔12以及主排气孔13之间加工圆锥孔14，并保证圆锥孔14与内螺栓孔11和主进气孔12以及主排气孔13相互贯通，在主进气孔12和主排气孔13相接管道上分别安装进气阀门15和排气阀门16，用来控制盐雾气氛的流量和压力，内螺栓孔主轴2与各类试验机的传力轴17相连，保证试验设备机械载荷的可靠、稳定传入。
所述上六角空心短轴3是一种中空轴，其直径较大部位加工成六角螺栓头18，便于采用扳手把上六角空心短轴3旋进内螺孔主轴2上，在上六角空心短轴3直径较大部位加工环形凹槽Ⅰ19，并在环形凹槽Ⅰ19外周加工等间隔的六个横向销钉孔20，在上六角空心短轴3并靠近环形凹槽Ⅰ19等间距加工六个分进气孔21，分进气孔21一端与圆柱形陶瓷筒体4相通，另一端与内螺孔主轴2的圆锥孔14相通，六角空心短轴3直径较小部位表面加工外螺纹，与内螺孔主轴2内螺纹相配合，实现机械载荷的稳定传递，上六角空心短轴3中空内表面加工内螺纹，与待测试试样22螺纹连接，从而把设定的机械载荷可靠施加在待测试试样22上。
所述下六角空心短轴4与所述上六角空心短轴3相似，主要区别在于所述下六角空心短轴4直径较大部位加工深度较大的环形凹槽Ⅱ23，环形凹槽Ⅰ19的深度小于环形凹槽Ⅱ23的深度，在下六角空心短轴4直径较大部位沿周向等间隔加工十二个螺纹孔24，在下六角空心短轴4直径较大部位顶端采用十二个螺钉25将密封垫片26固定，下六角空心短轴4的侧壁的内侧设置有一台阶面28，沿圆周等间距加工的垂直的六个分排气孔27的开口部设置在该台阶面28上，该台阶面28加工成浅凹槽状以便于试验前后盐雾气氛凝结为液体从分排气孔27顺利排出。
所述内螺孔主轴2、上六角空心短轴3和下六角空心短轴4均由可耐1100℃高温的二代以上单晶高温合金制备而成。
所述圆柱形陶瓷筒体5整体呈薄壁圆筒状，圆柱形陶瓷筒体5是由耐高温、防氧化的高品质陶瓷制备的，圆柱形陶瓷筒体5一端插入上六角空心短轴3的，并将六个销钉29通过圆柱形陶瓷筒体5上的六个通孔30安装到横向销钉孔20内，实现环形凹槽Ⅰ19内圆柱形陶瓷筒体5的固定，圆柱形陶瓷筒体5另一端插入环形凹槽Ⅱ23中，并采用密封垫片26进行密封，圆柱形陶瓷筒体5在下六角空心短轴4环形凹槽23内自由运动，确保在试验设定行程中不脱离环形凹槽23。
在进行模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能试验之前，首先，将内螺栓孔主轴2与各类试验机的传力轴17相连，确保两轴同心且可靠、稳定连接，将试验设备的机械载荷传入到内螺栓孔主轴2。其次，采用专用六角扳手加持在上六角空心短轴3和下六角空心短轴4的六角螺栓头18上，将上六角空心短轴3和下六角空心短轴4分别通过螺纹配合与内螺栓孔主轴2相连接。再次，将待测试样22一端螺纹旋进上六角空心短轴3上。接着，将圆柱形陶瓷筒体5放进上六角空心短轴3的环形凹槽Ⅰ19内，并确保圆柱形陶瓷筒体5的六个通孔30与上六角空心短轴3的六个横向销钉孔20对齐，插入六个销钉29，实现圆柱形陶瓷筒体5与上六角空心短轴3的紧密、稳定配合。然后，将下面的内螺栓孔主轴2缓慢上升并旋转，直至将待测试样22另一端完全装入下六角空心短轴4里面，此时圆柱形陶瓷筒体5正好插入到下六角空心短轴4环形凹槽Ⅱ23的合适位置。然后，将对开式高温加热炉1旋转到内螺栓孔主轴2的合适位置，关闭对开式高温加热炉1，并做好密封工作。至此，模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置的硬件装配和连接部分已全部完成。随后，开始正式试验，分别打开进气阀门15和排气阀门16，将盐雾气氛生成系统制备的合适浓度的盐雾气氛通过主进气孔12，然后进入圆锥孔14，接着进入六个分进气孔21，又到圆柱形陶瓷筒体5内腔，接着流入六个分排气孔27，随后进入下面的圆锥孔14，通过主排气孔13排入到相应的气体收集系统。在确保盐雾气氛流通顺利后，打开高温加热炉1，将其温度升至试验设定的温度并保持10分钟，确保高温加热炉1产生的热量穿过圆柱形陶瓷筒体5后，在待测试样表面的稳定能够达到试验要求。由于输入的盐雾气氛在整个气体流通过程中速度比较缓慢，因此，当盐雾气氛在高温炉内部的圆柱形陶瓷筒体5内腔中流通时，瞬间就会达到试验温度，确保了待测试样22表面既有合适浓度的盐雾气氛又有既定数值的高温温度。最后，开动各类试验机，将设定的机械载荷施加给待测试样22，并确保待测试样22在设定的机械载荷历程下产生的位移不足以使圆柱形陶瓷筒体5脱离下六角空心短轴4环形凹槽Ⅱ23，从而顺利实现高温结构材料在模拟高温盐雾腐蚀环境下的综合力学性能试验。

Claims (10)

1.一种模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：该装置包括高温加热炉(1)，两个内螺孔主轴(2)位于高温加热炉(1)的上、下两端，两个内螺孔主轴(2)的一端位于高温加热炉(1)炉内用于夹持试样，另一端位于高温加热炉(1)炉外用于连接力学性能试验机，两个内螺孔主轴2的炉内端沿轴向加工内螺栓孔(11)，两个内螺孔主轴2的炉外端沿轴向分别加工有主进气孔(12)和主排气孔(13)，主进气孔(12)和主排气孔(13)通过圆锥孔(14)与内螺栓孔(11)相通，在主进气孔(12)、主排气孔(13)上分别安装进气阀门(15)、排气阀门(16)，用来控制盐雾气氛的流量和压力；
在位于上部的内螺孔主轴(2)的炉内端的内螺栓孔(11)中通过螺纹安装中空的上六角空心短轴(3)，上六角空心短轴(3)的一端与内螺栓孔(11)通过螺纹连接，另一端的端面上加工有环形凹槽Ⅰ(19)，并在环形凹槽Ⅰ(19)的外周加工横向销钉孔(20)，在上六角空心短轴(3)的侧壁上、沿圆周等间距加工有垂直的分进气孔(21)将上六角空心短轴(3)两端的空间连通，上六角空心短轴(3)的中空内表面上通过螺纹连接测试试样(22)的一端，从而把设定的机械载荷可靠施加在测试试样(22)上；
在位于下部的内螺孔主轴(2)的炉内端的内螺栓孔(11)中通过螺纹安装中空的下六角空心短轴(4)，下六角空心短轴(4)的一端与内螺栓孔(11)通过螺纹连接，另一端的端面上加工有环形凹槽Ⅱ(23)，在下六角空心短轴(4)的侧壁的内侧、沿圆周等间距加工有垂直的分排气孔(27)将下六角空心短轴(4)两端的空间连通，下六角空心短轴(4)的中空内表面上通过螺纹连接测试试样(22)的一端，从而把设定的机械载荷可靠施加在待测试试样(22)上；
在环形凹槽Ⅰ(19)和环形凹槽Ⅱ(23)之间安装一个圆柱形陶瓷筒体(5)，圆柱形陶瓷筒体(5)的上端插装在环形凹槽Ⅰ(19)内并通过横向销钉孔(20)固定，圆柱形陶瓷筒体(5)的下端插装在环形凹槽Ⅱ(23)内并通过设置在环形凹槽Ⅱ(23)上端面的密封垫片(26)将其以上的空间密封。
2.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：高温加热炉(1)采用对开式结构，便于工装夹具和试样的安装。
3.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：高温加热炉(1)包括炉体(6)和炉腔(7)，炉体(6)从内到外的三层结构分别为耐火层(8)、保温层(9)、不锈钢层(10)，高温加热炉1固定在力学性能试验机上。
4.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：内螺孔主轴(2)整体呈台阶状，炉外端的细轴的部分与力学性能试验机相连，保证力学性能试验机的机械载荷的可靠、稳定传入。
5.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：上六角空心短轴(3)上加工有环形凹槽Ⅰ(19)的一端为六角螺栓头(18)，分进气孔(21)的数量为六个，并围绕六角螺栓头(18)的中轴线均匀分布。
6.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：环形凹槽Ⅰ(19)的深度小于环形凹槽Ⅱ(23)的深度。
7.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：在环形凹槽Ⅱ(23)的上端面上加工有螺纹孔(24)，配合螺钉(25)固定密封垫片(26)。
8.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：下六角空心短轴(4)的侧壁的内侧设置有一台阶面(28)，沿圆周等间距加工的垂直的分排气孔(27)的开口部设置在该台阶面(28)上，该台阶面(28)加工成浅凹槽状以便于试验前后盐雾气氛凝结为液体从分排气孔(27)顺利排出。
9.根据权利要求1或8所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：分排气孔(27)的数量为六个。
10.根据权利要求1所述的模拟高温盐雾腐蚀环境的综合力学性能测试装置，其特征在于：内螺孔主轴(2)、上六角空心短轴(3)和下六角空心短轴(4)均由单晶高温合金制成。
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