CN116973295A - 一种陶瓷基复合材料水氧测试炉、测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷基复合材料领域，公开了一种陶瓷基复合材料水氧测试炉、测试系统及测试方法，包括炉腔体；炉腔体内依次开设样件测试区、气体扩散通道和下进气口；气体扩散通道一端与下进气口连通，另一端与样件测试区连通，且气体扩散通道与样件测试区连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘，多孔样件放置盘上开设若干分气孔；炉腔体开设样件测试区的一端的端部设置内腔上盖，内腔上盖上开设上出气口。该装置能够简单、快速的实现模拟水氧环境测试，可对形状复杂的陶瓷基复合材料样件进行全方位水氧测试，且水氧环境稳定，装置清理维护简单。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料领域，涉及一种陶瓷基复合材料水氧测试炉、测试系统及测试方法。
背景技术
SiC结构陶瓷基复合材料主要包含C纤维增韧SiC(C/SiC)与SiC纤维增韧SiC(SiC/SiC)，具备耐高温、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、化学性能稳定、硬度大、耐磨性能和机械强度高等优点被广泛应用于航空航天、燃气轮机、石油化工及微电子等领域。特别是，通过纤维增韧可有效解决陶瓷材料脆性大等问题，使复合材料具有类似金属的断裂行为。同时，SiC基陶瓷还具有优异高温力学性能和高温稳定性，是较为理想的高温结构部件候选材料，在航空航天及燃气轮机领域有着广泛的应用前景，受到国内外材料研究者的广泛关注。
碳化硅基复合材料在干燥的空气或氧气、高温环境中，因碳化硅的氧化表面会形成一层致密的SiO2保护膜。氧在SiO2保护膜中扩散较慢，SiC基复合材料在干燥的空气或氧气环境中具有优异的抗氧化性能。然而，无论是航空发动机还是燃气轮机的燃气环境通常含有5～10％的水蒸气，环境中的水蒸气会与表面生成的SiO2保护膜反应，生成Si-O-H(主要是Si(OH)4)气态物质，并随着高速气流挥发导致SiO2层变得疏松多孔，产生大量的微裂纹，甚至剥离，最终引起SiC基复合材料在燃气环境中的损伤。
SiC结构陶瓷基复合材料构件在燃气环境中应用下，就不得不考虑材料的抗水氧特性，通常会在其表面制备环境障涂层进行保护等方法，SiC结构陶瓷基复合材料的抗水氧性能指标也成为SiC结构陶瓷基复合材料构件应用是重要的考核指标。然而，测试陶瓷基复合材料的抗水氧性能时，所采用的水氧测试炉多为小炉体，并且对于复杂形状的样件需要进行破坏，很难真实反应整体样件的抗水氧特性。因此，如何快速、简单模拟测试整体样件的抗水氧特性是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种陶瓷基复合材料水氧测试炉、测试系统及测试方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，提供一种陶瓷基复合材料水氧测试炉，包括炉腔体；
炉腔体内依次开设样件测试区、气体扩散通道和下进气口；
气体扩散通道一端与下进气口连通，另一端与样件测试区连通，且气体扩散通道与样件测试区连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘，多孔样件放置盘上开设若干分气孔；
炉腔体开设样件测试区的一端的端部设置内腔上盖，内腔上盖上开设上出气口。
可选的，所述气体扩散通道为倒锥形通孔。
可选的，所述气体扩散通道远离下进气口的一端与炉腔体内壁之间设置支撑平台，支撑平台用于支撑多孔样件放置盘，多孔样件放置盘采用能够拆卸的方式放置在支撑平台上。
可选的，所述下进气口内设置水氧进气管，且水氧进气管一端伸出下进气口远离气体扩散通道的一端的端部。
可选的，所述若干分气孔在多孔样件放置盘上以同心圆环阵列的方式均匀分布，且若干分气孔的孔径一致。
可选的，所述内腔上盖为与炉腔体匹配的T型结构，所述炉腔体为圆柱型结构，所述样件测试区为圆柱形内腔。
可选的，所述炉腔体和内腔上盖均采用刚玉材料。
可选的，所述多孔样件放置盘为刚玉陶瓷圆盘。
本发明第二方面，提供一种陶瓷基复合材料水氧测试系统，包括管氏热处理炉、气体输送装置以及上述的水氧测试炉；
气体输送装置与水氧测试炉的下进气口连通，用于向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的混合气体；
使用时，水氧测试位于管氏热处理炉内部，且样件测试区位于管氏热处理炉的恒温区中。
本发明第三方面，提供一种基于上述的陶瓷基复合材料水氧测试系统的陶瓷基复合材料水氧测试方法，包括：
将陶瓷基复合材料的样件置于多孔样件放置盘上；
将水氧测试炉置于管式热处理炉中，并调节水氧测试炉的高度使得水氧测试炉的样件测试区位于管氏热处理炉的恒温区中；
将管氏热处理炉的炉温升至1000～1400℃，并通过气体输送装置向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的体积比为1：7～10的混合气体进行水氧测试。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明陶瓷基复合材料水氧测试炉，通过在炉腔体内依次开设样件测试区、气体扩散通道和下进气口；气体扩散通道一端与下进气口连通，另一端与样件测试区连通，且气体扩散通道与样件测试区连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘，多孔样件放置盘上开设若干分气孔，气体扩散通道搭接多孔样件放置盘实现对陶瓷基复合材料异型构件的全方位水氧环境测试，且水氧测试炉腔整体可移动，可根据使用环境需要更换炉体，外炉体只需提供气体通入及加热即可，适用性广。能简单、快速的实现模拟水氧环境测试，可对形状复杂的陶瓷基复合材料样件进行全方位水氧测试，且水氧环境稳定，装置清理维护简单。
附图说明
图1为本发明实施例的陶瓷基复合材料水氧测试炉纵向剖面结构示意图。
图2为本发明实施例的陶瓷基复合材料水氧测试炉横向剖面结构示意图。
图3为本发明实施例的陶瓷基复合材料水氧测试炉外部结构示意图。
其中：1-内腔上盖；2-上出气口；3-样件测试区；4-气体扩散通道；5-下进气口；6-多孔样件放置盘；7-分气孔；8-炉腔体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至3，本发明一实施例中，提供一种陶瓷基复合材料水氧测试炉，包括炉腔体8；炉腔体8内依次开设样件测试区3、气体扩散通道4和下进气口5；气体扩散通道4一端与下进气口5连通，另一端与样件测试区3连通，且气体扩散通道4与样件测试区3连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘6，多孔样件放置盘6上开设若干分气孔7；炉腔体8开设样件测试区3的一端的端部设置内腔上盖1，内腔上盖1上开设上出气口2。
在一种可能的实施方式中，所述陶瓷基复合材料水氧测试炉具体结构如下：
结构一、炉腔体8整体为圆柱形，下段设有氧气与水蒸气的下进气口5，上端设有上出气口2，采用下进气上出气的方式提供水氧环境。
结构二、炉腔体8与下进气口5连接的为一个倒锥形的气体扩散通道4，倒锥形的气体扩散通道4下端开口与下进气口5直接连接，上端横截面与炉腔体8内壁贴合匹配，设有支撑平台。
结构三、倒锥形的气体扩散通道4上端的支撑平台上放置可移动的多孔样件放置盘6，多孔样件放置盘6上的分气孔7分布均匀，孔径一直，测试样件可置于多孔样件放置盘6上面进行测试。
结构四、多孔样件放置盘6的上方根据常规测试构件尺寸预留样件测试区3。
结构五、水氧测试炉内腔的最上端为内腔上盖1，在常温常压下可通过移开内腔上盖1取放测试样件。
其中，炉腔体8整体为圆柱形，可适应大多数形状的SiC结构陶瓷基复合材料样件测试，下段设有用于输入氧气与水蒸气混合气体的下进气口5，上端设有上出气口2，水氧混合气流经整个样件测试区3。
炉腔体8内腔与下进气口5连接的为倒锥形的气体扩散通道4，氧气与水蒸气经过一定的比例混合后可通过下进气口5直接进入倒锥形的气体扩散通道4内，通过倒锥形的气体扩散通道4可实现均匀向上扩散。
倒锥形的气体扩散通道4远离下进气口5的一端与炉腔体8内壁之间设置支撑平台，支撑平台用于支撑多孔样件放置盘6，多孔样件放置盘6采用能够拆卸的方式放置在支撑平台上。
倒锥形的气体扩散通道4上端的多孔样件放置盘6上的分气孔7可根据样件的尺寸及形状进行调整和更换，多孔样件放置盘6可取下，方便清理。
可选的，若干分气孔7在多孔样件放置盘6上以同心圆环阵列的方式均匀分布，且若干分气孔7的孔径一致。
样件测试区3的尺寸可根据常规测试样件大小进行设计调整。
炉腔体8的内腔上盖1留有上出气口2，测试时混合气体从上出气口2流出，停止测试时在常温常压下可通过移开内腔上盖1取放测试样件。
可选的，下进气口5内设置水氧进气管，且水氧进气管一端伸出下进气口5远离气体扩散通道4的一端的端部，通过设置水氧进气管便于混合气体的输入。
可选的，所述内腔上盖1为与炉腔体8匹配的T型结构，所述炉腔体8为圆柱型结构，所述样件测试区3为圆柱形内腔。所述炉腔体8和内腔上盖1均采用刚玉材料。所述多孔样件放置盘6为刚玉陶瓷圆盘。
炉腔体8整体可采用刚玉材质，材料耐高温性、导热性好，加工简单，价格低廉，各部件之间搭接简单，便于反复烧结损伤后的更换。
综上所述，本发明陶瓷基复合材料水氧测试炉，通过在炉腔体8内依次开设样件测试区3、气体扩散通道4和下进气口5；气体扩散通道4一端与下进气口5连通，另一端与样件测试区3连通，且气体扩散通道4与样件测试区3连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘6，多孔样件放置盘6上开设若干分气孔7，气体扩散通道4搭接多孔样件放置盘6设计可实现对陶瓷基复合材料异型样件的全方位水氧环境测试，且水氧测试炉腔整体可移动，可根据使用环境需要更换炉体，外炉体只需提供气体通入及加热即可，适用性广。能简单、快速的实现模拟水氧环境测试，可对形状复杂的陶瓷基复合材料样件进行全方位水氧测试，且水氧环境稳定，装置清理维护简单。
本发明另一个实施例中，提供一种陶瓷基复合材料水氧测试系统，包括管氏热处理炉、气体输送装置以及上述的水氧测试炉；气体输送装置与水氧测试炉的下进气口5连通，用于向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的混合气体；使用时，水氧测试位于管氏热处理炉内部，且样件测试区3位于管氏热处理炉的恒温区中。
具体的，水氧测试炉腔应用时可移置常用的可通入气体的管氏热处理炉中，调整炉体的恒温区处于样件测试区域，保证测试样件的测试温度准确性。
本发明另一个实施例中，提供一种基于上述的陶瓷基复合材料水氧测试系统的陶瓷基复合材料水氧测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将陶瓷基复合材料的样件置于多孔样件放置盘6上。
步骤2：将水氧测试炉置于管式热处理炉中，并调节水氧测试炉的高度使得水氧测试炉的样件测试区3位于管氏热处理炉的恒温区中。
步骤3：将管氏热处理炉的炉温升至1000～1400℃，并通过气体输送装置向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的体积比为1：7～10的混合气体进行水氧测试。
在一种可能的实施方式中，以测试尺寸为250mm*250mm*20的C/SiC陶瓷基复合材料隔热瓦为例，所述陶瓷基复合材料水氧测试方法包括以下步骤：
步骤一、炉腔体8内腔设为下部整体为刚玉材料，炉腔体8外壁刚玉厚度为5mm，圆柱内腔高度为600mm，下端氧气与水蒸气的混合气体下进气口5设为/>上出气口2设为/>采用下进气上出气的方式提供水氧环境，水氧进气管为的不锈钢金属管。
步骤二、在一个的圆柱刚玉陶瓷加工一个倒置圆锥体，得到倒锥形的气体扩散通道4，其中心下端开孔/>与炉腔体8内腔与下进气口2匹配，上端横截面与炉腔体8内壁贴合匹配，留有宽度为6mm的支撑平台。
步骤三、在的刚玉陶瓷圆盘上均匀加工/>的分气孔7得到可移动的多孔样件放置盘6，多孔样件放置盘6上的分气孔6分布均匀，多孔样件放置盘6可以移动。
步骤四、尺寸为250mm*250mm*20的C/SiC陶瓷基复合材料隔热瓦测试样件可至于多孔样件放置盘6上面的样件测试区域3进行测试。
步骤五、炉腔体8的最上端的内腔上盖1采用刚玉材料，厚度为10mm，加工为T型，与炉腔体8匹配，在常温常压下可通过移开取放测试样件。
步骤六、水氧测试炉应用时置于管式热处理炉中，调节高度使得炉体的恒温区处于样件测试区域3，将炉温升至1200℃，调节水蒸气与空气体积比为1:9混合气体经过水氧进气管再通过下进气口5进入水氧测试炉腔内，开始进行测试。
通过上述方式可简单、快速的对陶瓷基复合材料进行模拟水氧环境测试，可对任意形状的复杂样件可实现全方位水氧测试，水氧环境稳定。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，包括炉腔体(8)；
炉腔体(8)内依次开设样件测试区(3)、气体扩散通道(4)和下进气口(5)；
气体扩散通道(4)一端与下进气口(5)连通，另一端与样件测试区(3)连通，且气体扩散通道(4)与样件测试区(3)连通的一端的端部上设置用于放置样件的多孔样件放置盘(6)，多孔样件放置盘(6)上开设若干分气孔(7)；
炉腔体(8)开设样件测试区(3)的一端的端部设置内腔上盖(1)，内腔上盖(1)上开设上出气口(2)。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述气体扩散通道(4)为倒锥形通孔。
3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述气体扩散通道(4)远离下进气口(5)的一端与炉腔体(8)内壁之间设置支撑平台，支撑平台用于支撑多孔样件放置盘(6)，多孔样件放置盘(6)采用能够拆卸的方式放置在支撑平台上。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述下进气口(5)内设置水氧进气管，且水氧进气管一端伸出下进气口(5)远离气体扩散通道(4)的一端的端部。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述若干分气孔(7)在多孔样件放置盘(6)上以同心圆环阵列的方式均匀分布，且若干分气孔(7)的孔径一致。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述内腔上盖(1)为与炉腔体(8)匹配的T型结构，所述炉腔体(8)为圆柱型结构，所述样件测试区(3)为圆柱形内腔。
7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述炉腔体(8)和内腔上盖(1)均采用刚玉材料。
8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料水氧测试炉，其特征在于，所述多孔样件放置盘(6)为刚玉陶瓷圆盘。
9.一种陶瓷基复合材料水氧测试系统，其特征在于，包括管氏热处理炉、气体输送装置以及权利要求1至8任一项所述的水氧测试炉；
气体输送装置与水氧测试炉的下进气口(5)连通，用于向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的混合气体；
使用时，水氧测试位于管氏热处理炉内部，且样件测试区(3)位于管氏热处理炉的恒温区中。
10.一种基于权利要求9所述的陶瓷基复合材料水氧测试系统的陶瓷基复合材料水氧测试方法，其特征在于，包括：
将陶瓷基复合材料的样件置于多孔样件放置盘(6)上；
将水氧测试炉置于管式热处理炉中，并调节水氧测试炉的高度使得水氧测试炉的样件测试区(3)位于管氏热处理炉的恒温区中；
将管氏热处理炉的炉温升至1000～1400℃，并通过气体输送装置向水氧测试炉内输送水蒸气与空气的体积比为1：7～10的混合气体进行水氧测试。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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