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一种 氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法

阅读：1发布：2020-11-09

专利汇可以提供一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法。该装置包括抽真空系统、加热系统、测温系统、充气系统、冷却系统、数据采集系统和计算机系统。采用该装置开展试验的方法如下：首先启动抽真空系统，使密封炉内真空度达到预设值；然后，启动加热系统，使加热炉内温度达到目标温度，实现真空下的高温环境；最后，在密封炉中注入一定量的氧气，使密封炉内氧分压达到预设定值，形成热冲击试验所需的高温氧化气氛。在试验过程中，计算机系统根据预设定和采集的氧分压值实时反馈控制电磁阀的开启和关闭以控制氧气源向密封炉内充氧气。本发明的技术效果是：可缩短加热炉内设备处于高温氧化气氛下的时间，避免炉内发热体等关键部件发生过度氧化腐蚀，保证氧分压精确可控，测试数据能准确表征材料在高温氧化气氛下的抗热冲击性能。，下面是一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种氧分压可控的升温热冲击试验装置，其特征在于：包括抽真空系统、加热系统、测温系统、充气系统、冷却系统、数据采集系统和计算机系统。抽真空系统包括真空泵(20)和真空阀门(21)。加热系统控制加热炉(11)的加热，加热炉(11)安装在密封炉(5)内，且其顶部有环形分布的小孔(9)，使氧气能够从密封炉(5)进入加热炉(11)且对炉内温度场影响较小。测温系统测量加热炉(11)内的温度。充气系统包括氧气源(17)、减压阀(16)和电磁阀(15)，氧气源(17)经减压阀(16)和电磁阀(15)对密封炉(5)内充氧气。冷却系统连接自来水对加热炉(11)进行冷却。计算机系统连接数据采集系统采集加热炉(11)内温度和密封炉(5)内氧分压等数据，并控制加热炉(11)的加热以及向密封炉(5)内充氧气。
2.根据权利要求1所述的一种氧分压可控的升温热冲击试验装置，其特征在于：所述密封炉(5)内的氧分压采用氧分压仪(4)测量。
3.根据权利要求1所述的一种氧分压可控的升温热冲击试验装置，其特征在于：所述计算机系统在试验过程中根据预设定和采集的氧分压值实时反馈控制所述电磁阀(16)的开启和关闭，从而控制氧气源(17)向所述密封炉(5)内充氧气。
4.一种氧分压可控的升温热冲击试验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置进行试验，包括如下步骤：
1)打开真空阀门(21)，启动真空泵(20)对密封炉(5)内进行抽真空，使密封炉(5)内真空度达到达到预设值，然后关闭真空泵(20)和真空阀门(21)；
2)在计算机上设定加热的目标温度，启动加热系统使加热炉(11)开始加热，测温系统监测加热炉(11)内温度，并通过数据采集系统将监测到的温度传送给计算机系统。当检测到加热炉(11)内温度达到预设定的目标温度后，保温一段时间，具体时间根据试验要求确定；
3)在计算机上设置目标氧分压值，打开氧气源(17)开关，使氧气经过减压阀(16)和电磁阀(15)进入密封炉(5)内。氧分压仪(4)监测密封炉(5)内的氧分压，并通过数据采集系统将监测到的氧分压传送给计算机系统。当检测到的氧分压达到预设定的目标氧分压值后，计算机系统发出指令关闭电磁阀(15)，停止充氧气；
4)开展氧化气氛下的热冲击试验，在试验过程中，计算机系统通过数据采集系统实时采集氧分压数据，并与预设定的目标氧分压值对比。当密封炉(5)内氧分压小于目标氧分压值时，计算机系统发出指令开启电磁阀(15)；当密封炉(5)内氧分压达到目标氧分压值时，计算机系统发出指令关闭电磁阀(15)。通过这种实时反馈控制方法使试验过程中密封炉(5)和加热炉(11)内的氧分压保持为设定的目标氧分压值。
5)热冲击试验完成后，停止加热，关闭氧气源(17)开关和减压阀(16)。开启冷却系统，使加热炉(11)内温度降至常温，取出试件(7)，试验结束。

说明书全文

一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种氧化气氛下热冲击试验装置及方法，属于热冲击试验技术领域，具体涉及一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法。

背景技术

[0002] 材料的抗热冲击性能是高超声速飞行器、航空航天发动机及核工业等高温领域极为关注的问题，尤其是在航空航天领域，用作高超声速飞行器热防护系统及发动机热端部件的超高温材料在使役历程中常常面临复杂多样的热冲击环境，会导致材料因遭受剧烈的热冲击而发生灾难性破坏。因此，测试与表征材料的抗热冲击性能具有十分重要的意义。

[0003] 目前，对材料抗热冲击性能的测试方法主要包括氧乙炔火焰加热、氢氧喷射加热、电加热、激光加热及电弧风洞等。其中，氧乙炔火焰加热和氢氧喷射加热会使试件表面急剧升温，导致试件表面温度分布不均匀且不易准确控制温度；电加热受材料的导电性能制约；激光加热的加热面积有限且面内加热不均匀；电弧风洞因成本高和结构复杂限制了其应用。并且，由于高温环境实现的周期较长，常用的氧化气氛下热冲击试验方法常会带来以下问题：发热体等关键部件由于长时间处于高温氧化环境而氧化严重，致使其能实现的最高温度严重受限(目前常用的发热体最高只能达到1700℃)；而且，对于密封的高温环境，也会由于长时间的氧化反应致使氧气消耗明显，氧分压不可控，很难实现特定氧分压下的热冲击试验。因此，对于氧化气氛下的热冲击试验，急需解决目前常用方法存在的发热体等关键部件由于长时间处于高温氧化环境而导致的氧化严重以及高温环境下氧分压不可控等问题。

发明内容

[0004] 为了解决现有试验方法存在的问题，本发明旨在提出一种氧分压可控的升温热冲击试验装置及方法，它能够实现从室温至2000℃温度下的氧化气氛热冲击环境，且能精确控制热冲击试验的目标氧分压。

[0005] 本发明所述的一种氧分压可控的热冲击试验装置，包括抽真空系统、加热系统、测温系统、充气系统、冷却系统、数据采集系统和计算机系统。抽真空系统包括真空泵和真空阀门。加热系统控制加热炉的加热，加热炉安装在密封炉内，加热炉的顶部有环形分布的小孔，使氧气能够从密封炉进入加热炉且对炉内温度场影响较小。测温系统通过比色高温计测量加热炉内的温度。充气系统包括氧气源、减压阀和电磁阀，氧气源经减压阀和电磁阀对密封炉充氧气，密封炉内的氧分压采用氧分压仪监测。冷却系统连接自来水对加热炉进行冷却。计算机系统连接数据采集系统采集加热炉内温度和密封炉内氧分压等数据，并控制加热炉的加热以及向密封炉内充氧气。

[0006] 为了实现不同氧分压条件下的高温热冲击环境，首先启动抽真空系统，使密封炉内真空度达到预设值；然后，启动加热系统，使加热炉内温度达到目标温度，实现真空下的高温环境；最后，在密封炉中注入一定量的氧气，使密封炉内氧分压达到预设定值，从而形成热冲击试验所需的高温氧化气氛。在开展试验的过程中，计算机系统根据预设定和采集的氧分压值实时反馈控制电磁阀的开启和关闭以控制氧气源向密封炉内补充氧气。

[0007] 由于加热炉加热至目标温度的时间通常较长，加热炉在升温过程中处于真空状态，能够避免加热炉内发热体等关键部件在长时间的升温过程中发生氧化而损伤。在达到目标温度后再注入一定量的氧气，使加热炉内达到目标氧分压后再开展热冲击试验，能够大大缩短炉内设备处于高温氧化气氛下的时间，减少炉内设备发生过度氧化腐蚀和消耗氧气。并且，在试验过程中，通过计算机系统实时控制氧气源向密封炉内补充氧气，能够精确地控制热冲击试验过程中的目标氧分压。

[0008] 本发明的技术效果是：可缩短加热炉内设备处于高温氧化气氛下的时间，避免炉内发热体等关键部件发生过度氧化腐蚀，保证氧分压精确可控，测试数据能准确表征材料在高温氧化气氛下的抗热冲击性能。附图说明

[0009] 本发明的附图说明如下：

[0010] 图1为本发明的结构示意图；

[0011] 图2为本发明加热炉顶部小孔分布图；

[0012] 图3为本发明的系统控制流程框图。

[0013] 附图1中标记及对应的零部件名称：

[0014] 1.气缸，2.气缸活动杆，3.试件夹持装置，4.氧分压仪，5.密封炉，6.套环，7.试件，8.钨丝，9.小孔，10.隔热毡，11.加热炉，12.支架台，13.加热炉底座，14.螺旋弹簧，15.电磁阀，16.减压阀，17.氧气源，18.比色高温计，19.缓冲垫，20.真空泵，21.真空阀门。

具体实施方式

[0015] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0016] 本发明包括抽真空系统、加热系统、测温系统、充气系统、冷却系统、数据采集系统和计算机系统。如图1所示，抽真空系统包括真空泵20和真空阀门21，采用抽真空系统可使密封炉5内真空度达到10-2Pa。密封炉5顶部装有气缸1，与气缸活塞连接的气缸活动杆2在密封炉5顶部中心孔内连接试件夹持装置3。试件夹持装置3为弹簧钳，其钳口处有螺旋弹簧14。当气缸活动杆2向上运动时，试件夹持装置3的钳口受密封炉5顶部中心孔的限制而夹紧试件7；当气缸活动杆2向下运动时，试件夹持装置3的钳口受螺旋弹簧14的弹力作用而松开试件7。

[0017] 钨丝8的一端固定在密封炉5的内部顶面，另一端穿过加热炉11的顶孔固定在加热炉11内的支架台12上。支架台12上面放置有缓冲垫19，加热炉11的顶孔中塞有隔热毡10。隔热毡10具有隔热作用，可以使加热炉11内达到高温时，密封炉5内的温度与常温接近。为满足试验需求，加热炉11内的部件需具有耐高温和抗氧化性能，因此隔热毡10和缓冲垫19的材料选用耐高温石墨毡。

[0018] 加热炉11通过加热炉底座13安装在密封炉5内。加热炉11的加热方式为感应加热，其内部布置有圆筒形石墨或硼化锆陶瓷发热体，发热体通过表面缠绕的导电金属丝连接密封炉外的高频电源，利用高频感应可使发热体内腔温度达到2000℃。其中，导电金属丝选用铜丝。加热炉11顶部设置有小孔9，使充入密封炉5内的氧气能够经过小孔9进入加热炉11内，小孔9在加热炉11顶部的具体位置分布如图2所示。加热炉11内壁喷涂有氧化锆陶瓷涂层，防止加热炉11内壁在高温氧化气氛下发生氧化腐蚀。加热炉11的加热由加热系统控制，测温系统采用比色高温计18来测量加热炉11内的温度，计算机系统通过数据采集系统连接测温系统和加热系统，以实现对加热炉内温度的数据采集及控制。

[0019] 如图1和3所示，使用本发明时，将试件7通过试件夹持装置3夹住，在试件7上系上套环6，将套环6贯套在钨丝8上。打开真空阀门21，启动真空泵20对密封炉5内进行抽真空，-2使密封炉5内真空度达到10 Pa，之后关闭真空泵20和真空阀门21。在计算机上设定加热的目标温度，然后通过计算机系统控制启动加热系统，使加热炉11开始加热，比色高温计18将测量的温度数据通过数据采集系统传输显示在计算机上。当测量到加热炉11内温度达到目标温度后，保温一段时间，具体时间根据试验要求确定。

[0020] 在计算机上设置目标氧分压值，打开氧气源17 开关，使氧气经过减压阀16和电磁阀15进入密封炉5内。氧分压仪4监测密封炉内的氧分压，在充氧气达到目标氧分压值后电磁阀15关闭，然后开展氧化气氛下的热冲击试验：使气缸活动杆2向下运动，则试件夹持装置3松开试件7，试件7通过套环6沿钨丝8向下滑落，砸开加热炉11顶孔中的隔热毡10，落在加热炉11内的缓冲垫19上，根据试验要求使试件7在加热炉11内保温一段时间。

[0021] 在热冲击试验过程中，计算机系统通过数据采集系统采集氧分压仪4测量的氧分压数据，通过与预设定的目标氧分压值对比，来控制电磁阀15的开启和关闭，以控制补充氧气：当密封炉5内氧分压小于目标氧分压值时，电磁阀15开启；当密封炉5内氧分压达到目标氧分压值时，电磁15关闭。通过采用实时反馈控制方法使试验过程中密封炉5和加热炉11内的氧分压保持为设定的目标氧分压值。

[0022] 热冲击试验完成后，停止加热，关闭氧气源17开关和减压阀16。开启冷却系统，使加热炉11降至常温，然后取出试件7。其中，冷却系统连接自来水进行冷却。

[0023] 本发明实现了温度高达2000℃且氧分压可控的高温有氧热冲击试验环境。使用本发明的装置及方法进行氧化气氛下的热冲击试验，可大大缩短加热炉内发热体等关键部件处于高温氧化气氛下的时间，避免加热炉内发热体等关键部件发生过度氧化腐蚀，同时保证热冲击试验的氧分压精确可控。

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