本發(fā)明涉及一種涂層材料抗氧化性能的測(cè)試裝置，尤其是涉及一種抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，屬于材料測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

抗氧化涂層是指涂覆在基體表面，能夠隔絕基體材料與氧化性氣氛直接接觸的涂層材料，如鈮鉿合金基體表面涂覆的硅化物涂層、鈮鎢合金基體表面涂覆的硅化物涂層、錸基體表面涂覆的銥涂層等，精確測(cè)試這些抗氧化涂層的抗氧化性能隨時(shí)間、空間、溫度的分布變化，具有十分重要的意義。航天發(fā)動(dòng)機(jī)抗氧化涂層的溫度工作區(qū)間覆蓋超低溫區(qū)，常溫區(qū)，中高溫區(qū)，超高溫區(qū)，工作范圍為-160～2700℃，現(xiàn)有設(shè)備最高可測(cè)2000℃左右?？紤]到地面模擬試驗(yàn)實(shí)際情況，同時(shí)兼顧可靠性和元件使用壽命的要求，根據(jù)測(cè)試設(shè)備中使用加熱元件和測(cè)溫元件的功能及特點(diǎn)，要研制與航天發(fā)動(dòng)機(jī)抗氧化涂層相應(yīng)溫度工作區(qū)間匹配的設(shè)備。本發(fā)明主要針對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)抗氧化涂層的中高溫區(qū)即500～1500℃，進(jìn)行其抗氧化性能測(cè)試。此外，本發(fā)明也將對(duì)航空，航天、預(yù)警、紅外制導(dǎo)、隱身等軍事領(lǐng)域和輻射測(cè)溫、理療、機(jī)械工業(yè)等民用領(lǐng)域的涂層測(cè)試技術(shù)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

在現(xiàn)代能源工業(yè)和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域，抗氧化涂層是不可缺少的重要部分。當(dāng)今，抗氧化涂層已廣泛應(yīng)用于各種燃?xì)鉁u輪機(jī)及各種航天器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、潛艇、火力發(fā)電廠、石油化工設(shè)備等方面。其中作為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端材料，尤為引人關(guān)注。精確測(cè)試這些抗氧化涂層的抗氧化性能隨時(shí)間、空間、溫度的分布變化，無(wú)論在航空，航天、預(yù)警、紅外制導(dǎo)、隱身等軍事領(lǐng)域和輻射測(cè)溫、理療、機(jī)械工業(yè)等民用領(lǐng)域都具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)與國(guó)際上尚未有統(tǒng)一的抗氧化涂層材料抗氧化性能的測(cè)試方法。當(dāng)前抗氧化涂層抗氧化性能測(cè)量方法主要有三種：容量法、壓力法、質(zhì)量法。容量法和壓力法僅適合在純氧氣氛中進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果可信度低。

質(zhì)量法相較容量法和壓力法的優(yōu)勢(shì)在于：(1)可以在多種氣氛中進(jìn)行試驗(yàn)；(2)方法及原理相對(duì)簡(jiǎn)單；(3)試驗(yàn)所需設(shè)備易于操作；(4)測(cè)量精度高；(5)測(cè)量速度快。質(zhì)量法是抗氧化涂層材料抗氧化性能測(cè)試中普遍采用的方法，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)和主流方向。

但是，無(wú)論采用上述哪種方法，都無(wú)法解決抗氧化涂層在500-1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置受環(huán)境干擾導(dǎo)致：抗氧化涂層在500-1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)量精度低，加熱速度慢，不能保持恒溫的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置受環(huán)境干擾導(dǎo)致：抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)量精度低，加熱速度慢，不能保持恒溫的問(wèn)題。

本發(fā)明基于輻射換熱原理和馬弗爐設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置。

實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，它包括：爐體、爐體支架、加熱體支架、高溫夾頭、吊絲、試樣窗口、耐熱體、加熱體、電極供熱源、絕緣隔熱套、溫度測(cè)量孔、觀察孔及測(cè)溫裝置；

所述的爐體外的底部與爐體支架固定連接，爐體內(nèi)的底部固定有加熱體支架，所述的絕緣隔熱套豎直固定安裝在加熱體支架上，所述的加熱體的下部設(shè)置在絕緣隔熱套內(nèi)，所述的加熱體的外壁與絕緣隔熱套的內(nèi)壁相連接，加熱體的中部設(shè)有中心腔，所述的耐熱體設(shè)置在加熱體的中心腔內(nèi)，耐熱體的外壁與加熱體內(nèi)壁相連接，耐熱體的中部設(shè)有中心通孔，所述的電極供熱源固定套裝在加熱體外側(cè)壁的上部，絕緣隔熱套的側(cè)壁、加熱體的側(cè)壁以及耐熱體的側(cè)壁三者相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有同軸的溫度測(cè)量孔，所述的爐體的側(cè)壁上與所述的溫度測(cè)量孔相對(duì)應(yīng)處同軸設(shè)置有觀察孔，所述的測(cè)溫裝置的測(cè)溫端設(shè)置在觀察孔外邊緣處，爐體的上端與耐熱體的中心通孔相對(duì)應(yīng)處開(kāi)孔得到試樣窗口，所述的吊絲與高溫夾頭的連接端連接，所述的高溫夾頭的夾持端由爐體頂部的試樣窗口伸入至耐熱體的中心通孔內(nèi)。

發(fā)明原理：

根據(jù)輻射換熱原理和馬弗爐設(shè)計(jì)原理，試樣加熱時(shí)所需的功率由試樣加熱的有效功率P₁、試樣加熱時(shí)的輻射熱損失P₂、試樣加熱時(shí)的傳導(dǎo)熱損失P₃、試樣加熱時(shí)的對(duì)流熱損失P₄和高溫夾頭傳導(dǎo)熱損失P₅五部分組成。即

P＝P₁+P₂+P₃+P₄+P₅

試樣加熱的有效功率P₁(kW)

P₁＝CG(t₂-t₁) (1)

其中C為試樣的比熱容(kW·h/kg)，G為生產(chǎn)率(kg/h)，t₁為試樣加熱前的溫度(℃)，t₂為試樣應(yīng)達(dá)到的試驗(yàn)溫度(℃)。

試樣加熱時(shí)的輻射熱損失P₂(kW)

$P_2=\mathrm{\σ}\mathrm{\ϵ}\[{\left(\frac{T_2}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_1}{100}\right)}^4\]S---\left(2\right)$

其中σ為黑體輻射常數(shù)，(T₁＝t₁+273)為空氣的熱力學(xué)溫度(K)；(T₂＝t₂+273)為試樣加熱后表面的熱力學(xué)溫度(K)；ε為試樣的發(fā)射率；S為試樣的有效散熱面積(m²)。

試樣加熱時(shí)的傳導(dǎo)熱損失P₃(kW)，當(dāng)試樣溫度較高時(shí)試樣的熱量將通過(guò)空氣、爐體內(nèi)壁、耐熱層、隔熱層傳遞到爐體外壁。此傳遞過(guò)程可視為一維熱傳導(dǎo)過(guò)程，假設(shè)通過(guò)爐體各層的熱流是穩(wěn)定的，則試樣的傳導(dǎo)熱損失為

$P_3=\frac{t_4-t_3}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{R}_i}=\frac{t_4-t_3}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{ln(d_{i+1}/d_i)}{2{\mathrm{\πh\λ}}_i}}---\left(3\right)$

其中t₃為爐體外壁的溫度(℃)，t₄為試樣應(yīng)達(dá)到的試驗(yàn)溫度(℃)，R_i為爐體各層材料(爐體包括爐體內(nèi)壁、耐熱層、隔熱層及爐體外壁，共計(jì)4層，每層材料不同，層與層之間緊密連接)的熱阻(℃/kW)，R_i＝ln(d_i+1/d_i)/(2πhλ)，d_i+1為第i層外徑(m)，d_i為第i層內(nèi)徑(m)，h為第i層材料高度(m)，λ_i為第i層材料的熱導(dǎo)率(kW/(m·K))。

i表示自然數(shù)，i的取值為1，2，3，4，式(3)中的m表示爐體的層數(shù)，m取值為4。

試樣加熱時(shí)的對(duì)流熱損失P₄(kW)，由牛頓冷卻公式推算自然對(duì)流散熱功率為

P₄＝πdHhΔt (4)

其中，d為爐體底面直徑，H為爐體的高度，h₄為對(duì)流傳熱系數(shù)，Δt為溫度梯度。

高溫夾頭傳導(dǎo)熱損失P₅(kW)，工程中常用傳熱速率單位是kcal/h，1kcal＝4187J，1w＝860cal/h。試樣由高溫夾頭吊裝進(jìn)入爐體中，當(dāng)高溫夾頭造成熱損失時(shí)，其熱損失計(jì)算式為

$P_5=\frac{(t_B-t_H)nF}{860\frac{s}{\mathrm{\λ}}}---\left(5\right)$

其中t_B為高溫夾頭內(nèi)表面溫度(℃)，由于高溫夾頭與試樣直接接觸，可以取t_B為試樣溫度；t_H為高溫夾頭外表面溫度(℃)，n為高溫夾頭的數(shù)量，F(xiàn)為高溫夾頭與試樣的接觸面積(m²)，s為高溫夾頭的壁厚(m)，λ為高溫夾頭材料的熱導(dǎo)率(kW/(m·K))。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的一種抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，不僅具有能夠測(cè)量抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能，同時(shí)還具有高精度測(cè)量、加熱速度可控、加熱速度快(最大加熱速度可達(dá)200K/min)、溫度控溫精度高(可達(dá)±5℃)和能夠保持恒溫的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置的整體結(jié)構(gòu)主視圖。

其中，1爐體、2爐體支架、3加熱體支架、4高溫夾頭、5吊絲、6試樣窗口、7耐熱體、8加熱體、9電極供熱源、10絕緣隔熱套、11溫度測(cè)量孔、12觀察孔、13測(cè)溫裝置、14試樣。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，它包括：爐體1、爐體支架2、加熱體支架3、高溫夾頭4、吊絲5、試樣窗口6、耐熱體7、加熱體8、電極供熱源9、絕緣隔熱套10、溫度測(cè)量孔11、觀察孔12及測(cè)溫裝置13；

所述的爐體1外的底部與爐體支架2固定連接，爐體1內(nèi)的底部固定有加熱體支架3，所述的絕緣隔熱套10豎直固定安裝在加熱體支架3上，所述的加熱體8的下部設(shè)置在絕緣隔熱套10內(nèi)，所述的加熱體8的外壁與絕緣隔熱套10的內(nèi)壁相連接，加熱體8的中部設(shè)有中心腔，所述的耐熱體7設(shè)置在加熱體8的中心腔內(nèi)，耐熱體7的外壁與加熱體8內(nèi)壁相連接，耐熱體7的中部設(shè)有中心通孔，所述的電極供熱源9(為環(huán)形套)固定套裝在加熱體8外側(cè)壁的上部(電極供熱源9的兩個(gè)引出端并攏后與電源連接)，絕緣隔熱套10的側(cè)壁、加熱體8的側(cè)壁以及耐熱體7的側(cè)壁三者相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有同軸的溫度測(cè)量孔11，所述的爐體1的側(cè)壁上與所述的溫度測(cè)量孔11相對(duì)應(yīng)處同軸設(shè)置有觀察孔12，所述的測(cè)溫裝置13的測(cè)溫端設(shè)置在觀察孔12外邊緣處(試樣14的輻射透過(guò)溫度測(cè)量孔11和觀察孔12通過(guò)測(cè)溫裝置13輸出端顯示溫度)，爐體1的上端與耐熱體7的中心通孔相對(duì)應(yīng)處開(kāi)孔得到試樣窗口6，所述的吊絲5與高溫夾頭4的連接端連接，所述的高溫夾頭4的夾持端由爐體1頂部的試樣窗口6伸入至耐熱體7的中心通孔內(nèi)(測(cè)試時(shí)，試樣14通過(guò)高溫夾頭4的夾持端夾持固定，爐體1通過(guò)加熱體8對(duì)試樣14進(jìn)行加熱)。

本實(shí)施方式中的測(cè)溫裝置14為現(xiàn)有技術(shù)，可采用蕭鵬,戴景民,王青偉.多目標(biāo)多光譜輻射高速高溫計(jì)的研制[J].光譜學(xué)與光譜分析,2008,28(11):2730-2734中公開(kāi)的測(cè)溫裝置。

具體實(shí)施方式二：如圖1所示，具體實(shí)施方式一所述的抗氧化涂層在1400～2300℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，所述的高溫夾頭4為新型陶瓷材料耐高溫抗氧化夾頭。

陶瓷材料為現(xiàn)有材料，為市場(chǎng)采購(gòu)產(chǎn)品。可采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)陶瓷材料研究所研制的航天用陶瓷材料，主要技術(shù)指標(biāo)：熔點(diǎn)：3200℃；電阻率：100-2000μΩ.cm；密度：4.8-6g.cm；致密化：96％；抗彎強(qiáng)度：330Pa；洛氏硬度：92；燒蝕率或抗氧化：氧-乙炔焰1950℃3.2×10^-5mm/s；熱脹系數(shù)：25-1500；7.2×10^-6/DEG；導(dǎo)熱率：0.07CAL/cm.s.℃；蒸汽壓：4.3×10^-3(1800℃)；抗熱震：1200℃放水中反復(fù)5次不炸裂；耐腐蝕：耐金屬鐵、鋁、銅、鉛，硅，鎂等熔體及冰晶石，氟化物，酸堿、氣體等腐蝕?？梢栽谘趸瘹夥蘸?300℃高溫長(zhǎng)期使用，沖擊使用溫度最高可達(dá)3000℃，能夠滿(mǎn)足本發(fā)明的裝置在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置要求。

具體實(shí)施方式三：如圖1所示，具體實(shí)施方式一所述的抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，所述的加熱體8為螺旋形石墨電極。效果是：能夠滿(mǎn)足本發(fā)明裝置要加熱到500～1500℃的要求。

具體實(shí)施方式四：如圖1所示，具體實(shí)施方式一所述的抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，所述的耐熱體7為剛玉管。效果是：耐熱效果良好，耐熱最高溫度覆蓋本發(fā)明的溫區(qū)。

具體實(shí)施方式五：如圖1所示，具體實(shí)施方式一、二、三或四所述的抗氧化涂層在500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試裝置，所述的測(cè)溫裝置13為鉑銠-鉑熱電偶。效果是：能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所覆蓋溫區(qū)不同溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。

工作原理：本發(fā)明在進(jìn)行抗氧化涂層在高溫500～1500℃區(qū)間的抗氧化性能測(cè)試時(shí)，爐體1通過(guò)爐體支架2放置在水平面上，爐體1通過(guò)加熱體8對(duì)試樣14進(jìn)行加熱，加熱體支架3支撐絕緣隔熱套10置于爐體1內(nèi)，用高溫夾頭4夾持端夾持試樣14，吊絲5的兩端連接稱(chēng)重系統(tǒng)和高溫夾頭4，用爐內(nèi)稱(chēng)重法(熱重法)對(duì)試樣14進(jìn)行實(shí)時(shí)稱(chēng)重，試樣14通過(guò)試樣窗口6置于耐熱體7的中心通孔內(nèi)，電極供熱源9對(duì)加熱體8供電加熱，從而對(duì)試樣14進(jìn)行加熱，測(cè)溫裝置13通過(guò)溫度測(cè)量孔11對(duì)試樣14進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)觀察孔12觀察記錄測(cè)試結(jié)果。