抗氧化涂層在室溫～120℃區(qū)間的抗氧化性能測試裝置的制造方法
【專利摘要】抗氧化涂層在室溫～120℃區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，屬于材料測試領(lǐng)域。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，爐體內(nèi)的頂部固定有加熱體固定管，加熱體支架與加熱體固定管之間固定有絕緣隔熱套，絕緣隔熱套內(nèi)表面與加熱體外表面連接，加熱體內(nèi)表面與耐熱體外表面連接，爐體的頂部打孔得到試樣窗口，吊絲與高溫夾頭的連接端連接，高溫夾頭的夾持端伸入耐熱體的中心通孔內(nèi)，供電源引出的加熱體供電導(dǎo)線與加熱體連接，供電源與測溫裝置供電導(dǎo)線連接，測溫裝置供電導(dǎo)線與測溫裝置的供電輸入端連接，測溫裝置的測溫端置入耐熱體的中心通孔內(nèi)。本發(fā)明在抗氧化涂層在室溫～120℃區(qū)間的抗氧化性能測量精度高，加熱速度快，能夠保持恒溫。
【專利說明】
抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種涂層材料抗氧化性能的測試裝置，尤其是涉及一種抗氧化涂層在 室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，屬于材料測試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 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°C，現(xiàn)有設(shè)備最高可測2000°C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)測試設(shè)備中使用加 熱元件和測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)明主要針對航天發(fā)動(dòng)機(jī)抗氧化涂層的常溫區(qū)即室溫~120°C，進(jìn)行其抗氧化性 能測試。此外，本發(fā)明也將對航空，航天、預(yù)警、紅外制導(dǎo)、隱身等軍事領(lǐng)域和輻射測溫、理 療、機(jī)械工業(yè)等民用領(lǐng)域的涂層測試技術(shù)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。
[0003] 抗氧化涂層廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代動(dòng)力裝置熱端部件，能夠有效防止熱端部件氧化和失 效，具有很重要的基礎(chǔ)性地位。特別是航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件服役環(huán)境惡劣，往往遭受機(jī)械載 荷、高溫、腐蝕、沖蝕等多種耦合作用。目前先進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件無一例外地采用抗氧 化涂層以提高高溫部件的使用溫度，延長部件服役壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。精確測試這些抗 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。
[0004] 目前國內(nèi)與國際上尚未有統(tǒng)一的抗氧化涂層材料抗氧化性能的測試方法。當(dāng)前， 抗氧化涂層抗氧化性能測量方法主要有三種: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)，測量結(jié)果可信度低。
[0005] 質(zhì)量法相較于容量法和壓力法的優(yōu)勢在于：（1)可以在多種氣氛中進(jìn)行試驗(yàn)；（2) 方法及原理相對簡單；（3)試驗(yàn)所需設(shè)備易于操作；（4)測量精度高；（5)測量速度快。質(zhì)量法 是抗氧化涂層材料抗氧化性能測試中普遍采用的方法，是近年來國內(nèi)外研究熱點(diǎn)和主流方 向。
[0006] 但是，無論采用上述哪種方法，都無法解決抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧 化性能測試裝置受環(huán)境干擾導(dǎo)致:抗氧化涂層在室溫~120Γ區(qū)間的抗氧化性能測量精度 低，加熱速度慢，不可保持恒溫的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置 受環(huán)境干擾導(dǎo)致:抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測量精度低，加熱速度慢， 不可保持恒溫的問題。
[0008] 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)了抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū) 間的抗氧化性能測試裝置。室溫為25°c。
[0009] 實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的采取的技術(shù)方案如下：
[0010] 本發(fā)明的抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，它包括爐體、爐 體支架、加熱體支架、加熱體固定管、高溫夾頭、吊絲、試樣窗口、耐熱體、絕緣隔熱套、供電 源、加熱體、布線孔、加熱體供電導(dǎo)線、測溫裝置供電導(dǎo)線及測溫裝置；
[0011]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，爐 體內(nèi)的頂部固定有加熱體固定管，所述的加熱體支架與加熱體固定管之間固定有絕緣隔熱 套，所述的絕緣隔熱套內(nèi)表面與加熱體外表面連接，所述的加熱體內(nèi)表面與耐熱體外表面 連接，所述的耐熱體中部設(shè)有中心通孔，爐體的頂部打孔得到試樣窗口，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)，所述的供電源引出的加熱體供電導(dǎo)線穿入爐體側(cè)壁以及絕緣隔熱套上的布線孔與 加熱體連接，供電源與測溫裝置供電導(dǎo)線連接，所述的測溫裝置供電導(dǎo)線穿入爐體側(cè)壁以 及絕緣隔熱套上的布線孔與測溫裝置的供電輸入端連接，所述的測溫裝置的測溫端穿過絕 緣隔熱套側(cè)壁以及耐熱體側(cè)壁置入耐熱體的中心通孔內(nèi)。
[0012] 發(fā)明原理:本發(fā)明根據(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Pi、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)的對流熱損失P4和高溫夾頭傳導(dǎo)熱損失內(nèi)五部分組成。即
[0013] P = P1+P2+P3+P4+P5
[0014] 試樣加熱的有效功率Pi (kw)
[0015] Pi = CG(t2-ti)(l)
[0016] 其中C為試樣的比熱容（kW · h/kg)，G為生產(chǎn)率(kg/h)，。為試樣加熱前的溫度 (°C)，t2為試樣應(yīng)達(dá)到的試驗(yàn)溫度（°C)。
[0017 ]試樣加熱時(shí)的輻射熱損失P2 (kW)
[0019]其中σ為黑體福射常數(shù)，1^ = 0273，!^為空氣的熱力學(xué)溫度(K);T2 = t2 + 273，T：* 試樣加熱后表面的熱力學(xué)溫度(Κ);ε為試樣的發(fā)射率;S為試樣的有效散熱面積(m2)。
[0020] 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)試樣的熱量將通過空氣、爐 體內(nèi)壁、耐熱層、隔熱層傳遞到爐體外壁。此傳遞過程可視為一維熱傳導(dǎo)過程，假設(shè)通過爐 體各層的熱流是穩(wěn)定的，則試樣的傳導(dǎo)熱損失為
[0022]其中t3為爐體外壁的溫度（°C)，t4為試樣應(yīng)達(dá)到的試驗(yàn)溫度為爐體各層材 料(爐體包括爐體內(nèi)壁，耐熱層，隔熱層，爐體外壁，每層材料不同，層與層之間緊密連接)的 熱阻（°C/kW)，Ri = ln(di+i/di)/(2JihA)，di+i為第i層外徑(m)，di為第i層內(nèi)徑(m)，h為第i層 材料高度(m)，λι為第i層材料的熱導(dǎo)率(kW/(m · K))。
[0023 ] i表示自然數(shù)，i的取值為1，2,3,4,式(3)中的m表示爐體層數(shù)，m取值為4。
[0024] 試樣加熱時(shí)的對流熱損失P4(kW)，由牛頓冷卻公式推算自然對流散熱功率為
[0025] P4=JidHhAt(4)
[0026] 其中，d為爐體底面直徑，Η為爐體的高度，h4為對流傳熱系數(shù)，Δ t為溫度梯度。
[0027] 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，lkcal=4187J， lw = 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
[0029]其中tB為高溫夾頭內(nèi)表面溫度（°C)，由于高溫夾頭與試樣直接接觸，可以取tB為試 樣溫度;tH為高溫夾頭外表面溫度（°C )，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(πι)，λ為高溫夾頭材料的熱導(dǎo)率(kW/(m · K))。
[0030] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:本發(fā)明具有能夠測量抗氧化涂層在室溫~ 120°C區(qū)間的抗氧化性能，具有高精度測量、加熱速度可控(最大加熱速度可達(dá)50K/min)、加 熱速度快、溫度控溫精度高(可達(dá)：±5°C)和能夠保持恒溫的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的抗氧化涂層在室溫~120Γ區(qū)間的抗氧化性能測試裝置的整體結(jié) 構(gòu)主視圖。
[0032] 圖中：爐體1、爐體支架2、加熱體支架3、加熱體固定管4、高溫夾頭5、吊絲6、試樣窗 口 7、耐熱體8、絕緣隔熱套9、供電源10、加熱體11、布線孔12、加熱體供電導(dǎo)線13、測溫裝置 供電導(dǎo)線14、測溫裝置15、試樣16。
【具體實(shí)施方式】
[0033]
【具體實(shí)施方式】一：如圖1所示，本實(shí)施方式的抗氧化涂層在室溫~120 °C區(qū)間的抗 氧化性能測試裝置，它包括爐體1、爐體支架2、加熱體支架3、加熱體固定管4、高溫夾頭5、吊 絲6、試樣窗口 7、耐熱體8、絕緣隔熱套9、供電源10、加熱體11、布線孔12、加熱體供電導(dǎo)線 13、測溫裝置供電導(dǎo)線14及測溫裝置15;
[0034] 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,爐體1內(nèi)的頂部固定有加熱體固定管4,所述的加熱體支架3與加熱體固定管4之間固定有 絕緣隔熱套9，所述的絕緣隔熱套9內(nèi)表面與加熱體11外表面連接，所述的加熱體內(nèi)表面與 耐熱體8外表面連接，所述的耐熱體8中部設(shè)有中心通孔，爐體1的頂部打孔得到試樣窗口 7， 所述的吊絲6與高溫夾頭5的連接端連接，所述的高溫夾頭5的夾持端由爐體1頂部的試樣窗 口7伸入至耐熱體8的中心通孔內(nèi)（測試時(shí)，試樣16通過高溫夾頭5的夾持端夾持固定，爐體1 通過加熱體11對試樣16進(jìn)行加熱），所述的供電源10引出的加熱體供電導(dǎo)線13穿入爐體1側(cè) 壁以及絕緣隔熱套9上的布線孔12與加熱體11連接，供電源10與測溫裝置供電導(dǎo)線14連接， 所述的測溫裝置供電導(dǎo)線14穿入爐體1側(cè)壁以及絕緣隔熱套9上的布線孔12與測溫裝置15 的供電輸入端連接，所述的測溫裝置15的測溫端穿過絕緣隔熱套9側(cè)壁以及耐熱體8側(cè)壁置 入耐熱體8的中心通孔內(nèi)（通過測溫裝置15記錄測量結(jié)果）。
[0035]本實(shí)施方式中的測溫裝置15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中公開的測 溫裝置。
[0036]【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 °C 區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，所述的高溫夾頭4為新型陶瓷材料耐高溫抗氧化夾頭。
[0037]陶瓷材料為現(xiàn)有材料，為市場采購產(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°C ;電阻率：100_2000μ Ω . 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°C 3 · 2 X 10-5mm/s;熱脹系數(shù):25-1500; 7 · 2 X 10-6/DEG;導(dǎo)熱率:0 · 07CAL/cm · s · °C ;蒸汽壓:4 · 3 X 10_3 (1800 °C);抗熱震：1200 °C放水中反復(fù)5次不炸裂;耐腐蝕:耐金屬鐵、錯(cuò)、銅、鉛，娃，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°C高溫長期使用，沖擊 使用溫度最高可達(dá)3000°C，能夠滿足本發(fā)明的裝置在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試 裝置要求。
[0038]【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室溫~120°C 區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，所述的加熱體11為電阻膜。能夠滿足本發(fā)明裝置要加熱到室 溫~120°C的要求。
【具體實(shí)施方式】 [0039] 四：如圖1所示，一所述的抗氧化涂層在室溫~120°C 區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，所述的耐熱體8為鋁管。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】 [0040] 五:如圖1所示，一所述的抗氧化涂層在室溫~120°C 區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，所述的測溫裝置15為分度為100的PtlOO型鉑電阻。能夠?qū)崿F(xiàn) 本發(fā)明所覆蓋溫區(qū)不同溫度的準(zhǔn)確測量。
[0041] 工作原理：
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明的測試裝置在進(jìn)行抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性 能測試時(shí)，爐體1通過爐體支架2放置在水平面上，爐體1通過加熱體11對試樣16進(jìn)行加熱， 加熱體支架3、加熱體固定管4與絕緣隔熱套9連接置于爐體1內(nèi)，防止絕緣隔熱套9位移，絕 緣隔熱套9用來防止加熱過程中熱量的流失。用高溫夾頭5夾持試樣16,吊絲6的兩端連接稱 重系統(tǒng)和高溫夾頭5,用爐內(nèi)稱重法(熱重法)對試樣16進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重，試樣16通過試樣窗口 7置于耐熱體8的中心通孔內(nèi)，供電源10引出加熱體供電導(dǎo)線13與加熱體11連接，對試樣16 進(jìn)行加熱，供電源10通過測溫裝置供電導(dǎo)線14與測溫裝置15連接，為測溫裝置15提供電源， 通過測溫裝置15記錄測量結(jié)果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種抗氧化涂層在室溫~120°c區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，其特征在于:它包括爐 體（1)、爐體支架(2)、加熱體支架(3)、加熱體固定管(4)、高溫夾頭(5)、吊絲(6)、試樣窗口 (7)、耐熱體(8)、絕緣隔熱套(9)、供電源（10)、加熱體（11)、布線孔（12)、加熱體供電導(dǎo)線 (13) 、測溫裝置供電導(dǎo)線（14)及測溫裝置(15); 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)，爐體（1)內(nèi)的頂部固定有加熱體固定管(4)，所述的加熱體支架(3)與加熱體固定管 (4)之間固定有絕緣隔熱套(9)，所述的絕緣隔熱套(9)內(nèi)表面與加熱體(11)外表面連接，所 述的加熱體內(nèi)表面與耐熱體(8)外表面連接，所述的耐熱體(8)中部設(shè)有中心通孔，爐體(1) 的頂部打孔得到試樣窗口（7)，所述的吊絲(6)與高溫夾頭(5)的連接端連接，所述的高溫夾 頭(5)的夾持端由爐體（1)頂部的試樣窗口（7)伸入至耐熱體(8)的中心通孔內(nèi)，所述的供電 源（10)引出的加熱體供電導(dǎo)線（13)穿入爐體（1)側(cè)壁以及絕緣隔熱套(9)上的布線孔（12) 與加熱體（11)連接，供電源（10)與測溫裝置供電導(dǎo)線（14)連接，所述的測溫裝置供電導(dǎo)線 (14) 穿入爐體（1)側(cè)壁以及絕緣隔熱套(9)上的布線孔（12)與測溫裝置（15)的供電輸入端 連接，所述的測溫裝置（15)的測溫端穿過絕緣隔熱套(9)側(cè)壁以及耐熱體(8)側(cè)壁置入耐熱 體(8)的中心通孔內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，其特 征在于:所述的高溫夾頭(5)為陶瓷材料耐高溫抗氧化夾頭。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，其特 征在于:所述的加熱體(11)為電阻膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，其特 征在于:所述的耐熱體(8)為鋁管。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗氧化涂層在室溫~120°C區(qū)間的抗氧化性能測試裝置，其特 征在于:所述的測溫裝置(15)為分度為100的PtlOO型鉑電阻。
【文檔編號】G01N25/22GK106018478SQ201610533599
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】蕭鵬, 安東陽, 戴景民, 吳念崇
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)