3000℃保护气氛%28真空%29环境通电加热试验系统研发.pdf

保护气氛(真空)环境通电加热试验系统研发姚丙南马双伟王 慧冯 硕贾淏然索 超张佳伦赵金达高旭峰刘大辉(中机试验装备股份有限公司吉林 长春)摘 要:研发了保护气氛(真空)环境超高温通电加热试验系统实现了最高试验温度 保护气氛(真空)环境下复合材料力学性能测试功能 该试验系统可为我国航空航天、核工业、石油化工等领域评价 复合材料、陶瓷基复合材料在不同温度、不同环境(保护气氛或真空环境)下的力学性能提供有力技术支撑为新材料的研究与应用提供新型试验技术手段关键词:保护气氛真空通电加热试验系统中图分类号:文献标志码:./.()(.):()().().:收稿日期 作者简介 姚丙南()男硕士高级工程师主要研究方向为试验装备研发 引 言近年来随着我国航空航天、核工业、新材料等行业领域的快速发展材料力学性能测试对温度的要求更高模拟试验环境的要求也更具多样性(如真空、保护气体、氧含量、腐蚀介质等)目前国内罕有试验温度达到 的保护气氛(真空)环境材料力学性能试验装置而超高温试验装备应用领域往往涉及国防敏感行业国外对此类试验装备实行技术封锁使我国相关国防与民用领域的发展受到极大的制约基于此中机试验装备股份有限公司研发了 保护气氛(真空)环境通电加热试验系统该试验系统可用于探究 复合材料、陶瓷基复合材料在超高温服役工况下的加速劣化机理为新材料的研究与应用提供新型试验技术手段可有效提高我国国防军工等领域产品的整体技术水平确保其安全可靠意义十分重大 试验系统的主要功能和技术参数试验系统的主要功能如下:()以试样通电自加热方式构建最高温度为 的试验温度环境()可实现保护气氛或真空环境下的力热耦合加载试验 该试验系统的主要技术参数如表 所示 试验系统的功能原理设计该试验系统从航空航天等领域对苛刻环境力热耦合作用下材料力学性能测试的重大需求出发采用功能导向与模块化设计思路 综合运用理论分析、仿真研究和试验测试相表 主要技术参数技术参数技术指标最大试验力力测量精度.工作温度范围 工作温度波动度真空度气氛环境惰性气体或真空结合的方法开展多因素耦合的总体架构设计提出了将力热耦合加载、材料力学性能并行测量、保护气氛(真空)环境重构等融为一体的测试技术实现了环境重构、协同控制、耦合加载、并行检测、分析处理的动态化、多参量与全流程的试验分析为超高温保护气氛(真空)环境下材料力学性能测试研究提供革新性的技术手段 整体功能方案如图 所示 试验系统的结构组成.试验系统的整体结构该试验系统主要由试验主机、保护气氛(真空)环境箱、耐高温夹具组件、变形测量系统、抽真空充气组件和循环水冷系统等部分组成 试验主机作为支撑基础其台面可用来为保护气氛(真空)环境箱提供牢固支撑与精确定位 保护气氛(真空)环境箱和抽真空充气组件配合使用实现所需要的保护气体环境和真空环境 由耐高温夹具和试样构建通.工程与试验 .图 机械系统功能方案图电闭合回路使试样自身发热从而实现超高温热加载功能变形测量系统与夹具配合可实现对被测试样变形损伤和断裂行为的试验测试 循环水冷系统为试验装置各部分提供循环冷却水以保证相关力学试验在 超高温条件下正常进行.试验主机试验主机由主机框架、加载驱动系统、测力传感器和控制系统等部分组成 主机框架采用四立柱门形结构稳固可靠 加载驱动系统由伺服电机、减速器、传动器等构成最大加载力为 测力传感器采用.级精度的测力传感器控制系统采用 型控制器.保护气氛(真空)环境箱与抽真空充气组件保护气氛(真空)环境箱和抽真空充气组件配合使用共同构建了保护气氛(真空)试验环境 保护气氛(真空)环境箱采用卧式圆筒状结构外形美观采用双层水冷结构前后箱门设有观察窗箱体上下设置力学加载口加载口端部通过波纹管与试验主机的力学加载装置接口配合实现加载过程中的密封 抽真空充气组件由真空机组、真空管道、高真空蝶阀、高真空微调阀及真空测量仪表等组成 保护气氛(真空)环境箱与抽真空充气组件整体结构如图 所示.真空机组.真空管道.电离规管.电阻规管.高真空蝶阀.高真空微调阀.力学加载口图 保护气氛(真空)环境箱与抽真空充气组件.耐高温夹具组件与温控系统如何实现 超高温热加载并保证超高温热加载时的温度均匀性是本试验装置的关键技术问题 本试验装置通过直流电源、耐高温夹具和试样构建通电闭合回路对试样通电使其自身发热通过控制电流大小来控制加载温度从而实现试样的超高温均匀热加载功能 其结构示意如图 所示 温控系统是以智能温控仪表为控制核心通过控制高精度线性直流电源的输出电流实现对试样温度的控制 采用光电比色计测量试样温度将温度反馈至智能温控仪表仪表控制电流的输出形成试样温度的闭环控制 温度控制原理如图 所示.绝缘组件.上夹头.垫块.试样.下夹头.销钉图 耐高温夹具组件图 温度控制原理.变形测量系统与测量方法试样在力热耦合加载过程中产生的高温变形通过引伸计变形测量方式采集测量拉伸与压缩试验采用侧插方式记录试样变形弯曲试验采用高温引伸杆和耐高温差动变压器配合使用来记录试样中心弯曲位移 变形测量系统中的传感器、放大器等不能耐受 的高温利用耐高温陶瓷材料与耐高温石墨材料制备成复合结构的引伸杆将试样形变引伸到可承受的较低温度环境并与位移传感器等功能部件配合使用 试验装置的系统集成与功能验证试验.机械系统的集成该试验系统整体以保护气氛(真空)环境箱为中心其余各功能模块围绕保护气氛(真空)环境箱在空间上辐射布置在实现预定功能的同时充分利用试样周围的空间 试验系工程与试验 .统结构紧凑、高度模块化各功能模块集成完毕后的整体如图 所示图 试验系统整体图.电气系统的集成电气控制系统由中央管理层和模块控制层组成 中央管理层负责控制任务的协调和分配模块控制层通过相互独立的控制器实现数据采集和控制任务并将关键数据传送到中央管理层 中央管理层主要由一台工控机和一套操作控制软件组成通过操作控制软件可实现多种试验任务设计、试验参数设定、控制指令发送、底层实时数据解析、试验信息显示与存储等功能 模块控制层主要由 控制器、水冷机控制器、温度控制器、复合真空计等功能模块子控制单元组成 子控制单元间相互独立互不干扰可快速完成对应功能模块的控制任务与中央管理层采用相互独立的通信线路进行数据的实时传输.仪器的功能验证测试通过进行测力系统、同轴度、高温加载、应变测量、真空环境构建等系列检验测试对该试验系统的技术指标进行验证开展复杂力热耦合测试试验验证试验系统的适用性与先进性 测试数据见表 符合鉴定要求表 测试数据检验项目技术指标实测结果最大试验力.力测量精度.工作温度范围 符合要求工作温度波动度.真空度.气氛环境惰性气体或真空符合要求 结束语本文介绍了 保护气氛(真空)环境通电加热试验系统的结构组成并开展了复杂力热耦合测试试验验证了仪器的适用性与先进性 该试验系统的研发具有一定的先进性及首创性为我国航空航天、核能等领域相关科研单位及企业开展难熔金属、复合材料等典型材料超高温力学性能测试提供了必备的仪器装备参考文献卢波姚丙南马双伟等.超高温真空(气氛)环境材料力学性能试验装置研发.工程与试验():.薛吉林刘孝亮范志超等.高温真空(充气)环境蠕变疲劳试验装置研发.工程与试验():.刘利强张为马双伟等.高温与超高温服役工况试验装置综述与展望.新技术新工艺():.刘利强张显程谈建平等.严苛环境高温力学试验技术研究进展.机械工程学报():.(上接第 页)段光福刘万超陈湘清等.江西某红土镍矿冶炼炉渣作水泥混合材.金属矿山():.祁皑刘旭宏杨绵越等.掺镍铁渣矿渣复合微粉混凝土配合比设计.混凝土与水泥制品():.(.).(.).朱恩欢林云腾龚涵等.高炉镍铁渣粉对混凝土性能的影响.混凝土与水泥制品():.水泥胶砂强度检验方法(法):/.汪潇张小婷金彪等.镍渣掺量对硅酸盐水泥物理力学性质的影响.硅酸盐通报():.用于水泥和混凝土中的粉煤灰:/.北京:中国标准出版社.用于水泥和混凝土中的镍铁渣粉:/.北京:中国标准出版社.工程与试验欢迎投稿投稿邮箱:.或 .联 系 人:王暖春 联系电话:欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.姚丙南等:保护气氛(真空)环境通电加热试验系统研发