本發(fā)明涉及一種涂層材料熱震/熱疲勞性能和輻射特性的測試裝置，具體涉及一種抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，屬于材料測試領(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。人類在進(jìn)行航天探索時(shí)，航天器需要經(jīng)受各種復(fù)雜空間環(huán)境因素的作用。空間環(huán)境因素是導(dǎo)致航天器抗氧化涂層性能退化的主要原因之一，甚至對在軌航天器的壽命與安全性造成嚴(yán)重的威脅?？臻g環(huán)境是指受到地球磁場、引力場和電磁輻射等控制的圍繞地球的空間范圍內(nèi)的環(huán)境，太陽活動是引起空間環(huán)境擾動的主要原因，是影響地球空間環(huán)境的主要因素。在空間環(huán)境下長期服役的航天器在低地球軌道運(yùn)行期間需要反復(fù)進(jìn)出地球陰影，當(dāng)進(jìn)入地球陰影后，航天器將向周圍的“冷背景空間”輻射能量而使其表面溫度降低；當(dāng)運(yùn)行出地球陰影后，航天器將吸收來自太陽輻射的能量而使其表面溫度升高。因此，航天器在軌運(yùn)行期間將遭遇環(huán)境溫度的交替變化。

通常，航天發(fā)動機(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2000℃左右。考慮到地面模擬試驗(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)動機(jī)抗氧化涂層相應(yīng)溫度工作區(qū)間匹配的設(shè)備。航天發(fā)動機(jī)抗氧化涂層在500℃以上區(qū)間工作時(shí)，其熱震/熱疲勞性能和輻射特性是衡量涂層性能的重要指標(biāo)。本發(fā)明主要針對航天發(fā)動機(jī)抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試。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。

目前國內(nèi)與國際上尚未有統(tǒng)一的抗氧化涂層材料熱震/熱疲勞性能的測試方法。當(dāng)前，抗氧化涂層熱震/熱疲勞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。

質(zhì)量法相較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熱震/熱疲勞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。但是質(zhì)量法無法解決抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間的熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前沒有抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間的熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置的問題，進(jìn)而提供一種抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置。

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

抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，包括爐體、冷卻水入口、冷卻水出口、引入電極、引出電極、高溫夾具、空氣入口、空氣出口、通風(fēng)裝置、上表面觀察窗口、發(fā)射率測量裝置、下表面觀察口、半透半反鏡、測溫裝置、CCD、兩個(gè)加熱體及兩個(gè)加熱體冷卻層；

所述的爐體水平設(shè)置，爐體的內(nèi)壁上沿水平方向相對設(shè)置有兩個(gè)盲孔，所述的兩個(gè)加熱體與所述的兩個(gè)盲孔一一對應(yīng)設(shè)置，兩個(gè)加熱體一端固定在兩個(gè)盲孔內(nèi)，兩個(gè)加熱體另一端置于爐體的中心腔內(nèi)，兩個(gè)加熱體所述的另一端與所述的高溫夾具可拆卸連接，爐體的側(cè)壁包裹兩個(gè)加熱體一的部分為兩個(gè)加熱體冷卻層，爐體上方設(shè)有與爐體中心腔相通的上開孔，所述的上開孔處設(shè)置上表面觀察窗口，爐體下方設(shè)有與爐體中心腔相通的下開孔，所述的下開孔處設(shè)置下表面觀察窗口，爐體的側(cè)壁內(nèi)設(shè)置有兩條冷卻水通道，所述的兩條冷卻水通道上端與上開孔相通，兩條冷卻水通道下端與下開孔相通，每條所述的冷卻水通道中部設(shè)置在對應(yīng)的加熱體冷卻層內(nèi)部，爐體的側(cè)壁上分別固定有冷卻水入口和冷卻水出口，所述的冷卻水入口與其中一條冷卻水通道相通，所述的冷卻水出口與另一條冷卻水通道相通，所述的引入電極和引出電極7均插入爐體內(nèi)，引入電極與冷卻水入口相鄰設(shè)置并與所對應(yīng)的加熱體連接，所述的引出電極與冷卻水出口相鄰設(shè)置并與所對應(yīng)的加熱體連接，爐體上端設(shè)有空氣入口，爐體下端設(shè)有空氣出口，所述的空氣入口與通風(fēng)裝置出風(fēng)口連通，所述的發(fā)射率測量裝置設(shè)置在上表面觀察窗口的正上方，所述的半透半反鏡及測溫裝置由上至下設(shè)置在下表面觀察窗口的正下方，且半透半反鏡與水平面成夾角設(shè)置，所述的CCD設(shè)置在半透半反鏡一側(cè)。

本發(fā)明的原理是：

根據(jù)傳熱原理，試樣加熱時(shí)所需的功率P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)的對流熱損失P₄和高溫夾具傳導(dǎo)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，T₁為空氣的熱力學(xué)溫度(K)；T₂＝t₂+273,T₂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

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

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表示爐體側(cè)壁的層數(shù)，m取值為4。

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

P₄＝πdHhΔt(4)

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

高溫夾具傳導(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。試樣由高溫夾具吊裝進(jìn)入爐體中，當(dāng)高溫夾具造成熱損失時(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為高溫夾具內(nèi)表面溫度(℃)，由于高溫夾具與試樣直接接觸，可以取t_B為試樣溫度；t_H為高溫夾具外表面溫度(℃)，n為高溫夾具的數(shù)量，F(xiàn)為高溫夾具與試樣的接觸面積(m²)，s為高溫夾具的壁厚(m)，λ為高溫夾具材料的熱導(dǎo)率(kW/(m·K))。

根據(jù)焦耳-楞茨定律，電阻直接加熱，爐體內(nèi)的試樣被高溫夾具夾緊，試樣本身內(nèi)部電阻電能轉(zhuǎn)換為熱能。因?yàn)闆]有加熱元件，加熱速度很快，熱損失小，熱效率高，熱量的產(chǎn)生取決于試樣的電阻和通過的電流，一般試樣的電阻較小，必須供給低電壓大電流的電源。其熱量計(jì)算公式為

Q＝I²Rt(6)

其中，Q為電流通過試樣所產(chǎn)生的熱量(J)，I為通過試樣的電流(A)，R為試樣的電阻(Ω)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：本發(fā)明具有能夠測量試樣抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間的熱震/熱疲勞性能和輻射特性，加熱速度快且可控(最大加熱速度為200K/min)，并能高精度測量，溫度控制精度可達(dá)±5℃，能夠保持恒溫，不確定度小，光譜分辨率高(可達(dá)1nm)，測量波段寬(光譜范圍可達(dá)0.285～28μm)的優(yōu)點(diǎn)。

熱震/熱疲勞性能主要指涂層材料承受一定程度的溫度急劇變化而結(jié)構(gòu)不致被破壞的性能，又稱抗熱沖擊性或熱穩(wěn)定性。主要通過對試樣在設(shè)備中溫度的急劇變化之后出現(xiàn)破壞及失效后的觀察及稱重來測量。輻射性能是通過測量試樣的發(fā)射率來獲得。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置的整體結(jié)構(gòu)主視圖。

圖中：爐體1、冷卻水通道2、冷卻水入口3、冷卻水出口4、加熱體5、引入電極6、引出電極7、高溫夾具8、加熱體冷卻層9、空氣入口10、空氣出口11、通風(fēng)裝置12、上表面觀察窗口13、發(fā)射率測量裝置14、下表面觀察口15、半透半反鏡16、測溫裝置17、CCD18、試樣19。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，本實(shí)施方式基于傳熱原理設(shè)計(jì)了抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，包括爐體1、冷卻水入口3、冷卻水出口4、引入電極6、引出電極7、高溫夾具8、空氣入口10、空氣出口11、通風(fēng)裝置12、上表面觀察窗口13、發(fā)射率測量裝置14、下表面觀察口15、半透半反鏡16、測溫裝置17、CCD18、兩個(gè)加熱體5及兩個(gè)加熱體冷卻層9；

所述的爐體1水平設(shè)置，爐體1的內(nèi)壁上沿水平方向相對設(shè)置有兩個(gè)盲孔，所述的兩個(gè)加熱體5與所述的兩個(gè)盲孔一一對應(yīng)設(shè)置，兩個(gè)加熱體5一端固定在兩個(gè)盲孔內(nèi)，兩個(gè)加熱體5另一端置于爐體1的中心腔內(nèi)，兩個(gè)加熱體5所述的另一端與所述的高溫夾具8可拆卸連接，爐體1的側(cè)壁包裹兩個(gè)加熱體一5的部分為兩個(gè)加熱體冷卻層9，爐體1上方設(shè)有與爐體1中心腔相通的上開孔，所述的上開孔處設(shè)置上表面觀察窗口13，爐體1下方設(shè)有與爐體1中心腔相通的下開孔，所述的下開孔處設(shè)置下表面觀察窗口15，爐體1的側(cè)壁內(nèi)設(shè)置有兩條冷卻水通道2，所述的兩條冷卻水通道2上端與上開孔相通，兩條冷卻水通道2下端與下開孔相通，每條所述的冷卻水通道2中部設(shè)置在對應(yīng)的加熱體冷卻層9內(nèi)部，爐體1的側(cè)壁上分別固定有冷卻水入口3和冷卻水出口4，所述的冷卻水入口3與其中一條冷卻水通道2相通，所述的冷卻水出口4與另一條冷卻水通道2相通，所述的引入電極6和引出電極7均插入爐體1內(nèi)，引入電極6與冷卻水入口3相鄰設(shè)置并與所對應(yīng)的加熱體9連接(用于給該加熱體9供電)，所述的引出電極7與冷卻水出口4相鄰設(shè)置并與所對應(yīng)的加熱體9連接(用于給該加熱體9供電)，爐體1上端設(shè)有空氣入口10，爐體1下端設(shè)有空氣出口11，所述的空氣入口10與通風(fēng)裝置12出風(fēng)口連通，所述的發(fā)射率測量裝置14設(shè)置在上表面觀察窗口13的正上方，所述的半透半反鏡16及測溫裝置17由上至下設(shè)置在下表面觀察窗口15的正下方，且半透半反鏡16與水平面成夾角α設(shè)置，所述的CCD18設(shè)置在半透半反鏡16一側(cè)。試樣18產(chǎn)生的輻射透過下表面觀察窗口15照射到半透半反鏡16上，一部分透射被測溫裝置17接收，其余反射被CCD18接收，通過發(fā)射率測量裝置14、測溫裝置17記錄測量結(jié)果，通過CCD18觀察試樣。

本實(shí)施方式中，所述的半透半反鏡16與水平面所成夾角α＝45°。

本實(shí)施方式中的通風(fēng)裝置12為現(xiàn)有技術(shù)，采用大功率風(fēng)扇，功率為200W。

本實(shí)施方式中的發(fā)射率測量裝置14為現(xiàn)有技術(shù)，可采用王新北,蕭鵬,戴景民.基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發(fā)射率測量裝置的研制[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2007,26(2):149-152中公開的發(fā)射率測量裝置。

本實(shí)施方式中的測溫裝置17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。

CCD18為現(xiàn)有技術(shù)，采用AFT-VD系列高速工業(yè)CCD相機(jī)。

該實(shí)施方式具有高精度測量、加熱速度快、能夠保持恒溫、不確定度小、光譜分辨率高、測量波段寬的優(yōu)點(diǎn)。

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500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，所述的兩個(gè)加熱體5均為管形石墨加熱體。能夠?qū)⒑教彀l(fā)動機(jī)抗氧化涂層試樣加熱到500～2300℃。

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500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，所述的測溫裝置17為HIT-3型比色高溫計(jì)。測溫最高可達(dá)2500℃，能夠完成本發(fā)明所覆蓋溫度區(qū)間的準(zhǔn)確測量。

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500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，所述的發(fā)射率測量裝置14為FT-IR6000傅里葉光譜儀或SR2000光纖光譜儀。能夠?qū)崿F(xiàn)光譜測量范圍0.285～28μm，測量不確定度優(yōu)于5％，光譜分辨率1nm。

具體實(shí)施方式五：如圖1所示，具體實(shí)施方式四所述的抗氧化涂層在500～2300℃區(qū)間熱震/熱疲勞性能和輻射特性測試裝置，所述的FT-IR6000傅里葉光譜儀或SR2000光纖光譜儀的光譜范圍為0.285～28μm，光譜分辨率為1nm。

工作原理：

爐體1放置在水平面上，爐體1與引入電極6及引出電極7連接，冷卻水2通過冷卻水入口3流入，經(jīng)過爐體1的冷卻水通道2從冷卻水出口4流出，對爐體1進(jìn)行冷卻。加熱體5通過引入電極6和引出電極7進(jìn)行通電，對試樣19進(jìn)行加熱，試樣19用高溫夾具8進(jìn)行固定，根據(jù)試驗(yàn)需要，采用爐外稱重法對試樣19進(jìn)行稱重。冷卻水通道2里通入冷卻水2，并通過加熱體冷卻層9對加熱體5進(jìn)行冷卻。爐體1上方開孔為上表面觀察窗口13，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段時(shí)卸下上表面觀察窗口13，用以對試樣19進(jìn)行安裝和固定；在測量時(shí)安裝上表面觀察窗口13，同時(shí)發(fā)射率測量裝置14透過上表面觀察窗口13對試樣19進(jìn)行測試，在爐體1下方也開啟下表面觀察窗口15，試樣19輻射的光線通過下表面觀察窗口15照射到半透半反鏡16上，將光束一分為二，一部分光束透過半透半反鏡16照射到測溫裝置17上進(jìn)行測量，其余光線則反射到CCD18上進(jìn)行測量，通過發(fā)射率測量裝置14、測溫裝置17記錄測量結(jié)果，通過CCD18觀察試樣表面狀態(tài)。

主題名稱中的“/”表示“或”的關(guān)系。