一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法，該實驗系統(tǒng)包括機架、位移模塊、加熱模塊、內(nèi)部冷卻模塊、外部降溫模塊、測量與控制模塊。其中所述機架與位移模塊承載試件進、出加熱及外部降溫模塊；加熱模塊提供持久高溫環(huán)境以進行氧化?燒結(jié)?相變實驗；內(nèi)部冷卻與加熱模塊協(xié)同形成沿試件厚度方向的梯度溫度場以模擬真實服役工況；外部降溫模塊對試件快速冷卻以完成熱沖擊；測量與控制模塊采集溫度、流速等實驗參數(shù)，并調(diào)控各模塊協(xié)同工作。本發(fā)明提供了一種經(jīng)濟、安全、可靠地實現(xiàn)持久梯度溫度場的聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法，并可通過參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)包括但不限于常規(guī)熱循環(huán)/沖擊、梯度溫度場氧化/燒結(jié)、等溫氧化/燒結(jié)等實驗。
【專利說明】
一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
:
[0001]本發(fā)明屬于熱處理領(lǐng)域，涉及循環(huán)梯度溫度場下的試件熱處理，尤其是涉及一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法。【背景技術(shù)】:
[0002]在航天航空、能源、電力等諸多現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，熱端部件往往工作在復(fù)雜溫度場中，尤其是一側(cè)受熱、一側(cè)冷卻的梯度溫度場;服役過程中，又不可避免的會經(jīng)歷包括但不限于起、停機帶來的熱沖擊;長期高溫環(huán)境引起的氧化-燒結(jié)-相變等一系列過程會導(dǎo)致熱端部件力、熱學(xué)性能退化。因此，研究持久梯度溫度場中熱沖擊作用下熱端部件的性能與壽命對于其安全服役至關(guān)重要。然而，目前現(xiàn)有的兩類主流高溫實驗系統(tǒng)均無法滿足持久梯度溫度場熱沖擊實驗要求:其一，以氧化爐為代表的高溫試驗設(shè)備可以提供長時間均勻溫度場，進一步改造后可實現(xiàn)熱沖擊，但無法形成梯度溫度場，難以模擬熱端部件實際服役環(huán)境;其二，以燃?xì)鉄釠_擊系統(tǒng)為代表的高溫試驗設(shè)備可以模擬梯度溫度場下的熱沖擊，但限于運行成本極高，不適于提供持久梯度溫度場。此外，高溫實驗危險性較大，不宜實驗人員過多干預(yù)，需要實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。
[0003]綜上所述，研究熱端部件實際服役環(huán)境中的性能及壽命，需要一種能夠提供持久梯度溫度場的聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:模擬真實服役工況的持久梯度溫度場下熱沖擊實驗及其測量與控制，因此，提供了一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)與方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，包括機架，以及安裝在機架上的位移模塊、加熱模塊、內(nèi)部冷卻模塊、外部降溫模塊以及測量與控制模塊;其中，
[0007]試件固定在位移模塊上，并與內(nèi)部冷卻模塊連接;加熱模塊用于對試件進行加熱， 內(nèi)部冷卻模塊用于在加熱同時對試件內(nèi)表面進行冷卻從而形成持久梯度溫度場以模擬真實服役工況下的氧化-燒結(jié)-相變過程，外部降溫模塊用于對加熱后的試件外表面進行迅速冷卻從而施加熱沖擊載荷，測量與控制模塊用于采集并記錄加熱模塊的熱環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，并調(diào)控加熱模塊的高溫?zé)彷d荷譜及通過位移模塊協(xié)調(diào)試件動作位移。
[0008]本發(fā)明進一步的改進在于，機架包括鋁合金桁架結(jié)構(gòu)以及外覆鋁合金板。
[0009]本發(fā)明進一步的改進在于，位移模塊包括限定試件定向位移的導(dǎo)軌以及控制試件位移的作動機構(gòu)。[0010 ]本發(fā)明進一步的改進在于，作動機構(gòu)為步進電機。
[0011]本發(fā)明進一步的改進在于，加熱模塊為管式爐，用于提供持久高溫環(huán)境及便于試件進出工位。
[0012]本發(fā)明進一步的改進在于，內(nèi)部冷卻模塊為高溫合金管，高溫合金管內(nèi)通入壓縮空氣以在加熱同時對試件內(nèi)表面進行冷卻，形成梯度溫度場。
[0013]本發(fā)明進一步的改進在于，外部降溫模塊通過壓縮空氣或液體對加熱后的試件外表面進行迅速冷卻從而形成熱沖擊。
[0014]本發(fā)明進一步的改進在于，測量與控制模塊嵌于機架內(nèi)部，通過熱電偶采集并記錄加熱模塊的環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，并通過PLC調(diào)控加熱模塊的環(huán)境溫度及通過位移模塊協(xié)調(diào)試件動作位移。
[0015]—種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗方法，該實驗方法基于上述的實驗系統(tǒng)， 包括以下步驟:
[0016]1)將試件安裝在位移模塊上，并與內(nèi)部冷卻模塊、測量與控制模塊連接；
[0017]2)試件隨位移模塊到達工作位置后，同時啟動加熱模塊及內(nèi)部冷卻模塊從而形成持久梯度溫度場；
[0018]3)在持梯度溫度場中氧化-燒結(jié)-相變一段時間后，試件隨位移模塊退出工作位置，在外部降溫模塊處由壓縮氣體/液體進行快速冷卻從而形成熱沖擊；
[0019]4)測量與控制模塊實時采集加熱模塊的環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，控制加熱模塊及內(nèi)外部冷卻模塊的熱載荷譜，調(diào)節(jié)位移模塊的位置。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:[0021 ]本發(fā)明一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:
[0022]1.形成持久高溫梯度溫度場一一基于包括但不限于管式爐的加熱模塊提供持久高溫環(huán)境，采用包括但不限于壓縮空氣的內(nèi)部冷卻模塊產(chǎn)生沿試件厚度方向的梯度溫度場；
[0023]2.實現(xiàn)氧化-燒結(jié)-相變聯(lián)合熱沖擊一一在上述持久高溫梯度溫度場中長時保溫可進行試件的氧化-燒結(jié)-相變實驗，試件退出加熱模塊后在外部冷卻模塊中由包括但不限于壓縮氣體/液體快速冷卻降溫以實現(xiàn)熱沖擊；
[0024]3.高溫測量及實驗過程自動控制及數(shù)據(jù)記錄一一通過包括但不限于熱電偶采集并記錄加熱模塊的環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，并通過包括但不限于PLC調(diào)控加熱模塊的環(huán)境溫度，通過包括但不限于步進電機協(xié)調(diào)試件隨位移模塊動作位移。
[0025]本發(fā)明一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗方法，將管狀試件固定在位移模塊上并與內(nèi)部冷卻模塊、測量與控制模塊連接;試件隨位移模塊到達工作位置后，同時啟動加熱模塊及內(nèi)部冷卻模塊從而形成持久梯度溫度場;在持梯度溫度場中氧化-燒結(jié)-相變一段時間后，試件隨位移模塊退出工作位置，在外部降溫模塊處由壓縮氣體/液體進行快速冷卻從而形成熱沖擊;測量與控制模塊實時采集加熱模塊的環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，控制加熱模塊及內(nèi)外部冷卻模塊的熱載荷譜，調(diào)節(jié)位移模塊的位置。
[0026]進一步的，根據(jù)實驗需求改變部分相關(guān)參數(shù)，即可進行包括但不限于常規(guī)熱循環(huán)/ 沖擊、梯度溫度場氧化/燒結(jié)、等溫氧化/燒結(jié)等相關(guān)實驗?！靖綀D說明】:
[0027]圖1?4分別為本發(fā)明的軸、主、左及俯示意圖，其中加熱模塊、內(nèi)部冷卻模塊、外部降溫模塊、位移模塊、測量與控制模塊均集成在機架上。
[0028]圖中:1、機架，2、位移模塊，3、加熱模塊，4、內(nèi)部冷卻模塊，5、外部降溫模塊，6、測量與控制模塊；
[0029]2-1、導(dǎo)軌，2-2、作動機構(gòu)，3-1、加熱主體，3-2、爐溫測量機構(gòu)，3-3、管式爐控溫面板?！揪唧w實施方式】:
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明:
[0031]如圖1?4所示，本發(fā)明一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，包括機架1、 位移模塊2、加熱模塊3、內(nèi)部冷卻模塊4、外部降溫模塊5以及測量與控制模塊6;其中，機架1 采用包括但不限于鋁合金桁架結(jié)構(gòu)外覆鋁合金板，為實驗系統(tǒng)提供支撐;位移模塊2固定在機架1上，包括導(dǎo)軌2-1限定試件定向位移，以及包括但不限于步進電機的作動機構(gòu)2-2精確控制試件位移;加熱模塊3采用包括但不限于高溫管式爐固定在機架1上，包括加熱主體3-1 提供持久高溫環(huán)境，爐溫測量機構(gòu)3-2，和管式爐控溫面板3-3;內(nèi)部冷卻模塊4采用包括但不限于高溫合金管，高溫合金管內(nèi)通過包括但不限于壓縮空氣以對高溫試件內(nèi)表面進行冷卻，與加熱模塊3協(xié)同形成梯度溫度場;外部降溫模塊5固定于機架1上，外部降溫模塊5內(nèi)部通過包括但不限于壓縮空氣或液體在試件退出加熱模塊3后對試件進行快速冷卻，實現(xiàn)熱沖擊;測量與控制模塊6嵌于機架1內(nèi)部，通過包括但不限于熱電偶采集并記錄爐溫及試件溫度，采用包括但不限于PLC控制方法調(diào)控爐溫及協(xié)調(diào)試件動作位移。
[0032]本發(fā)明一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)的實驗方法如下:
[0033]使用本發(fā)明提供的梯度溫度場下長期熱沖擊實驗系統(tǒng)時，先啟動機架1，為該系統(tǒng)中的其他設(shè)備供電；然后將管狀試件固定在位移模塊2上，并與內(nèi)部冷卻模塊4連接;在測量與控制模塊6的控制面板上按照包括但不限于持久梯度溫度場下氧化_燒結(jié)-相變聯(lián)合熱沖擊或常規(guī)熱循環(huán)/沖擊或梯度溫度場氧化/燒結(jié)或等溫氧化/燒結(jié)等實驗的需求設(shè)定爐溫、 試件溫度采集頻率、內(nèi)部冷卻氣/液體流速等測量相關(guān)參數(shù)，設(shè)定試件進退速率、爐內(nèi)外停留時間等控制位移模塊2的相關(guān)參數(shù)，設(shè)定升、降溫速率、高溫保溫溫度與時長等控制加熱模塊3的相關(guān)參數(shù)，設(shè)定內(nèi)部冷卻氣體流動時長及流速等控制內(nèi)部冷卻模塊4的相關(guān)參數(shù)， 設(shè)定外部降溫氣/液體噴射時長與流速等控制外部降溫模塊5的相關(guān)參數(shù);最后啟動實驗系統(tǒng)，按照預(yù)設(shè)的運行參數(shù)進行實驗。例如持久梯度溫度場氧化_燒結(jié)-相變聯(lián)合熱沖擊實驗可參考包括但不限于如下參數(shù):爐溫、試件溫度、內(nèi)部冷卻氣/液體流速采集頻率15次/分鐘，試件步進速率600毫米/分鐘，爐內(nèi)、外分別停留55、5分鐘，爐溫1200攝氏度保溫3000分鐘，內(nèi)部冷卻氣體始終維持20升/分鐘的流速，外部降溫氣體以50升/分鐘速率在試件退出加熱模塊后對試件噴射5分鐘降溫；當(dāng)加熱模塊3的爐溫達到1200攝氏度后，試件通過位移模塊2驅(qū)動進入加熱模塊3，在加熱模塊3的高溫場和內(nèi)部冷卻模塊4提供的冷卻氣體的共同作用下沿試件直徑方向產(chǎn)生梯度高溫溫度場，從而進行梯度溫度場下的氧化-燒結(jié)-相變過程，在該梯度溫度場中熱處理55分鐘后通過位移模塊2驅(qū)動退出加熱模塊3,在外部降溫模塊5中由其中噴射的冷卻氣體快速降溫5分鐘，即完成一次升、降溫?zé)釠_擊過程，每5次熱沖擊完成后試件退出外部降溫模塊5進行失效檢查，測量與控制模塊6自動采集并記錄爐溫、 試件溫度及內(nèi)部冷卻氣體流速等相關(guān)參數(shù)。將上述設(shè)定稍作改變即可實現(xiàn)包括但不限于快速梯度溫度場熱沖擊或常規(guī)熱循環(huán)/沖擊或梯度溫度場氧化/燒結(jié)或等溫氧化/燒結(jié)等實驗。
[0034]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于由本發(fā)明提交的權(quán)利要求書所確定的專利保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括機架(1)，以及安裝 在機架(1)上的位移模塊(2)、加熱模塊(3)、內(nèi)部冷卻模塊(4)、外部降溫模塊(5)以及測量 與控制模塊(6);其中，試件固定在位移模塊(2)上，并與內(nèi)部冷卻模塊(4)連接;加熱模塊(3)用于對試件進行 加熱，內(nèi)部冷卻模塊(4)用于在加熱同時對試件內(nèi)表面進行冷卻從而形成持久梯度溫度場 以模擬真實服役工況下的氧化-燒結(jié)-相變過程，外部降溫模塊(5)用于對加熱后的試件外 表面進行迅速冷卻從而施加熱沖擊載荷，測量與控制模塊(6)用于采集并記錄加熱模塊(3) 的熱環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，并調(diào)控加熱模塊(3)的高溫?zé)彷d荷譜及通過位移模塊 (2)協(xié)調(diào)試件動作位移。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，機 架(1)包括鋁合金桁架結(jié)構(gòu)以及外覆鋁合金板。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，位 移模塊(2)包括限定試件定向位移的導(dǎo)軌(2-1)以及控制試件位移的作動機構(gòu)(2-2)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，作 動機構(gòu)(2_2)為步進電機。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，加 熱模塊(3)為管式爐，用于提供持久高溫環(huán)境及便于試件進出工位。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi) 部冷卻模塊(4)為高溫合金管，高溫合金管內(nèi)通入壓縮空氣以在加熱同時對試件內(nèi)表面進 行冷卻，形成梯度溫度場。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，夕卜 部降溫模塊(5)通過壓縮空氣或液體對加熱后的試件外表面進行迅速冷卻從而形成熱沖擊。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗系統(tǒng)，其特征在于，測 量與控制模塊(6)嵌于機架(1)內(nèi)部，通過熱電偶采集并記錄加熱模塊(3)的環(huán)境溫度及試 件內(nèi)外表面溫度，并通過PLC調(diào)控加熱模塊(3)的環(huán)境溫度及通過位移模塊(2)協(xié)調(diào)試件動 作位移。9.一種持久梯度溫度場下聯(lián)合熱沖擊實驗方法，其特征在于，該實驗方法基于權(quán)利要 求1至8中任一項所述的實驗系統(tǒng)，包括以下步驟:1)將試件安裝在位移模塊(2)上，并與內(nèi)部冷卻模塊(4)、測量與控制模塊(6)連接；2)試件隨位移模塊(2)到達工作位置后，同時啟動加熱模塊(3)及內(nèi)部冷卻模塊(4)從 而形成持久梯度溫度場；3)在持梯度溫度場中氧化-燒結(jié)-相變一段時間后，試件隨位移模塊(2)退出工作位置， 在外部降溫模塊(5)處由壓縮氣體/液體進行快速冷卻從而形成熱沖擊；4)測量與控制模塊(6)實時采集加熱模塊(3)的環(huán)境溫度及試件內(nèi)外表面溫度，控制加 熱模塊及內(nèi)外部冷卻模塊的熱載荷譜，調(diào)節(jié)位移模塊(2)的位置。
【文檔編號】G01N3/60GK106092801SQ201610378425
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】王鐵軍, 呂伯文, 李定駿, 范學(xué)領(lǐng)
【申請人】西安交通大學(xué)