高溫與超高溫服役工況試驗(yàn)裝置綜述與展望

劉利強(qiáng)，張 為，馬雙偉，王 慧

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

近年來(lái)，隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高沖質(zhì)比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)及核聚變反應(yīng)堆、高性能汽車(chē)材料和軌道交通的發(fā)展，對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)試溫度要求更高，要求模擬試驗(yàn)環(huán)境更多樣性。目前，國(guó)內(nèi)罕有高溫與超高溫服役工況下高端力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，而國(guó)外產(chǎn)品由于技術(shù)和軍事壟斷一直被限制進(jìn)口，使我國(guó)航空、航天等國(guó)防領(lǐng)域用戶(hù)的需求受到很大制約[1-2]。為金屬與非金屬材料在高溫與超高溫服役工況下的應(yīng)用提供全面的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確參考，可確保產(chǎn)品安全可靠，有效提高我國(guó)國(guó)防軍工等領(lǐng)域產(chǎn)品的整體技術(shù)水平。

1 高溫與超高溫環(huán)境試驗(yàn)裝置

1.1 分類(lèi)

高溫試驗(yàn)裝置分類(lèi)方式很多，按照溫度可分為高溫和超高溫。高溫試驗(yàn)裝置的溫度一般為300～1 000 ℃或1 000～2 000 ℃，超高溫試驗(yàn)裝置的溫度一般為2 000 ℃以上。

1.2 保溫材料

溫度試驗(yàn)采用的保溫材料種類(lèi)繁多，常用的保溫材料有：金屬材料(見(jiàn)圖1)，如不銹鋼、鎳基合金、鉬合金和鎢合金等；陶瓷材料(見(jiàn)圖2)，如氧化鋁陶瓷、硅酸鋁陶瓷、硅酸鋁陶瓷纖維、氧化鋁陶瓷纖維和多晶莫來(lái)石等；石墨類(lèi)材料(見(jiàn)圖3)，如石墨板、碳紙、石墨粘、碳粘和碳纖維編織等。

圖1 金屬隔熱屏

圖2 陶瓷類(lèi)隔熱材料

圖3 石墨隔熱材料

對(duì)于金屬多層保溫材料，一般不銹鋼使用在650 ℃以下，高溫合金使用在900 ℃以下，鉬合金使用在1 600 ℃以下，鎢合金使用在2 200 ℃以下，根據(jù)不同加熱爐的類(lèi)型選擇不同的金屬隔熱材料。陶瓷類(lèi)隔熱材料是目前應(yīng)用較為廣泛的保溫材料，具有價(jià)格低、種類(lèi)多和加工方便的優(yōu)點(diǎn)。石墨隔熱材料主要用于真空或惰性氣體環(huán)境下，以及溫度為2 000 ℃以上的高溫環(huán)境下。

1.3 加熱方式

高溫加熱方式包括輻射加熱、感應(yīng)加熱和通電加熱(見(jiàn)圖4～圖6)。各種加熱方式的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用工況見(jiàn)表1。

圖4 輻射加熱 圖5 感應(yīng)加熱

圖6 通電加熱

加熱方式加熱原理特點(diǎn)加熱溫度/℃應(yīng)用工況輻射加熱 將發(fā)熱原件作為熱源,熱量輻射到試樣 升溫慢,但溫度均勻性好,對(duì)試樣材質(zhì)沒(méi)有要求300～2 500真空或氣氛感應(yīng)加熱 電磁感應(yīng)集膚效應(yīng)對(duì)試樣加熱 升降溫快,效率高,極限溫度高,溫度均勻性差,內(nèi)外溫度差較大,且必需是導(dǎo)磁材質(zhì)試樣300～2 800 真空或氣氛通電加熱 試樣自身產(chǎn)生焦耳熱 升降溫快,升溫效率高,極限溫度高,溫度均勻性較差,必需是導(dǎo)電材質(zhì)試樣300～3 000 真空或氣氛

1.3.1 輻射加熱

輻射加熱是利用高溫?zé)嵩瘁尫诺妮椛淠芤噪姶挪ǖ男问綄?duì)試件進(jìn)行加熱。輻射加熱是熱環(huán)境實(shí)現(xiàn)中最為常見(jiàn)的方式。輻射加熱采用發(fā)熱體材料分布廣泛，包括鎳鉻、鐵鉻鋁、硅碳、硅鉬、鎢合金、鉬合金、鉭鎢合金、鈮鎢合金和石墨[3]等。輻射加熱主要特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 高溫輻射加熱發(fā)熱體材質(zhì)及特點(diǎn)

根據(jù)試樣尺寸規(guī)格，可將發(fā)熱體設(shè)計(jì)成1段和多段進(jìn)行加熱。常用的加熱方式為1段、2段或3段加熱，只需滿(mǎn)足GB/T 2039—2012 《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》的要求[4](見(jiàn)表3)。1段加熱主要用于發(fā)熱體形狀特殊，且不便于安裝的環(huán)境裝置，比如硅鉬棒加熱、超高溫加熱等；多段加熱主要用于軸向均溫區(qū)要求較高的設(shè)備，比如試樣尺寸較大的測(cè)試設(shè)備等。

表3 金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法對(duì)溫度梯度和波動(dòng)度的要求

發(fā)熱體形狀可以設(shè)置成為螺旋狀、單絲狀、直棒狀、多段直棒狀、U型棒狀、W型棒狀、狀板狀、U型板狀和W型板狀，目前使用較多的大氣爐一般以螺旋狀、單絲狀為主，其他形狀發(fā)熱體主要為真空充氣環(huán)境、腐蝕環(huán)境或者超高溫大氣環(huán)境裝置使用。

1.3.2 感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱可分為高頻感應(yīng)加熱(10 kHz以上)、中頻感應(yīng)加熱(1～10 kHz)和低頻感應(yīng)加熱(1 kHz以?xún)?nèi))。感應(yīng)加熱是應(yīng)用高頻、中頻或低頻交流電源，通過(guò)感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)使工件中產(chǎn)生出感應(yīng)電流，因集膚效應(yīng)，在加熱的過(guò)程中，試件表面首先產(chǎn)生熱量，通過(guò)熱傳導(dǎo)將整個(gè)試樣加熱。感應(yīng)加熱試件表面溫度和中心溫度存在差異，這種差異可以通過(guò)頻率來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。依據(jù)試件尺寸合理選擇感應(yīng)頻率，頻率越高，加熱的深度越淺。高頻感應(yīng)加熱的深度為0.5～2.5 mm，一般用于小型試樣的加熱；中頻感應(yīng)加熱深度為2～10 mm，一般用于中型試樣的加熱[5]；低頻感應(yīng)加熱深度為10～20 mm，一般用于大型試樣或者特殊構(gòu)件試樣的加熱。

1.3.3 通電加熱

通電加熱分為直流通電加熱和交流通電加熱。直流通電加熱是利用大功率直流開(kāi)關(guān)電源對(duì)試樣通電加熱，直流通電加熱的電磁場(chǎng)相對(duì)較為穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)裝置電器元件的電磁干擾比較好控制，但設(shè)備成本相對(duì)較高；交流通電加熱是通過(guò)傳統(tǒng)變壓器對(duì)試樣通電加熱，成本低，但是電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁控制較難。

1.4 環(huán)境氣氛

高溫與超高溫環(huán)境試驗(yàn)裝置可適用于大氣環(huán)境、真空環(huán)境和充氣環(huán)境等。大氣環(huán)境主要用于常規(guī)耐氧化材料的力學(xué)性能測(cè)試，包括普通鋼材、高溫合金和非金屬材料等；真空環(huán)境主要應(yīng)用在超高溫合金、易氧化的材料，如難熔金屬、復(fù)合材料等；充氣環(huán)境可根據(jù)試驗(yàn)要求，完成特殊環(huán)境氣氛，特殊腐蝕環(huán)境廣泛用于石油石化、核電、核物理等領(lǐng)域，針對(duì)這些領(lǐng)域的特點(diǎn)，腐蝕環(huán)境包括高溫、高壓、鹽霧、硫化氫和超純水等環(huán)境下，甚至還有多種環(huán)境耦合測(cè)試，進(jìn)而完成近服役環(huán)境下材料力學(xué)性能測(cè)試。

1.5 主要參數(shù)

高溫與超高溫環(huán)境試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與選型時(shí)需要分析試驗(yàn)需求，包括試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)空間、試驗(yàn)環(huán)境和加熱方式等，主要依據(jù)參數(shù)見(jiàn)表4[6]。

表4 高溫與超高溫環(huán)境裝置主要依據(jù)參數(shù)

2 發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)在各類(lèi)測(cè)試儀或試驗(yàn)機(jī)上使用的大氣下高溫爐，由于受加熱元件和夾具材料限制，最高溫度≤1 200 ℃。為滿(mǎn)足最高溫度1 500 ℃的高溫試驗(yàn)、氣氛模擬試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出更高溫度的環(huán)境裝置是大勢(shì)所趨；然而選取加熱元件、加熱方式，增加復(fù)雜氣氛模擬都是亟須解決的技術(shù)難題，特別是石油化工、核工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域，高溫高壓腐蝕環(huán)境類(lèi)試驗(yàn)裝置、極低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置等極端環(huán)境下完成材料服役工況下力學(xué)性能的測(cè)試，是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高溫與超高溫試驗(yàn)裝置進(jìn)行概述，介紹了高溫與超高溫環(huán)境試驗(yàn)裝置的氣氛環(huán)境及主要參數(shù)，分析了未來(lái)高溫與超高溫環(huán)境試驗(yàn)裝置的發(fā)展趨勢(shì)。

由于熱環(huán)境模擬服役工況極端環(huán)境試驗(yàn)裝置涉及敏感技術(shù)，國(guó)外此類(lèi)試驗(yàn)裝備一直對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖，因此，研究發(fā)展我國(guó)高溫與超高溫類(lèi)試驗(yàn)裝置，為航空航天等國(guó)防技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平提供必要的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于保障產(chǎn)品質(zhì)量安全，提升中國(guó)制造的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)國(guó)力，支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到重要作用，社會(huì)意義極其重大。