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超高温结构陶瓷力学试验设备选择方法

2017-06-01 15:40:35


  随着我国航空、航天技术的飞速发展,发动机、涡轮叶片材料向着更为耐高温、更轻质化、更高强度的方向发展,其中C-SiC复合结构材料因其优异的性能,成为国内众多高校、科研院所的研究对象,而高温力学试验设备是科研过程中不可或缺的技术条件之一。

在试验设备选择时,应综合分析如下影响因素,以便进行设计方案更为合理、完善,从而降低制造成本。

  【参照2700℃高温真空力学试验系统】

1、 温度范围:

在进行设备选择时,首先应明确实际的使用温度,其工作温度多为600~2000℃,其极限温度按照2200℃设计即可,如按照2500℃极限温度选择,需增大炉腔尺寸、更改局部结构,更换可耐更高温度的元件、试验机的空间也要响应加大,从而提高了采购成本。

2、 设备功能

高温环境下的拉伸、压缩、弯曲、剪切试验都可在该套设备上完成,因该类试验无国家标准可遵循,试样规格应在满足要求的前提下尽量缩小物理尺寸,以便于降低制造成本。

3、 加热方式

该温度范围的高温真空系统,有两种材质的加热体可供选择:1)石墨2)W合金,当试验对象为C基复合材料或C-SiC复合材料时,高温腔体中存在游离的C可与W合金发生化学反应形成碳化钨,使发热体产生龟裂,裂纹扩展至发热体深部而发生脆断,因此只能选择高强石墨作为发热体。

4、 真空机组

真空机组可选择的有分子泵、扩散泵、机械泵。因炉腔内发热体为石墨、保温材料为碳毡,均为高挥发性材料。而分子泵抗污染能力差,只能选择扩散泵+机械泵组合,也可再配置罗茨泵加大抽速,加快工作节拍。

5、 环境真空度

因炉腔内高挥发性材料体积较大,并且在试验过程中持续挥发,因此工作真空度为10-2Pa量级。

6、 测温方式

钨铼热电偶的理论测量范围可达到2300℃,在实际应用过程中,超过1830℃后离散型比较大,且钨铼热电偶高温脆性使其损耗大,因此选用双色比色计+热电偶组合测温的方式。

7、 高温夹具

夹具材质可选用C-C复合材料和W合金材料制造。C-C复合材料具有获得容易、加工性能良好、高温强度较高的特点,特别适合于制造压缩、弯曲夹具。W合金夹具具有高温强度高的优点,但是精密加工难,高温与游离C化学反应的缺点,但仍可作为长时间使用的夹具材料。

8、 变形测量

在高温环境下进行力学性能试验,其变形测量相对于室温环境,情况要复杂的多:不能用肉眼直接观察、试验过程中不可进行调整、升温过程测量装置及试样热膨胀、测量装置的材质选择、变形传感器的耐高温性能等,各种因素均可能影响测量结果。

在该套高温真空试验系统中,可选择C-C复合材料制造,多采用双边平均值法;传感器选用电感式,元件具有较为优良的耐高温性能及良好的热稳定性,是高温试验的首选。


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