專利名稱：腐蝕介質高溫長壽命致密加熱方法
技術領域：
本發明涉及一種利用普通電阻加熱，在腐蝕介質中進行高溫長壽命致密加熱的方法，適用于要求環境介質范圍廣，加熱時間長、加熱區間小、控溫精度高的加熱。主要用于腐蝕環境材料的高溫力學性能測試，也可為熱分析儀器提供熱源。
作為航空發動機熱端部件，高溫熱結構材料對航空動力的發展具有非常重要的意義。表征與評價是高溫結構材料研究與應用的關鍵，而材料的性能測試，特別是環境性能的測試是材料性能表征與評價的基礎。隨著碳-碳復合材料、陶瓷基復合材料和金屬間化合物等新一代高溫結構材料的發展，對高溫性能的測試提出了越來越高的要求。
一個眾所周知的問題是，長期以來國內外材料研制基本上以低溫性能表征高溫性能，以空氣、真空和保護性氣氛的性能代替環境性能。由于材料研制的目標性能與使用的目標性能不一致，材料的研制帶有很大的盲目性。材料研制追求的目標往往不是材料應用所需要的，而材料應用所需要的性能在材料研制過程中往往沒有得到足夠的重視。因此，材料的研制需要經過構件制造-應用考核-性能改進這樣一個漫長的多次反復的過程。這不僅嚴重影響了材料研制的周期，而且大幅度增加了材料開發的成本。
高溫結構材料除了需要承受復雜的應力環境外，還需要承受氧化、腐蝕等苛刻的熱物理化學環境。因此，高溫結構材料的性能測試需要實現復雜應力環境與熱物理化學環境的耦合。目前，國內外還沒有材料性能試驗機能夠在高溫腐蝕環境條件下工作的報道。即使是國際上最大也是最著名的美國MTS和英國Instron公司生產的材料性能試驗機，也只能在真空、空氣或保護性氣氛下工作。雖然在真空和保護性氣氛下，試驗機的工作溫度可達2200℃，但在空氣介質中的工作溫度一般不超過1300℃，而在潮濕環境中的工作溫度低于1100℃。
高溫結構材料通常是非常昂貴的，如果試件太大太長，性能測試所需的費用將是無法承受的。因此，實現復雜應力環境與熱物理環境耦合的關鍵是耐腐蝕的高溫長壽命致密加熱方法。現有的試驗機基本上采用試件與夾頭同處加熱區的加熱方式，但這種加熱方式對夾頭的高溫輻射和腐蝕引起的破壞是不可避免的(見附

圖1)。雖然對試件進行局部加熱可以解決夾頭的腐蝕問題，但試件的尺寸取決于加熱區間的大小(見附圖2)。
為了控制腐蝕環境的狀態，不能對試件進行開放式加熱。但現有的高能率加熱方式如紅外、激光和電子束等，不能滿足封閉式的耐腐蝕高溫長壽命致密加熱要求。激光和電子束加熱區域過小而且溫度梯度過高，所產生的熱應力將直接影響性能測試結果。紅外加熱雖然可以保證足夠的加熱區域，但加熱溫度一般不超過1300℃。如果熱源在封閉環境內部對試件直接進行加熱，腐蝕氣氛長時間加熱將對熱源與測溫裝置產生不良影響(見附圖3)。由于加熱區域過小，激光和電子束不能在封閉環境之外對試件進行間接加熱，而使用紅外間接加熱的溫度只能達到1200℃左右(見附圖4)。
綜上所述，實現腐蝕介質高溫長壽命致密加熱只有普通電阻加熱和感應加熱兩種途徑可供選擇。由于高溫結構材料不一定都是導磁材料，而且直接加熱對性測試結果影響很大，只能采用間接感應加熱的方式(見附圖5)。中頻感應加熱能量密度較低，不適合小區域致密加熱。雖然高頻感應加熱可以實現腐蝕環境致密加熱，但長時間加熱不僅溫度控制精度較低，而且對人體危害很大。因此，本發明的核心是采用電阻加熱實現腐蝕介質的高溫長壽命致密加熱(見附圖6)。
本發明涉及兩項關鍵技術(1)微型石墨發熱體的結構設計與連接技術；(2)爐膛與爐腔之間的高溫密封保護技術。與W、Mo等難熔金屬發熱體相比，石墨發熱體加熱溫度和表面熱負荷更高，且裝卸更方便，因而更適合致密加熱。由于發熱體尺寸非常小，需要采用與普通大尺寸石墨發熱體不同的結構設計與連接技術。石墨發熱體既不抗氧化，也不耐腐蝕，因而既需要依靠爐膛與工作介質隔離，也需要與大氣隔離。耐高溫腐蝕的剛玉管可用做爐膛，而真空或惰性氣氛可以防止發熱體的氧化。由于高溫下剛玉管兩端的溫度也較高，需要采用高溫密封保護。
本發明提出的腐蝕介質高溫長壽命致密加熱方法還具有如下優點(1)加熱裝置熱容量很小，大大縮短了加熱冷卻時間；(2)加熱功率很小，大幅度降低了能耗；(3)剛玉管可隨時更換，使用方便；(4)加熱裝置結構簡單可靠，成本低廉。
附圖1給出了材料性能試驗機采用的試件與夾頭同處加熱區的加熱方法，圖中1-試件、2-爐膛、3-發熱體、4-夾頭。
附圖2給出了材料性能測試時對試件進行局部加熱的加熱方法，圖中1-試件、2-爐膛、3-發熱體、4-夾頭。
附圖3給出了材料性能測試時試件與夾頭同處加熱區的高能率加熱方法，圖中1-試件、2-爐膛、4-夾頭、5-熱源、6-溫度傳感器。
附圖4給出了材料性能測試時對試件進行局部加熱的高能率加熱方法，圖中1-試件、2-爐膛、4-夾頭、5-熱源、6-溫度傳感器。
附圖5給出了材料性能測試時對試件進行局部加熱的感應加熱方法，圖中1-試件、2-爐膛、3-發熱體、4-夾頭、7-感應線圈、8-隔熱材料。
附圖6給出了一種材料性能測試用的腐蝕介質高溫長壽命加熱方法，圖中2-爐膛、3-石墨發熱體、9-下爐蓋、10-爐體、11-熱電偶、12-水冷電極、13-爐腔、14-水冷嘴、15-剛玉管、16-上爐蓋、17-進氣嘴、18-抽氣嘴、19-氧化鋁隔熱管、20-氧化鋁隔熱棉、21-高溫密封圈、22-氧化鋁隔熱塞。
下面，結合附圖6對本發明的實施作進一步的描述。
為了防止石墨發熱體的氧化，先通過抽氣嘴抽真空，然后充入惰性氣體。上下爐蓋可以對剛玉管進行冷卻，降低剛玉管兩端的溫度，便于爐膛與爐腔的密封。由于熱應力和腐蝕介質的影響，剛玉管的使用壽命是有限的。剛玉管失效后，只需松開高溫密封圈，將剛玉管拔出更換即可。測溫部位在最小的氧化鋁隔熱管外，不受腐蝕介質的影響，所測溫度與爐膛內溫度的誤差可以校正，因而更加穩定可靠。隔熱塞有三方面的作用(1)減少爐膛內介質對流引起的熱量損失，提高加熱密度；(2)當爐膛內需要引入某一介質時，防止大氣回流對介質產生影響；(3)進一步降低剛玉管兩端的溫度。
附圖6給出的腐蝕介質高溫長壽命致密加熱方法的主要性能指標可以達到工作溫度1500℃最高使用溫度1600℃額定功率1.5KW至額定工作溫度的加熱時間30分鐘爐膛均溫區φ20(mm)×20(mm)加熱爐總高度120mm使用壽命取決于腐蝕介質的強弱由于本發明提出的腐蝕介質高溫長壽命致密加熱方法可用使加熱裝置非常小巧，而且適用于各種工作介質，因而用途十分廣泛。使用這一方法進行材料高溫力學性能測試，不僅可以解決腐蝕環境與應力環境耦合的難題，而且可以使試樣的長度與目前進行高溫力學性能測試所用試樣的長度相當。目前國內外材料性能試驗機所用的普通加熱方法，不僅不耐腐蝕，而且加熱功率高(大于15KW)，加熱時間長(大于3小時)。差熱分析儀需要耐腐蝕的高溫長壽命致密加熱方法，熱膨脹分析儀也需要空氣介質致密加熱方法。即使在空氣介質中，本發明方法也比其他致密加熱方法的工作溫度高，使用壽命長。因此，本發明也可以為熱分析儀器配套提供廉價可靠的致密加熱方法。
權利要求
1.腐蝕介質高溫長壽命致密加熱方法，其特征在于利用普通電阻加熱，采用發熱體結構與連接技術、高溫密封與保護技術、冷卻與隔熱技術、測控溫技術，在包括腐蝕介質在內的各種環境條件下，實現高溫長壽命精確致密加熱。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于采用厚度為2mm左右的剛玉管做爐膛，提高爐膛的抗高溫腐蝕和溫度梯度的能力。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于采用表面熱負荷高的微型石墨發熱體，提高加熱的致密度和發熱體的使用壽命。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于采用高溫密封與惰性氣體相結合的方法對發熱體進行保護，提高保護的可靠性。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于采用水冷與隔熱塞相結合的方法降低剛玉管兩端的溫度，便于進行密封和氣體保護。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于采用在爐膛外測控溫與爐膛內校正相結合的方法，提高腐蝕介質測控溫的可靠性與精度。
全文摘要
本發明涉及一種利用普通電阻加熱，在腐蝕介質中進行高溫長壽命致密加熱的方法，主要用于腐蝕環境材料的高溫力學性能測試，也可為熱分析儀器提供熱源。本發明采用厚度合適的剛玉管做爐膛，采用表面熱負荷高的微型石墨發熱體加熱，采用高溫密封與惰性氣體相結合的方法對發熱體進行保護，采用水冷與隔熱塞相結合的方法降低剛玉管兩端的溫度，采用在爐膛內外相結合的方法進行測控溫。本發明具有加熱冷卻時間短、能耗低、使用方便和成本低廉的優點。
文檔編號G01N3/18GK1400458SQ0112873
公開日2003年3月5日 申請日期2001年7月26日 優先權日2001年7月26日
發明者成來飛, 徐永東, 張立同, 劉小瀛 申請人:西北工業大學