一种模拟工况测试金属材料燃烧行为的反应装置的制作方法

本实用新型涉及一种非接触式模拟工况测试金属材料燃烧行为的方法与反应装置，属于金属燃烧领域。

背景技术：

在富氧、高氧分压或其它气氛条件下，绝大多数金属材料会发生一种既不同于氧化，也不同于熔化，而是类似于木材、尼龙等材料的燃烧现象，即金属燃烧。其特征表现为：温度的急剧升高，产生火焰，发出刺眼强光并伴随有热量的剧烈释放。前苏联和美国的航天液氧/煤油、氢/氧发动机发生了一系列爆炸的灾难性事故。美国出现火箭和航天飞机发动机的爆炸现象。经分析发现，发动机在工作温度约450～600℃的情况下,金属材料出现了既不同于熔化，也不同于氧化腐蚀的失效方式即高温下的金属材料在低于熔点的温度发生了像木材、尼龙等类似的燃烧事故现象。如：1980年，约翰逊航天中心试验场发生爆炸，现场发现此爆炸由发动机第二级铝制调节筏燃烧引起；当时，氧压高达6000Psi(41.4MPa)； 1992年8月，美国马歇尔航空中心116试验台用316L、A286不锈钢制成的衬垫和活塞在35MPa高压富氧下发生燃烧并引起系统爆炸，爆炸的碎片散落在80米远的地方；前苏联也发生同样事故多次。在航天、航空、速射武器以及汽车等领域使用的金属材料均存在燃烧的风险，一旦发生材料的燃烧，会产生严重的后果。在1975年，美国材料测试学会(ASTM)成立了G-4委员会，为材料在富氧环境下的稳定性和敏感性制定标准ASTM G-124。美国和俄罗斯在金属富氧燃烧领域进行了多年研究，对材料在富氧条件下燃烧规律有了系统的了解，为其航天事业的发展起到了重要的推动作用。我国于1999认识到这一关系火箭发动机安全的问题，开始这方面的研究。我国新型高压补燃循环大推力火箭发动机工作环境为大流量、高温、高压、高富氧燃气，在此条件下发动机材料主要失效方式是燃烧。目前国内还未有测试金属材料在无引燃物、一定气氛中点燃、自燃、燃烧性能的测试方法和设备。

对比国外见诸报道的研究工作及其相关文献专利，现有测试金属材料燃烧行为的方法仍存在一定的局限性：1、测试时需添加引燃物，不能控制热量输入，不能准确测定样品点燃温度；2、采用电阻丝点燃方法作为实验的引燃装置，其温度不可控，影响测试准确性；3、温度可控性差，无法模拟服役材料在服役时温度极速升高的情况；

技术实现要素：

本实用新型提供一种非接触式模拟工况测试金属材料燃烧行为的方法与反应装置，主要涉及金属材料在无引燃物、一定温度和气体气氛中的燃烧行为及其测试系统，实现了试样温度分段可控、无引燃物点燃、点燃温度可控和多种气体氛围中测试，可进行多种服役工况下材料的测试，提高了材料燃烧行为测试的准确性。

一种模拟工况温度测试金属材料燃烧行为的反应装置，内设伸缩杆；安全装置、试样固定装置、气体流动装置、试样、中频感应线圈、高频感应线圈、防飞溅装置、样品收集杯。反应装置顶部和侧面开有观察孔，并在观察口上装有摄像机。反应装置内部顶部悬挂有耐高温绝缘伸缩杆，伸缩杆能够调节试样夹位置。试样固定装置通过安全装置与样品杆连接，试样垂直固定在试样固定装置上，试样夹和试样处于加热装置和气体流通装置的环境中，所述气体流通装置与外部充气装置、压力稳定装置连接，所述气体流通装置可促进系统内部气体流动。防飞溅装置上部缠绕有中频感应线圈，下部缠绕高频感应线圈，下方设有样品收集杯，防飞溅装置外围设置冷却装置。

通过防飞溅装置上部缠绕有中频感应线圈，下部缠绕高频感应线圈可对试样进行整体控温，下部缠绕高频感应线圈可实现局部点燃。两组线圈可实现对试样整体控温局部点燃，因此可以在有或无引燃物条件下实现对材料燃烧性能的测试。

所述装置还包括压力安全装置、测温装置、测压装置、冷却装置。所述测温装置记录燃烧时试样不同部位以及系统内温度变化。所述冷却装置与观察孔中快速拆卸装置搭配可迅速更换试样，大大缩短测试周期。

所述装置还包括观察孔和摄像机，所述观察孔和摄像机可记录整个燃烧过程。

所述测试材料在高温富氧条件下燃烧行为方法，其具体实施步骤包括：

(1)制作试样：将测试材料加工成一定长条形状(丝状、棒状、片状，块状或相似服役零件形状)尺寸范围横向最大距离≤15mm，长度20mm-200mm；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-0.1MPa至-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度 -0.1MPa至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度 (参照材料服役温度)20℃—1400℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气或混合气体至要求压力(0.01MPa-70MPa)；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在300℃—1700℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度0至-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。

步骤(1)中，所述的测试材料试样加工要求表面粗糙度Ra≤8μm，然后清理干净其表面的油污和氧化物等杂质；

步骤(2)中，防飞溅装置为耐高温透明材料(如石英玻璃)制作，上下开口圆筒状。由于金属燃烧极为剧烈，防飞溅装置可防止燃烧产物四处飞溅，便于收集，上下开口有利于内部气体流通，透明材料有利于实验过程摄像观察；

步骤(5)中，加热温度根据测试材料服役温度确定，保温是为使材料均热，防止芯部和表面温度不一致。所述加热至20℃—1400℃的设定温度。

步骤(6)中，所述充气装置可实现在混合气体、高氧分压、其他高氧化性气体等气氛环境下的材料燃烧行为；

步骤(6)中，由于燃烧反应剧烈，在极短的时间内完成，所述气体流通装置促进反应装置内空气流通，保证燃烧前端气体供应；所述要求压力为0.01MPa —80MPa。

步骤(7)中，所述压力稳定装置是为保证反应装置内部压力稳定；燃烧时消耗内部气体后，压力稳定装置会自动充入与装置内相同气体，以保证反应前、反应进行时、反应后压力稳定；所述压力安全装置，当压力超过设备安全范围，可自动打开调节压力，以免出现危险。

步骤(8)中，所述高频感应线圈在300℃—1700℃点燃试样，可根据装置内部气体压力和材料设定点燃温度。

步骤(9)中，金属在燃烧时发出刺眼的强光，判定燃烧结束可根据系统内有无发光点以及测温装置温度下降而定。

本实用新型所述非接触式模拟工况温度测试金属材料燃烧行为的反应装置，具有以下优点：

1、便于操作，实验安全性高。

2、采用整体控温局部非接触式点燃方法，可精确控制测量点燃温度，和模拟工况。

3、采用感应加热，加热速度快，可模拟极端工况下工作材料，如：火箭发动机材料、速射武器身管使用材料等。

4、适用性高，可模拟工况温度(20℃-1400℃)、氧压(0MPa-70MPa)条件下材料的燃烧行为。

5、可以定量反应同一气氛条件下不同材料或同一材料在不同气氛条件下着火特性和抗燃烧能力，为材料选择和设计提供依据。

6、可以定量测试材料在一定气氛下的着火温度，或一定温度下发生着火燃烧的最低氧压。

附图说明

图1为本实用新型模拟工况温度测试金属材料燃烧行为的反应装置结构图

1-摄像机；2-观察口；3-快速拆卸装置；4-压力稳定装置；5-充气装置；6-压力安全装置；7-真空装置；8-冷却装置；9-感应线圈冷却装置；10-电源装置；11- 测压装置；12-测温装置；13-反应装置；14-伸缩杆；15-安全装置；16-试样固定装置；17-气体流动装置；18-试样；19-中频感应线圈；20-高频感应线圈；21- 防飞溅装置；22-样品收集杯

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型主要涉及一种非接触式模拟工况测试金属材料燃烧行为的方法与装置，如图1所示，为系统结构示意图。

实施例1：纯Fe

(1)制作试样：将测试材料加工成Φ3.2mm*70mm棒状；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度 40℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气1MPa；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在1180-1220℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。

实施例2：纯Al

(1)制作试样：将测试材料加工成Φ3.2mm*70mm棒状；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度40℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气0.5MPa；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在1000-1100℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。

实施例3：Fe95Ni5二元合金

(1)制作试样：将测试材料加工成Φ3.2mm*70mm棒状；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度 40℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气20MPa；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在1400-1600℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。

实施例4：纯Ni

(1)制作试样：将测试材料加工成Φ3.2mm*70mm棒状；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度 40℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气60MPa；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在1500-1600℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：试样未被点燃，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。

实施例5：Fe95Cr5二元合金

(1)制作试样：将测试材料加工成Φ3.2mm*70mm棒状；

(2)安装防飞溅装置：所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时的飞溅，有利于保护感应线圈以及设备其他装置、并收集反应产物；

(3)安装试样：将一端固定在图1设备带有安全装置的试样固定装置上，通过调整试样固定装置，使试样底端处于高频感应线圈感应区中，试样其余部分处于中频感应线圈的感应区中；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开真空装置，抽出内部空气，真空度达到-1MPa，充入氩气至1MPa，再次抽真空,真空度至-1MPa；

(5)加热：通过图1中频感应线圈、高频感应线圈将试样加热至设定温度 40℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)中温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入氧气40MPa；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力稳定装置、压力安全装置，通过压力稳定装置调节并稳定系统气体压力至试验测试要求压力，所述压力安全装置可防止试验装置压力过载发生危险；

(8)点燃：通过高频感应线圈加热试样底端，在1400-1600℃点燃试样；

(9)观察与纪录：通过摄像机记录整个燃烧过程，测温装置记录燃烧试样温度变化，测压装置记录系统内压力变化；

(10)抽真空：从观察孔观察到燃烧反应结束后，停止加热，通过真空装置抽出系统内部气体，真空度-1MPa；

(11)取出试样：打开冷却装置，待整个系统冷却至室温，取出燃烧产物和未燃尽试样。