本發(fā)明屬于金屬燃燒技術領域，具體涉及一種溫度可控測試金屬材料燃燒行為的方法與系統(tǒng)。

背景技術：

在富氧、高氧分壓或其他氣氛條件下，絕大多數(shù)金屬材料會發(fā)生一種既不同于氧化，也不同于熔化，而是類似于木材、尼龍等材料的燃燒現(xiàn)象，即金屬富氧燃燒。其特征表現(xiàn)為：溫度的急劇升高，產(chǎn)生火焰，發(fā)出刺眼強光并伴隨有熱量的劇烈釋放。在航天、航空、速射武器以及汽車等領域使用的金屬材料均存在燃燒的風險，一旦發(fā)生材料的燃燒，就會產(chǎn)生嚴重的后果。如美國出現(xiàn)多例火箭和航天飛機發(fā)動機爆炸事故，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機低于熔點的溫度發(fā)生了燃燒現(xiàn)象。在1975年，美國材料測試學會(astm)成立了g-4委員會，為材料在富氧環(huán)境下的穩(wěn)定性和敏感性制定標準astmg-124。美國和俄羅斯在金屬富氧燃燒領域進行了多年研究，對材料在富氧條件下燃燒規(guī)律有了系統(tǒng)的了解，為其航天事業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。我國逐步認識到這一關系火箭發(fā)動機安全的問題，開始這方面的研究。我國新型高壓補燃循環(huán)大推力火箭發(fā)動機工作環(huán)境為大流量、高溫、高壓、高富氧燃氣，在此條件下高溫合金主要失效方式是合金燃燒。目前國內(nèi)還未有測試材料燃燒性能的測試方法和設備。對比國外見諸報道的研究工作及其相關文獻專利，現(xiàn)有測試金屬材料燃燒行為的方法仍存在一定的局限性：1、采用電阻絲點燃方法作為實驗的引燃裝置，其溫度不可控，影響測試準確性；2、只能實現(xiàn)系統(tǒng)氣氛室溫下測試金屬材料燃燒行為，不能滿足實際工況分析評價要求；3、無法模擬在混合氣體、高氧分壓、其他高氧化性氣體等環(huán)境下的材料燃燒行為。針對上述技術問題本發(fā)明公布一種溫度可控測試金屬材料燃燒行為的方法與裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種溫度可控測試金屬材料燃燒行為的方法與系統(tǒng)，主要涉及金屬材料在一定溫度和氣體氣氛中的燃燒行為及其測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試氣氛溫度、點燃溫度可控和多種氣體氛圍中測試，可進行多種服役工況下材料的測試，提高了材料燃燒行為測試的準確性。

本發(fā)明測試材料在高溫富氧條件下抗燃燒能力的方法，其具體實施步驟包括：

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸范圍直徑φ0.1mm—φ15mm，長度10mm-200mm；

(2)添加引燃物：將引燃物加工成環(huán)狀套在試樣的一端；

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在圖1設備試樣夾上，然后安裝防飛濺裝置；所述防飛濺裝置可防止劇烈燃燒時飛濺，有利于保護設備、收集產(chǎn)物；

(4)抽真空：步驟(3)裝樣后，密封反應裝置，打開抽真空裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度0mpa至-1mpa；

(5)加熱：通過圖1加熱裝置將試樣加熱至溫度100℃—1000℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定溫度；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入和步驟(5)溫度相同的氧氣或混合氣體至要求壓力；所述充氣裝置可實現(xiàn)在混合氣體、高氧分壓、其他高氧化性氣體等環(huán)境下的材料燃燒行為；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，系統(tǒng)自動打開壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)至要求壓力；

(8)點燃：通過點燃裝置在300℃—1700℃點燃引燃物，引燃試樣，點燃引燃物后關閉點燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄系統(tǒng)內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：從觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出系統(tǒng)內(nèi)部氣體，真空度0至-1mpa；

(11)取出試樣：打開冷卻裝置，待整個系統(tǒng)冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物和未燃盡試樣。

步驟(1)中，所述的測試材料試樣加工要求表面粗糙度ra≤8μm，然后清理干凈其表面的油污和氧化物等雜質，對于尺寸較長的試樣可加工成螺旋狀。

步驟(2)中，引燃物選用金屬引燃物，引燃物內(nèi)環(huán)需與試樣緊密配合，且引燃物底面應與試樣底面在同一平面。

步驟(3)中，防飛濺裝置為上下開口圓筒狀。由于金屬燃燒極為劇烈，防飛濺裝置可防止燃燒產(chǎn)物四處飛濺，便于收集，

步驟(5)中，加熱溫度根據(jù)測試材料服役溫度確定，保溫是為使材料均熱，防止芯部和表面溫度不一致。所述加熱至100℃—1000℃的設定溫度。

步驟(6)中，由于燃燒反應劇烈，在極短的時間內(nèi)完成，氣體流通裝置促進反應裝置內(nèi)空氣流通，保證燃燒前端氣體供應；所述要求壓力為0.1mpa—80mpa。

步驟(7)中，壓力自動調(diào)節(jié)裝置是為保證反應裝置內(nèi)部壓力穩(wěn)定；燃燒時消耗內(nèi)部氣體后，壓力自動調(diào)節(jié)裝置會自動充入與裝置內(nèi)相同氣體，以保證反應前、反應進行時、反應后壓力穩(wěn)定，壓力安全裝置，當壓力超過設備安全范圍，可自動打開調(diào)節(jié)壓力，以免出現(xiàn)危險。

步驟(8)中，所述點燃裝置在300℃—1700℃點燃引燃物，可根據(jù)選用引燃物設定點燃溫度。

步驟(10)中，金屬在燃燒時發(fā)出刺眼的強光，判定燃燒結束可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)有無發(fā)光點以及測溫裝置溫度下降而定。

實施上述方法的系統(tǒng)包括：試樣夾，所述試樣夾的外圍設置防飛濺裝置，所述試樣夾底部設置點燃裝置，所述試樣夾處于加熱裝置和氣體流通裝置的環(huán)境中，所述氣體流通裝置與外部充氣裝置連接，以及冷卻裝置。所述氣體流通裝置可促進系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動。

所述系統(tǒng)還包括壓力安全裝置、測溫裝置、測壓裝置。所述測溫裝置記錄燃燒時試樣不同部位以及系統(tǒng)內(nèi)溫度變化。所述冷卻裝置與觀察孔中拆卸裝置搭配可迅速更換試樣，大大縮短測試周期。

所述系統(tǒng)還包括觀察孔和攝像機以及調(diào)節(jié)試樣夾位置的伸縮桿。所述觀察孔和攝像機可記錄整個燃燒過程。

本發(fā)明溫度可控測試金屬材料燃燒行為的方法及系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：

1、便于操作，實驗安全性高。

2、適用性高，可通過控制氣氛溫度(20℃-1700℃)、氧壓(0mpa-80mpa)和引燃物模擬不同工況。

3、可以定量反應同一氣氛條件下不同材料或同一材料在不同氣氛條件下著火特性和抗燃燒能力，為材料選擇和設計提供依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明溫度可控測試金屬材料燃燒行為的系統(tǒng)結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1未燃盡試樣的照片。

圖3為本發(fā)明實施例2完全燃燒的試樣照片。

圖4為本發(fā)明實施例5未燃盡試樣的照片。圖中：

1.充氣裝置，2.控壓系統(tǒng)，3.測溫裝置，4.觀察孔，5.攝像機，6.壓力安全裝置，7.抽真空裝置，8.冷卻系統(tǒng)，9.收集杯，10.測壓裝置，11.拆卸裝置，12.反應裝置，13.加熱裝置，14.伸縮桿，15.防飛濺裝置，16可控溫引燃裝置，17.引燃物，18.試樣，19.試樣夾，20.氣體流通裝置

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明主要涉及一種溫度可控測試金屬材料燃燒行為的方法與系統(tǒng)，如圖1所示，為燃燒系統(tǒng)結構示意圖。

實施例1：高溫合金gh4202

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ3.5mm，長度50mm；

(2)添加引燃物：將引燃物mg加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ3.5mm，外環(huán)φ6mm，高度3.5mm；套在試樣的一端

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-1mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度700℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度700℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧2mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度800℃點燃引燃物后關閉點燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-1mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物和未燃盡試樣如圖2所示。

實施例2：高溫合金gh3030

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ7mm，長度100mm；

(2)添加引燃物：將引燃物al加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ7mm，外環(huán)φ12mm，高度5mm；套在試樣的一端；

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-1mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度600℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度600℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧70mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度680℃點燃引燃物后關閉引燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-1mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物(試樣完全燃燒)如圖3所示。

實施例3：高溫合金gh4169

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ5mm，長度150mm；

(2)添加引燃物：將引燃物mg加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ5mm，外環(huán)φ8mm，高度3.5mm；套在試樣的一端

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-1mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度500℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度500℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧40mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度680℃點燃引燃物后關閉引燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-1mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物(完全燃燒)。

實施例4：不銹鋼1cr18ni9ti

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ15mm，長度200mm；

(2)添加引燃物：將引燃物mg加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ15mm，外環(huán)φ20mm，高度5mm；套在試樣的一端

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-1mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度300℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度300℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧0.5mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度680℃點燃引燃物后關閉引燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-1mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出未完全燃燒試樣和燃燒產(chǎn)物。

實施例5：銅合金qcr0.8

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ5mm，長度50mm；

(2)添加引燃物：將引燃物fe加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ5mm，外環(huán)φ8mm，高度3.5mm；套在試樣的一端

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-0.5mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度100℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度100℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧5mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度1000℃點燃引燃物后關閉引燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-0.5mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物和未燃盡試樣如圖4所示。

實施例6：銅合金qal

(1)制作試樣：將測試材料加工成棒狀，尺寸：直徑φ3.5mm，長度50mm；

(2)添加引燃物：將引燃物fe加工成環(huán)狀尺寸：內(nèi)環(huán)φ3.5mm，外環(huán)φ6mm，高度3.5mm；套在試樣的一端

(3)安裝試樣：將無引燃物一端固定在設備試樣夾具上，然后安裝防飛濺裝置；

(4)抽真空：步驟(2)裝樣后，密封反應裝置，抽出內(nèi)部空氣，真空度-0.5mpa；

(5)加熱：將整個反應裝置加熱至實驗溫度100℃，保溫一定時間，通過測溫裝置測試，確保內(nèi)部試樣達到設定的實驗溫度100℃；

(6)充入氣體：當步驟(5)溫升至設定溫度后，打開充氣裝置和氣體流通裝置充入工業(yè)純氧20mpa；

(7)壓力調(diào)節(jié)：與步驟(6)同步，接通控壓系統(tǒng)和壓力安全裝置，通過壓力自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)至實驗要求壓力誤差范圍內(nèi)；

(8)點燃：通過可控溫點燃裝置點燃引燃物，引燃試樣，點燃溫度1000℃點燃引燃物后關閉引燃裝置；

(9)觀察與紀錄：通過高速攝像機記錄整個燃燒過程，測溫裝置記錄燃燒試樣溫度變化，測壓裝置記錄設備內(nèi)壓力變化；

(10)抽真空：觀察孔觀察到燃燒反應結束后，停止加熱，通過抽真空裝置抽出反應裝置內(nèi)部氣體，真空度至-0.5mpa；

(11)取樣：打開冷卻裝置，待整個試驗裝置冷卻至室溫，取出燃燒產(chǎn)物和未燃盡試樣。

上述實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，熟悉本技術領域的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護的范圍。