高溫與超高溫服役工況試驗裝置綜述與展望

劉利強，張 為，馬雙偉，王 慧

(1.長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022；2.中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

近年來，隨著高推重比航空發動機、高沖質比火箭發動機、航天飛機及核聚變反應堆、高性能汽車材料和軌道交通的發展，對材料力學性能測試溫度要求更高，要求模擬試驗環境更多樣性。目前，國內罕有高溫與超高溫服役工況下高端力學測試系統，而國外產品由于技術和軍事壟斷一直被限制進口，使我國航空、航天等國防領域用戶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用提供全面的力學性能試驗數據作為產品設計的準確參考，可確保產品安全可靠，有效提高我國國防軍工等領域產品的整體技術水平。

1 高溫與超高溫環境試驗裝置

1.1 分類

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

1.2 保溫材料

溫度試驗采用的保溫材料種類繁多，常用的保溫材料有：金屬材料(見圖1)，如不銹鋼、鎳基合金、鉬合金和鎢合金等；陶瓷材料(見圖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石等；石墨類材料(見圖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 陶瓷類隔熱材料

圖3 石墨隔熱材料

對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，根據不同加熱爐的類型選擇不同的金屬隔熱材料。陶瓷類隔熱材料是目前應用較為廣泛的保溫材料，具有價格低、種類多和加工方便的優點。石墨隔熱材料主要用于真空或惰性氣體環境下，以及溫度為2 000 ℃以上的高溫環境下。

1.3 加熱方式

高溫加熱方式包括輻射加熱、感應加熱和通電加熱(見圖4～圖6)。各種加熱方式的原理、特點及應用工況見表1。

圖4 輻射加熱 圖5 感應加熱

圖6 通電加熱

加熱方式加熱原理特點加熱溫度/℃應用工況輻射加熱 將發熱原件作為熱源,熱量輻射到試樣 升溫慢,但溫度均勻性好,對試樣材質沒有要求300～2 500真空或氣氛感應加熱 電磁感應集膚效應對試樣加熱 升降溫快,效率高,極限溫度高,溫度均勻性差,內外溫度差較大,且必需是導磁材質試樣300～2 800 真空或氣氛通電加熱 試樣自身產生焦耳熱 升降溫快,升溫效率高,極限溫度高,溫度均勻性較差,必需是導電材質試樣300～3 000 真空或氣氛

1.3.1 輻射加熱

輻射加熱是利用高溫熱源釋放的輻射能以電磁波的形式對試件進行加熱。輻射加熱是熱環境實現中最為常見的方式。輻射加熱采用發熱體材料分布廣泛，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。輻射加熱主要特點見表2。

表2 高溫輻射加熱發熱體材質及特點

根據試樣尺寸規格，可將發熱體設計成1段和多段進行加熱。常用的加熱方式為1段、2段或3段加熱，只需滿足GB/T 2039—2012 《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》的要求[4](見表3)。1段加熱主要用于發熱體形狀特殊，且不便于安裝的環境裝置，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要求較高的設備，比如試樣尺寸較大的測試設備等。

表3 金屬拉伸蠕變及持久試驗方法對溫度梯度和波動度的要求

發熱體形狀可以設置成為螺旋狀、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，其他形狀發熱體主要為真空充氣環境、腐蝕環境或者超高溫大氣環境裝置使用。

1.3.2 感應加熱

感應加熱可分為高頻感應加熱(10 kHz以上)、中頻感應加熱(1～10 kHz)和低頻感應加熱(1 kHz以內)。感應加熱是應用高頻、中頻或低頻交流電源，通過感應線圈產生交變磁場使工件中產生出感應電流，因集膚效應，在加熱的過程中，試件表面首先產生熱量，通過熱傳導將整個試樣加熱。感應加熱試件表面溫度和中心溫度存在差異，這種差異可以通過頻率來進行相應的調整。依據試件尺寸合理選擇感應頻率，頻率越高，加熱的深度越淺。高頻感應加熱的深度為0.5～2.5 mm，一般用于小型試樣的加熱；中頻感應加熱深度為2～10 mm，一般用于中型試樣的加熱[5]；低頻感應加熱深度為10～20 mm，一般用于大型試樣或者特殊構件試樣的加熱。

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關電源對試樣通電加熱，直流通電加熱的電磁場相對較為穩定，對整個裝置電器元件的電磁干擾比較好控制，但設備成本相對較高；交流通電加熱是通過傳統變壓器對試樣通電加熱，成本低，但是電磁環境復雜，電磁控制較難。

1.4 環境氣氛

高溫與超高溫環境試驗裝置可適用于大氣環境、真空環境和充氣環境等。大氣環境主要用于常規耐氧化材料的力學性能測試，包括普通鋼材、高溫合金和非金屬材料等；真空環境主要應用在超高溫合金、易氧化的材料，如難熔金屬、復合材料等；充氣環境可根據試驗要求，完成特殊環境氣氛，特殊腐蝕環境廣泛用于石油石化、核電、核物理等領域，針對這些領域的特點，腐蝕環境包括高溫、高壓、鹽霧、硫化氫和超純水等環境下，甚至還有多種環境耦合測試，進而完成近服役環境下材料力學性能測試。

1.5 主要參數

高溫與超高溫環境試驗裝置設計與選型時需要分析試驗需求，包括試驗溫度、試驗空間、試驗環境和加熱方式等，主要依據參數見表4[6]。

表4 高溫與超高溫環境裝置主要依據參數

2 發展趨勢

目前，國內在各類測試儀或試驗機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 ℃。為滿足最高溫度1 500 ℃的高溫試驗、氣氛模擬試驗，開發出更高溫度的環境裝置是大勢所趨；然而選取加熱元件、加熱方式，增加復雜氣氛模擬都是亟須解決的技術難題，特別是石油化工、核工業和航空航天等領域，高溫高壓腐蝕環境類試驗裝置、極低溫環境試驗裝置等極端環境下完成材料服役工況下力學性能的測試，是未來重要的發展方向。

3 結語

本文對高溫與超高溫試驗裝置進行概述，介紹了高溫與超高溫環境試驗裝置的氣氛環境及主要參數，分析了未來高溫與超高溫環境試驗裝置的發展趨勢。

由于熱環境模擬服役工況極端環境試驗裝置涉及敏感技術，國外此類試驗裝備一直對我國實施技術封鎖，因此，研究發展我國高溫與超高溫類試驗裝置，為航空航天等國防技術達到國際先進水平提供必要的檢測設備，對于保障產品質量安全，提升中國制造的國際競爭力，增強國力，支持國民經濟的可持續發展起到重要作用，社會意義極其重大。