[发明专利]一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于金属燃烧技术领域，具体涉及一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与系统。

背景技术

在富氧、高氧分压或其他气氛条件下，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，即金属富氧燃烧。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。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，就会产生严重的后果。如美国出现多例火箭和航天飞机发动机爆炸事故，经分析发现，发动机低于熔点的温度发生了燃烧现象。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。我国逐步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，在此条件下高温合金主要失效方式是合金燃烧。目前国内还未有测试材料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、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；2、只能实现系统气氛室温下测试金属材料燃烧行为，不能满足实际工况分析评价要求；3、无法模拟在混合气体、高氧分压、其他高氧化性气体等环境下的材料燃烧行为。针对上述技术问题本发明公布一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与装置。

发明内容

本发明提供一种温度可控测试金属材料燃烧行为的方法与系统，主要涉及金属材料在一定温度和气体气氛中的燃烧行为及其测试系统，实现了测试气氛温度、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。

本发明测试材料在高温富氧条件下抗燃烧能力的方法，其具体实施步骤包括：

(1)制作试样：将测试材料加工成棒状，尺寸范围直径Φ0.1mm—Φ15mm，长度10mm-200mm；

(2)添加引燃物：将引燃物加工成环状套在试样的一端；

(3)安装试样：将无引燃物一端固定在图1设备试样夹上，然后安装防飞溅装置；所述防飞溅装置可防止剧烈燃烧时飞溅，有利于保护设备、收集产物；

(4)抽真空：步骤(3)装样后，密封反应装置，打开抽真空装置，抽出内部空气，真空度0MPa至-1MPa；

(5)加热：通过图1加热装置将试样加热至温度100℃—1000℃，保温一定时间，通过测温装置测试，确保内部试样达到设定温度；

(6)充入气体：当步骤(5)温升至设定温度后，打开充气装置和气体流通装置充入和步骤(5)温度相同的氧气或混合气体至要求压力；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环境下的材料燃烧行为；

(7)压力调节：与步骤(6)同步，系统自动打开压力安全装置，通过压力自动调节装置调节系统至要求压力；

(8)点燃：通过点燃装置在300℃—1700℃点燃引燃物，引燃试样，点燃引燃物后关闭点燃装置；

(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，通过抽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，对于尺寸较长的试样可加工成螺旋状。

步骤(2)中，引燃物选用金属引燃物，引燃物内环需与试样紧密配合，且引燃物底面应与试样底面在同一平面。

步骤(3)中，防飞溅装置为上下开口圆筒状。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，

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100℃—1000℃的设定温度。

步骤(6)中，由于燃烧反应剧烈，在极短的时间内完成，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0.1MPa— 80MPa。