高温与超高温服役工况试验装置综述与展望

刘利强，张 为，马双伟，王 慧

(1.长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022；2.中机试验装备股份有限公司，吉林 长春 130103)

近年来，随着高推重比航空发动机、高冲质比火箭发动机、航天飞机及核聚变反应堆、高性能汽车材料和轨道交通的发展，对材料力学性能测试温度要求更高，要求模拟试验环境更多样性。目前，国内罕有高温与超高温服役工况下高端力学测试系统，而国外产品由于技术和军事垄断一直被限制进口，使我国航空、航天等国防领域用户的需求受到很大制约[1-2]。为金属与非金属材料在高温与超高温服役工况下的应用提供全面的力学性能试验数据作为产品设计的准确参考，可确保产品安全可靠，有效提高我国国防军工等领域产品的整体技术水平。

1 高温与超高温环境试验装置

1.1 分类

高温试验装置分类方式很多，按照温度可分为高温和超高温。高温试验装置的温度一般为300～1 000 ℃或1 000～2 000 ℃，超高温试验装置的温度一般为2 000 ℃以上。

1.2 保温材料

温度试验采用的保温材料种类繁多，常用的保温材料有：金属材料(见图1)，如不锈钢、镍基合金、钼合金和钨合金等；陶瓷材料(见图2)，如氧化铝陶瓷、硅酸铝陶瓷、硅酸铝陶瓷纤维、氧化铝陶瓷纤维和多晶莫来石等；石墨类材料(见图3)，如石墨板、碳纸、石墨粘、碳粘和碳纤维编织等。

图1 金属隔热屏

图2 陶瓷类隔热材料

图3 石墨隔热材料

对于金属多层保温材料，一般不锈钢使用在650 ℃以下，高温合金使用在900 ℃以下，钼合金使用在1 600 ℃以下，钨合金使用在2 200 ℃以下，根据不同加热炉的类型选择不同的金属隔热材料。陶瓷类隔热材料是目前应用较为广泛的保温材料，具有价格低、种类多和加工方便的优点。石墨隔热材料主要用于真空或惰性气体环境下，以及温度为2 000 ℃以上的高温环境下。

1.3 加热方式

高温加热方式包括辐射加热、感应加热和通电加热(见图4～图6)。各种加热方式的原理、特点及应用工况见表1。

图4 辐射加热 图5 感应加热

图6 通电加热

加热方式加热原理特点加热温度/℃应用工况辐射加热 将发热原件作为热源,热量辐射到试样 升温慢,但温度均匀性好,对试样材质没有要求300～2 500真空或气氛感应加热 电磁感应集肤效应对试样加热 升降温快,效率高,极限温度高,温度均匀性差,内外温度差较大,且必需是导磁材质试样300～2 800 真空或气氛通电加热 试样自身产生焦耳热 升降温快,升温效率高,极限温度高,温度均匀性较差,必需是导电材质试样300～3 000 真空或气氛

1.3.1 辐射加热

辐射加热是利用高温热源释放的辐射能以电磁波的形式对试件进行加热。辐射加热是热环境实现中最为常见的方式。辐射加热采用发热体材料分布广泛，包括镍铬、铁铬铝、硅碳、硅钼、钨合金、钼合金、钽钨合金、铌钨合金和石墨[3]等。辐射加热主要特点见表2。

表2 高温辐射加热发热体材质及特点

根据试样尺寸规格，可将发热体设计成1段和多段进行加热。常用的加热方式为1段、2段或3段加热，只需满足GB/T 2039—2012 《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》的要求[4](见表3)。1段加热主要用于发热体形状特殊，且不便于安装的环境装置，比如硅钼棒加热、超高温加热等；多段加热主要用于轴向均温区要求较高的设备，比如试样尺寸较大的测试设备等。

表3 金属拉伸蠕变及持久试验方法对温度梯度和波动度的要求

发热体形状可以设置成为螺旋状、单丝状、直棒状、多段直棒状、U型棒状、W型棒状、状板状、U型板状和W型板状，目前使用较多的大气炉一般以螺旋状、单丝状为主，其他形状发热体主要为真空充气环境、腐蚀环境或者超高温大气环境装置使用。

1.3.2 感应加热

感应加热可分为高频感应加热(10 kHz以上)、中频感应加热(1～10 kHz)和低频感应加热(1 kHz以内)。感应加热是应用高频、中频或低频交流电源，通过感应线圈产生交变磁场使工件中产生出感应电流，因集肤效应，在加热的过程中，试件表面首先产生热量，通过热传导将整个试样加热。感应加热试件表面温度和中心温度存在差异，这种差异可以通过频率来进行相应的调整。依据试件尺寸合理选择感应频率，频率越高，加热的深度越浅。高频感应加热的深度为0.5～2.5 mm，一般用于小型试样的加热；中频感应加热深度为2～10 mm，一般用于中型试样的加热[5]；低频感应加热深度为10～20 mm，一般用于大型试样或者特殊构件试样的加热。

1.3.3 通电加热

通电加热分为直流通电加热和交流通电加热。直流通电加热是利用大功率直流开关电源对试样通电加热，直流通电加热的电磁场相对较为稳定，对整个装置电器元件的电磁干扰比较好控制，但设备成本相对较高；交流通电加热是通过传统变压器对试样通电加热，成本低，但是电磁环境复杂，电磁控制较难。

1.4 环境气氛

高温与超高温环境试验装置可适用于大气环境、真空环境和充气环境等。大气环境主要用于常规耐氧化材料的力学性能测试，包括普通钢材、高温合金和非金属材料等；真空环境主要应用在超高温合金、易氧化的材料，如难熔金属、复合材料等；充气环境可根据试验要求，完成特殊环境气氛，特殊腐蚀环境广泛用于石油石化、核电、核物理等领域，针对这些领域的特点，腐蚀环境包括高温、高压、盐雾、硫化氢和超纯水等环境下，甚至还有多种环境耦合测试，进而完成近服役环境下材料力学性能测试。

1.5 主要参数

高温与超高温环境试验装置设计与选型时需要分析试验需求，包括试验温度、试验空间、试验环境和加热方式等，主要依据参数见表4[6]。

表4 高温与超高温环境装置主要依据参数

2 发展趋势

目前，国内在各类测试仪或试验机上使用的大气下高温炉，由于受加热元件和夹具材料限制，最高温度≤1 200 ℃。为满足最高温度1 500 ℃的高温试验、气氛模拟试验，开发出更高温度的环境装置是大势所趋；然而选取加热元件、加热方式，增加复杂气氛模拟都是亟须解决的技术难题，特别是石油化工、核工业和航空航天等领域，高温高压腐蚀环境类试验装置、极低温环境试验装置等极端环境下完成材料服役工况下力学性能的测试，是未来重要的发展方向。

3 结语

本文对高温与超高温试验装置进行概述，介绍了高温与超高温环境试验装置的气氛环境及主要参数，分析了未来高温与超高温环境试验装置的发展趋势。

由于热环境模拟服役工况极端环境试验装置涉及敏感技术，国外此类试验装备一直对我国实施技术封锁，因此，研究发展我国高温与超高温类试验装置，为航空航天等国防技术达到国际先进水平提供必要的检测设备，对于保障产品质量安全，提升中国制造的国际竞争力，增强国力，支持国民经济的可持续发展起到重要作用，社会意义极其重大。