[发明专利]一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉

说明书

本发明是一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，包括高温加热炉、隔热器、环形密封圈等部件。高温加热炉用于实现预定测试温度及其精度，基于梯度隔热设计原理设计的环状轴对称隔热器能够实现特定的温度梯度场，环形密封圈保证隔热器腔体内部温度的可达性和稳定性。本发明的优点是环状轴对称隔热器采用梯度隔热设计原理，并与腔体内流动冷却气体协同工作，从而保证隔热器腔体内部形成一个稳定的温度梯度场，从而实现不同温度梯度条件下的力学性能试验。

技术领域

本发明是一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，用于高温结构材料轴向疲劳和持久/蠕变等综合力学性能测试，属于高温结构材料力学性能测试技术领域。

背景技术

航空发动机热端部件，诸如涡轮叶片和涡轮盘等，在实际服役环境下需通过气体冷却来降低其工作温度，保证热端部件在合适的温度区间内正常运转。随着先进航空发动机推重比和综合经济指标的提升，气体冷却效率不断提高，从而导致涡轮叶片和涡轮盘等热端部件工作于强温度梯度场的严酷高温环境中。发动机热端部件在温度作用下会产生体积变化，产生热应变。当发动机热端部件的热应变受到约束不能自由发展时，就会产生热应力。相关研究表明，由非均匀的温度分布即温度梯度产生的热应力最为常见，开展航空发动机热端部件材料在温度梯度场下的力学性能和损伤演化规律研究工作可为航空发动机综合性能的提升提供科学依据和技术支持。

开展航空发动机热端部件材料在温度梯度场下的科学研究工作，离不开其在温度梯度场下的综合力学性能试验，从而获得试验数据结果，建立设计用曲线和理论方法，用于航空发动机结构设计和强度评估。据相关资料调研，国内外对处在温度梯度场下，航空发动机热端部件材料的力学行为研究较少，但这种温度梯度对高温结构材料的性能的影响已有一些工作得到充分的体现，即不能由等温温度场来等效描述。例如，国外Hayashi教授研究表明，当疲劳试样存在温度梯度(温度梯度为200～400℃/mm)时，其疲劳寿命比试样处于最大温度时的等温疲劳寿命短。可以看出，高温结构材料在温度梯度场和等温环境下的力学性能和寿命具有明显的区别，不能仅仅采用等温环境下的高温结构材料试验数据来研究其力学性能和寿命，还必须要考虑温度梯度场对高温结构材料力学性能和寿命的影响。目前现有的测试设备主要是在等温环境下开展材料的力学性能试验，尽管试验结果已成功应用于航空发动机的结构设计和强度评估，对航空发动机的研制提供了丰富的数据支持，但同时也要开展高温结构材料在温度梯度场下的力学性能试验，充分考虑材料的温度敏感性，研究热应力叠加机械应力条件下高温结构材料的力学性能和寿命。因此，急需设计和制备出一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，从而开展高温结构材料的综合力学性能试验研究工作，为高温结构材料在航空领域的工程应用提供技术支持。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，其目的是提供一种结构简单，操作灵活且采用模块化设计的具备温度梯度功能的高温炉，与诸如疲劳试验机和持久/蠕变试验机配合，从而实现高温结构材料在温度梯度场条件下的综合力学性能试验。采用本发明提出的力学性能试验高温炉能够确保高温结构材料在可控的温度梯度下进行力学性能试验，可以获得温度梯度影响的力学性能和寿命数据，从而满足航空发动机研制对高温结构材料性能数据的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，该高温加热炉包括炉体2和炉腔3，其特征在于：在炉腔3的上、下两端中心加工有孔，将一个隔热器4安装在该两孔之间，使隔热器4位于炉腔3内，该隔热器4是一个环状、中空、柱形结构，隔热器4的中间环状内壁1为圆筒形且套装在待测试样8的外围，隔热器4的中间环状内壁1的两端设置有环形密封圈6，隔热器4的外侧环状外壁5呈弯曲面，隔热器4的外侧环状外壁5的两端与炉腔3上、下两端中心孔紧密配合；

在隔热器4的上、下端面上、沿环绕中间圆筒状内壁1的圆周加工有均匀排列的气孔与隔热器4的中空腔体7相通，该气孔的数量为偶数，其中，按顺序排列为偶数字的气孔是排气孔10，按顺序排列为奇数字的气孔是进气孔11。