[发明专利]一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统及方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统及方法，包括混合气体发生装置、预混预热室、电液伺服疲劳试验机、高温炉、耐高温石英管、尾气处理装置及DIC非接触式应变测量装置；混合气体发生装置包括若干个气体发生器，每个气体发生器均与预混预热室连接；电液伺服疲劳试验机上设置有支架，支架的顶部设置有横梁，横梁能够相对于支架上下调节高度；横梁底部设置有上作动筒，电液伺服疲劳试验机的顶面上设置有下作动筒；高温炉安装于上作动筒和下作动筒之间；耐高温石英管位于高温炉内，用于放置陶瓷基复合材料试验件，分别与预混预热室和尾气处理装置连接。本发明能模拟航空发动机热端部件的多种气体成分环境，且能达到1800℃的高温。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，属于无机非金属复合材料高温试验技术领域。

背景技术

不断地增高推重比，降低耗油率已成为航空发动机发展的大势所趋，而增高航空发动机推重比最有效的两种方式是减轻航空发动机结构件重量和增加涡轮前进口温度。目前推重比为12-15的航空发动机正在加速研制中，其涡轮前进口平均温度已达到1800℃，而镍基高温合金材料作为耐热性能最好的金属材料，其工作温度也只能达到1100℃，同时必须在材料表面添加一层隔热涂层，并且材料内部需要设计复杂的冷却结构。因此，必须开发一种新型轻质、能够承受更高温度、具有更高强度、更长寿命的发动机热端部件材料来替代传统的高温合金材料。

陶瓷基复合材料(CMCs)以其具有的轻质、高比强度、耐高温、类似金属的非脆性断裂等性能特点，成为在航空发动机极端环境(超高温、辐照、长时工作)下的重要候选材料。西方已经将CMCs应用到现役发动机上，如美国第四代战机F22的F119发动机和法国阵风战斗机的M88发动机都使用了CMCs尾喷管调节片。

但是，对于陶瓷基复合材料而言，高温水氧环境下的寿命问题始终是限制其使用和发展的一个重要问题。一方面，由于在加载过程中材料基体上会产生许多微裂纹，陶瓷基复合材料通过基体裂纹在纤维表面偏转、纤维对裂纹进行桥连、纤维断裂以及纤维与基体的滑动摩擦来消耗应变能。上述裂纹提供了氧气向易氧化的界面相和纤维扩散的通道，界面相和增强纤维的失效，导致材料的氧化脆化。另一方面是由于材料致密度差，不能有效阻挡氧气扩散，从而导致陶瓷基复合材料的氧化寿命大大缩减。而在水氧环境下，C/SiC材料除了会与O₂反应外，SiC基体还会与H₂O发生反应。

因此，建立一种能够模拟发动机热端部件工作环境的高温水氧试验系统是当前本技术领域重要而难以解决的问题，这不仅有助于研究陶瓷基复合材料的材料性能，还可以推动陶瓷基复合材料在航空航天领域的广泛应用。

西北工业大学成来飞等人的专利“航空发动机热端环境实验模拟方法与装置”(专利号ZL200310118966.7)公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置。它将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合，采用氮化硅结合碳化硅陶瓷作为燃烧室内衬来提高燃烧室的耐高温水平，其燃烧室周围分布气嘴和水嘴，用于提高氧分压和水分压，通过溶解在水中的盐类提高熔盐分压。其不足之处在于：喷嘴和水嘴虽然能提高气体分压，但无法控制气体均匀分布；火焰温度难以控制，并且难以达到超高温度。

中国人民解放军国防科学技术大学简科等人的发明专利申请“碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法”(申请号为201710307258.X)公开了一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法。它向装有测试样品的管式炉通入氩气后升温，再通入水氧耦合混合气来模拟高温水氧环境。其不足之处在于：模拟的高温水氧环境无法与电液伺服疲劳试验机相结合测试陶瓷基复合材料在加载条件下的高温水氧力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷基复合材料高温水氧试验系统，它不仅能模拟航空发动机热端部件的多种气体成分环境，而且能达到1800℃的高温。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：