專利名稱：高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量方法和測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及固體界面接觸換熱系數測量技術領域，具體地說是一種高溫固體 界面動態接觸換熱系數的測量方法和測量裝置，特別適合于金屬、陶瓷及復合材 料在高溫下的固體動態接觸換熱系數的測量。
背景技術：
熱接觸是存在于航空航天、機械制造、冶金化工、電子信息、熱能工程等眾 多工程領±或和科學研究中的一個重要現象。隨著傳熱技術的發展，接觸換熱系數 的測量尤其是在材料成形領域，金屬、陶瓷及復合材料等在高纟顯下的界面間換熱 系數的測量日益受到關注。
中國發明專利申請"一種觀糧固體界面接觸換熱系數的方法和裝置"(申請
號200610047121.7，公開號CN1877313A)介紹了一種測量固體界面接觸換熱系 數的方法和裝置。該專利申請的技術要點為采用加熱棒和冷卻棒連接并通過壓 力裝置施壓的方式，使工控m31過溫控儀表采磐顯度信號，進行顯示和分析。該 專利申請的不足之處由于觀糧方法和裝置柳蹄ij，僅適用于60(TC以下中低溫 度區間的穩態傳熱過程固體界面接觸換熱系數的測量。對于60(TC以上的溫度區 間以及動態傳熱過程，還缺乏相關的數據報道。
發明內容
為了克服現有固體界面接觸換熱系數測量中，溫度區間偏低、傳熱過程難以 實現動態化的不足，本發明的目的之一是提供一種高溫固體界面動態接觸換熱系 數的測量方法，利用輻射聚光或激光加熱和液壓沖擊加載方式，實現高溫固體界 面動態接觸換熱系數測試試樣的非接觸式快速加熱和動態加載，進而通過處理獲 得接觸換熱系數。
本發明的另一 目的是提供一種高纟顯固體界面動態接觸換熱系數的測量裝置，
4適用于較寬溫度區間(150 1300°C)動態(接觸速度0.01mm/s 2000mm/s、接 觸壓力0 600MPa)傳熱過程的固體界面接觸換熱系數測量，應用該裝置可以實 現高纟顯固體界面動態接觸換熱系數的測量。 本發明技術方案如下
一種高溫固體界面動態接觸換熱系數的領糧方法，包括如下步驟
(1) 根據試樣夾頭尺寸，將兩種待測材料加工成等截面的圓柱試樣，并用同 樣型號的砂紙對其接觸表面進行打磨處理，以確保其具有相同的表面粗糙度。
(2) 對所有實驗所用的熱電偶進行標定，并與工控機上的數據采集卡連接。 由工控機來實時采集、顯示和處理熱電偶的溫度值，并ffia加熱控制器控制加熱 系統的加熱電源。
(3) 將測量用熱電偶依次均布點焊于兩試樣的同側表面。
(4) 根據測量要求，在真空室中將冷端試樣裝卡于移動夾頭，熱端試樣裝卡 于固定夾頭，并調整兩試樣間的間隙，閉合真空室。
(5) 啟動機械泵使真空室達到低真空狀態(真空度5xlO"Pa—1x10—'Pa),再 啟動擴散泵使真空室達到要求的高真空狀態(真空度5xl0—spa—lx10—3Pa)。
(6) 輻射聚光或^敫光加熱系統開始工作，將熱端試樣的受熱端快速加熱到設 定^it 150 1300°C (加熱速度為50 20(TC/秒)。通過熱電偶測量和加熱控制器 反饋使加熱系統繼續加熱熱端試樣直至溫度穩定在預設測量溫度下。
(7) 啟動液壓沖擊加載系統，以接觸速度控制模式或接觸壓力控制模式由液 壓缸驅動移動夾頭，使冷端試樣以一定的速度或一定的接觸壓力完成與熱端試樣 的接觸并保持接觸傳導狀態；其中，接角腿度0.01mm/s 2000mm/s，接觸壓力0 600MPa。接觸速度與接觸壓力的選擇是根據試驗目的的需要，所給范圍是裝置所 能達到的領賦范圍；在實際操作過程中，可以有接觸壓力為零的狀態，即力傳感 器測量值為零的純接觸狀態；
(8) 工控機將采集接觸過程中的相關數據并進行計算處理，從而獲得兩種材 料的固體界面動態接觸換熱系數。
(9) 測量結束后，關閉輻射聚光或激光加熱系統，卸載液壓沖擊加載系統， 泄真空，待試樣自然冷卻后取出。
一種高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量裝置，該測量裝置設有真空室、 液壓缸、液壓控制繼電器、冷端試樣、速度傳感器、力傳感器、密封集線管、熱端電偶、工控機、加熱系統、固定夾頭、熱端試樣、潤滑劑、測溫熱電偶和移動 夾頭；液壓缸與裝卡冷端試樣的移動夾頭連接，液壓ftlM過液壓控制繼電器與工
控機相連，移動夾頭上的速度傳感器和力傳感器與工控機的數據采集卡連接；冷 立m式樣和熱端試樣上用于測溫的熱電偶通過真空室上的密封集線管與工控機的數 據采集卡連接；固定夾頭上用于熱端試樣測溫的熱端電偶通過密封集線管與工控 機上的數據采集卡連接，用于給熱端i式樣加熱的加熱系統與工控機相連。
所述加熱系統設有加熱電源、加熱控制繼電器、聚光反射鏡、氤燈，加熱電 源輸入端ilil加熱控制繼電器與工控m^接，加熱電源輸出端連接氙燈，氙燈的 一側設置聚光反射鏡；工控機的輸出信號經加熱控制繼電器放大后，控制加熱電 源的工作電流，進而控制氤燈的工作MS，通過聚光反射鏡的作用，加熱固定夾 頭所夾持的熱端試樣。
所述加熱系統設有加熱電源、加熱控制繼電器、f敫光加熱器，加熱電源輸入 端通過加熱控制繼電器與工控機連接，加熱電源輸出端連接激光加熱器；工控機 的輸出信號經加熱控帝腿電器放大后，控制加熱電源的工作電流，進而控制激光 加熱器加熱固定夾頭所夾持的熱端試樣。
在需要的情況下，熱端試樣與冷端試樣的接觸界面預先涂抹潤滑劑來考察界 面接觸換熱系數的變化規律。
所述真空室內可設有抗輻射材料鋁箔或熱反射膜包覆箱體內壁，以降低試樣 的熱輻射影響。
與現有技斜目比，本發明更具有如下優點
(1) 可以實現高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量。與已有領糧方法和裝 置相比，本發明方法和裝置能夠實現短時間熱交換過程的測量，與現實熱加工成 形工藝過程更為接近。
(2) 可以實現較高溫度范圍內的固體界面動態接觸換熱系數的測量。與已有 測量方法和裝置相比，本發明方法和裝置能夠實現試樣的快速高效加熱，？鵬范 圍擴展到130(TC，滿足金屬、陶瓷及復合材料等的熱加工測試要求。
(3) 具備液壓沖擊加載系統，可以接觸速度控制模式和接觸壓力控制模式兩 種方式實現界面動態接觸換熱系數的測量。與已有測量方法和裝置相比，本發明 方法和裝置可以根據測試要求，靈活選取接觸模式的控制方式。
(4) 具備真空測試環境。與己有測量方法和裝置相比，本發明方法和裝置可以在一定的真空環境下實現固體界面動態接觸換熱系數的測量，避免試樣高溫氧 ^X寸實驗結果的影響。
(5)具備鋁箔或熱反射膜等抗輻射材料包覆真空箱體內壁。與已有測量方法 和裝置相比，本發明方法和裝置可以降低試樣熱輻射對實驗結果的影響。
圖1是本發明采用輻射聚光加熱方式測量方纟去的原理圖。
圖2是本發明采用激光加熱方式測量方法的原理圖。
圖3是本發明采用輻射聚光加熱方式的測量裝置結構示意圖。
圖4是本發明采用激光加熱方式的測量裝置結構示意圖。
圖中，l真空室；2纟軀缸；3液壓控制繼電器；4冷端試樣；5速度傳感器； 6力傳感器；7密封集線管；8熱端電偶；9工控機；10加熱電源；11加熱控制繼 電器；12聚光反射鏡；13氤燈；14固定夾頭；15熱端試樣；16潤滑劑；17測溫 熱電偶；18移動夾頭；19激光加熱器。
具體實施例方式
實施例1
下面結合圖1和圖3具體說明本實施例。
本發明測量裝置由真空室l、液壓缸2、液壓控制繼電器3、冷端試樣4、速 度傳感器5、力傳感器6、密封集線管7、熱端電偶8、工控機9、加熱電源IO、 加熱控制繼電器ll、聚光反射鏡12、氙燈13、固定夾頭14、熱端試樣15、潤滑 劑16、測纟顯熱電偶(八組)17和移動夾頭18組成。其中真空室l可通過外接 抽真空裝置實現一定的真空度，以減少試樣在高溫下發生氧4W實驗結果的影響； 真空室1內有鋁箔或熱反射膜等抗輻射材料包覆箱體內壁，以斷氐試樣的熱輻射 影響；液壓缸2與裝卡冷端試樣4的移動夾頭18連接，通過控制力或速度的方式 實現固體界面的動態接觸過程;液壓缸2通過液壓控制繼電器3與工控機9相連， 工控機9的輸出信號經液壓控制繼電器3放大后，控制液壓缸2動作；移動夾頭 18上的速度傳感器5和力傳感器6與工控機9的板載數據采集卡連接，實時采集 移動夾頭18的動作信息，包括力和速度值；冷端試樣4和熱端試樣15上用于測 溫的八組熱電偶17通過真空室1上的密封集線管7與工控機9的板載數據采集卡
7連接，保證測試過程中真空室1的密閉狀態；固定夾頭14上用于熱端試樣15測 溫的熱端電偶8也通過密封集線管7與工控機9上的板載數據采集卡連接；帶有 板載類 采集卡的工控機9用于完成整個測試過程中的數據采集、處理和控制信 號輸出工作；加熱電源10輸入端通過加熱控希腿電器11與工控機9連接，加熱 電源10輸出端連接氤燈13，氙燈13的一側設置聚光反射鏡12;工控機9的輸出 信號經加熱控制繼電器ll放大后，控制加熱電源10的工作電流，進而控制氙燈 13的工作溫度；通過聚光反射鏡12的作用，加熱固定夾頭14所夾持的熱端試樣 15;在需要的情況下，熱端試樣15與冷端試樣4的接觸界面可以預先涂抹潤滑劑 16來考察界面接觸換熱系數的變化規律，潤滑劑16可以采用氮化硼、石墨或玻 璃潤滑劑等。
測量過程包括如下步驟
(1) 分另咖工直徑10毫米，長20毫米的TC4鈦合金和H13模具鋼圓柱試 樣，用200、 400和800號砂紙X寸其接觸表面進行打磨處理，以確保其具有相同的 表面粗糙度。
(2) 對所有實驗所用的熱電偶進行標定，并與工控機上的數據采集卡連接。
(3) 將測量用熱電偶依次均布點焊于兩試樣的同側表面。
(4) 在真空室中將H13模具鋼試樣裝卡于移動夾頭，TC4鈦合^i式樣裝卡 于固定夾頭，并調整兩試樣間的間隙為10毫米，閉合真空室。
(5) 啟動機械泵使真空室達到低真空狀態，真空度為5xlO"Pa;再啟動擴散 泵使真空室達到高真空狀態，真空度為5W0,a。
(6) 輻射聚光加熱系統(聚光反射鏡12、氙燈13)開始工作，將TC4鈦合 ^i式樣的受熱端快速加熱到設定溫度96(TC (加熱速度為150"/秒)。通過熱電偶 測量和加熱控制器反饋使加熱系統繼續加熱TC4鈦合金試樣直至溫度穩定在 960°C 。
(7) 啟動液壓沖擊加載系統，以接觸速度控制模式由液壓缸驅動移動夾頭， 使H13模具鋼試樣以35毫Xt/秒的速度完成與TC4鈦合^i式樣的接觸并保持接觸 傳導狀態。
(8) 工控機將采集接觸過程中的相關數據并進行計算處理，從而獲得TC4 鈦合金和H13模具鋼在接觸速度為35毫浙秒情況下的界面動態接觸換熱系數。 本發明中，根據相關數據進行換熱系數的計算，可采用常規技術，也可采用中國發明專利申請"一種測量固體界面接觸換熱系數的方法和裝置"(申請號
200610047121.7，公開號CN1877313A)。
(9)測量結束后，關閉輻射聚光加熱系統，卸載液壓沖擊加載系統，泄真空， 待TC4鈦合金和H13模具鋼試樣自然冷卻后取出。 實施例2
下面結合圖2和圖4具體說明本實施例。
本發明測量裝置由真空室l、液壓缸2、液壓控制繼電器3、冷端試樣4、速 度傳感器5、力傳感器6、密封集線管7、熱端電偶8、工控機9、加熱電源IO、 加熱控制繼電器ll、激光加熱器19、固定夾頭14、熱端試樣15、潤滑劑16、測 溫熱電偶(八組)17和移動夾頭18組成。其中真空室1可通過外，封由真空裝 置實現一定的真空度，以減少試樣在高溫發生氧ft^實驗結果的影響；真空室1 內有鋁箔或熱反射膜等抗輻射材料包覆箱體內壁，以降低試樣的熱輻射影響；液 壓缸2與裝卡冷端試樣4的移動夾頭18連接，ffiil控制力或速度的方式實現固體 界面的動態接觸過程；液壓缸2通過液壓控制繼電器3與工控機9相連，工控機 9的輸出信號經液壓控制繼電器3放大后，控制液壓缸2動作；移動夾頭18上的 速度傳感器5和力傳感器6與工控機9的板載數據采集卡連接，實時采集移動夾 頭18的動作信息，包括力和速度值；冷端試樣4和熱端試樣15上用于觀醞的八 組熱電偶17通過真空室1上的密封集線管7與工控機9的板載數據采集卡連接， 保證測試過程中真空室1的密閉狀態；固定夾頭14上用于熱端試樣15測溫的熱 端電偶8也通過密封集線管7與工控機9上的板載數據采集卡連接；帶有板載數 據采集卡的工控機9用于完成整個測試過程中的數據采集、處理和控制信號輸出 工作；加熱電源10輸入端通過加熱控帝腿電器11與工控機9連接，加熱電源10 輸出端連接激光加熱器19;工控機9的輸出信號經加熱控制繼電器11放大后， 控制加熱電源10的工作電流，進而控制激光加熱器19加熱固定夾頭14所夾持的 熱端試樣15;在需要的情況下，熱端試樣15與冷端試樣4的接觸界面可以預先 涂抹潤滑劑16來考察界面接觸換熱系數的變化規律，潤滑劑16可以采用氮化硼、 石墨、玻璃潤滑劑等。
測量過程包括如下步驟 (1)分別加工直徑10毫米，長20毫米的AmetlOO合金鋼(Amet100是美 國牌號，高強鋼)和H13模具鋼圓柱試樣，用200、 400和800號砂紙對其接觸
9表面進行打磨處理，以確保其具有相同的表面粗糙度。
(2)對所有實驗所用的熱電偶進行標定，并與工控機上的數據采集卡連接。 (3 )將測量用熱電偶依次均布點焊于兩試樣的同側表面。
(4) 在真空室中將H13模具鋼試樣裝卡于移動夾頭，Amet100合金鋼試樣 裝卡于固定夾頭，并調整兩試樣間的間隙為10毫米，閉合真空室。
(5) 啟動機械泵使真空室達到低真空狀態，真空度為1x10—'Pa;再啟動擴散 泵使真空室達到高真空狀態，真空度為lxlO—3Pa。
(6) 激光加熱系統(激光加熱器19)開始工作，將AmetlOO合金鋼試樣的 受熱端快速加熱到設定溫度890°C (加熱速度為20(TC/秒)。通過熱電偶測量和加 熱控制器反饋使加熱系統繼續加熱AmetlOO合金鋼試樣直至溫度穩定在890°C 。
(7) 啟動液壓沖擊加載系統，以接觸壓力控制模式由液壓缸驅動移動夾頭， 使H13模具鋼試樣以200MPa的壓力完成與AmetlOO合金鋼試樣的接觸并保持接 觸傳導狀態。
(8) 工控機將采集接觸過程中的相關數據并進行計算處理，從而獲得 AmetlOO合金鋼和H13模具鋼在接觸壓力為200MPa情況下的界面動態接觸換熱 系數。本發明中，根據相關數據進行換熱系數的計算，可采用常規技術，也可采 用中國發明專利申請"一種領糧固體界面接觸換熱系數的方法和裝置"(申請號 200610047121.7，公開號CN1877313A)。
(9) 測量結束后，關閉輻射聚光加熱系統，卸載液壓沖擊加載系統，泄真空， 待AmetlOO合金鋼和H13模具鋼試樣自然冷卻后取出。
10
權利要求
1、一種高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量方法，其特征在于，包括如下步驟(1)根據試樣夾頭尺寸，將兩種待測材料加工成等截面的圓柱試樣，并用同樣型號的砂紙對其接觸表面進行打磨處理，以確保其具有相同的表面粗糙度；(2)對所有實驗所用的熱電偶進行標定，并與工控機上的數據采集卡連接，由工控機來實時采集、顯示和處理熱電偶的溫度值，并通過加熱控制器控制加熱系統的加熱電源；(3)將測量用熱電偶依次均布點焊于兩試樣的同側表面；(4)根據測量要求，在真空室中將冷端試樣裝卡于移動夾頭，熱端試樣裝卡于固定夾頭，并調整兩試樣間的間隙，閉合真空室；(5)啟動機械泵使真空室達到低真空狀態，真空度5×10-1Pa-1×10-1Pa；再啟動擴散泵使真空室達到要求的高真空狀態，真空度5×10-3Pa-1×10-3Pa；(6)加熱系統開始工作，將熱端試樣的受熱端快速加熱到設定溫度150～1300℃，加熱速度為50～200℃/秒，通過熱電偶測量和加熱控制器反饋使加熱系統繼續加熱熱端試樣直至溫度穩定在預設測量溫度下；(7)啟動液壓沖擊加載系統，以接觸速度控制模式或接觸壓力控制模式由液壓缸驅動移動夾頭，使冷端試樣以一定的速度或一定的接觸壓力完成與熱端試樣的接觸并保持接觸傳導狀態；其中，接觸速度0.01mm/s～2000mm/s，接觸壓力0～600MPa；(8)工控機將采集接觸過程中的相關數據并進行計算處理，從而獲得兩種材料的固體界面動態接觸換熱系數；(9)測量結束后，關閉加熱系統，卸載液壓沖擊加載系統，泄真空，待試樣自然冷卻后取出。
2、 一種權利要求1所述的高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量方法的專用 測量裝置，其特征在于該測量裝置設有真空室(1)、液壓缸(2)、液壓控制繼 電器(3)、冷端試樣(4)、速度傳感器(5)、力傳感器(6)、密封集線管(7)、熱端電偶(8)、工控機(9)、加熱系統、固定夾頭(14)、熱端試樣(15)、潤滑 劑(16)、測溫熱電偶(17)和移動夾頭(18);液壓缸(2)與裝卡冷端試樣(4) 的移動夾頭(18)連接，液壓缸(2)通過液壓控制繼電器(3)與工控機(9)相 連，移動夾頭(18)上的速度傳繊(5)和力傳感器(6)與工控機(9)的數據 采集卡連接；冷端試樣(4)和熱端試樣(15)上用于測溫的熱電偶(17)通過真 空室(1)上的密封集線管(7)與工控機(9)的數據采集卡連接；固定夾頭(14) 上用于熱端試樣(15)測溫的熱端電偶(8)通過密封集線管(7)與工控機(9) 上的數據采集卡連接，用于給熱端試樣(15)加熱的加熱系統與工控機(9)相連。
3、 按照權利要求2所述的測量裝置，其特征在于加熱系統設有加熱電源 (10)、加熱控制繼電器(11)、聚光反射鏡(12)、氤燈(13)，加熱電源(10)輸入端通過加熱控制繼電器(11)與工控機(9)連接，加熱電源(10)輸出端連 接氤燈(13)，氤燈(13)的一側設置聚光反射鏡(12);工控機(9)的輸出信號 經加熱控制繼電器(11)放大后，控制加熱電源(10)的工作電流，進而控制氙 燈(13)的工作溫度，通過聚光反射鏡(12)的作用，加熱固定夾頭(14)所夾 持的熱端試樣(15)。
4、 按照權利要求2所述的測量裝置，其特征在于加熱系統設有加熱電源 (10)、加熱控制繼電器(11)、激光加熱器(19)，加熱電源(10)輸入端通過加熱控制繼電器(11)與工控機(9)連接，加熱電源(10)輸出端連接激光加熱器 (19);工控機(9)的輸出信號經加熱控制繼電器(11)放大后，控制加熱電源 (10)的工作電流，進而控制激光加熱器(19)加熱固定夾頭(14)所夾持的熱端試樣(15)。
5、 按照權利要求2所述的測量裝置，其特征在于在需要的情況下，熱端試 樣(15)與冷端試樣(4)的接觸界面預先涂嫩閏滑劑(16)來考察界面接觸換熱 系數的變化規律。
6、 按照權利要求2所述的測量裝置，其特征在于真空室(1)內有抗輻射 材料鋁箔或熱反射膜包覆箱體內壁。
全文摘要
本發明涉及一種高溫固體界面動態接觸換熱系數的測量方法和測量裝置，特別適合于金屬、陶瓷及復合材料在高溫下的固體界面動態接觸換熱系數的測量。測量裝置主要設有真空室、液壓缸、冷端試樣、工控機、加熱系統、固定夾頭、熱端試樣、測溫熱電偶和移動夾頭等；在真空室中將冷端試樣裝卡于移動夾頭，熱端試樣裝卡于固定夾頭；將熱端試樣加熱后，啟動液壓沖擊加載系統，使冷端試樣以一定的速度或一定的接觸壓力完成與熱端試樣的接觸并保持接觸傳導狀態；工控機將采集接觸過程中的相關數據并進行計算處理，從而獲得兩種材料的固體界面動態接觸換熱系數。本發明可以解決現有固體界面接觸換熱系數測量中，溫度區間偏低、傳熱過程難以實現動態化等問題。
文檔編號G01N25/20GK101661009SQ20081001302
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者張士宏, 王瑞雪, 明 程 申請人:中國科學院金屬研究所