阅读说明：本技术 一种基于平板电极的磁旋电弧烧蚀测试系统 (Magnetic rotating arc ablation test system based on flat plate electrode ) 是由 关慰勉 王宏涛 方攸同 刘嘉斌 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：一种基于平板电极的磁旋电弧烧蚀测试系统,该测试系统包括阳极,用于装载阴极材料样品的样品安装件,对阴极材料样品进行冷却的冷却系统,和保护罩；电弧产生于阴极和阳极之间,电弧位于保护罩内；阳极和阴极分别具有与燃弧供电电源相连的端口；阴极样品与样品安装件可拆卸式装配；阴极样品固定,电弧绕阴极样品的中心旋转。本发明的优点在于：将阴极样品制备成片状样品,搭建能够产生电弧并在对阴极样品进行电弧烧蚀的同时对阴极样品进行冷却,模拟高温电弧风洞的烧蚀工况；通过设置电磁线圈,使电弧发生旋转,在阴极样品固定时,实现电弧对阴极样品的移动烧蚀。(A magnetic rotary arc ablation test system based on a flat plate electrode comprises an anode, a sample mounting part for loading a cathode material sample, a cooling system for cooling the cathode material sample, and a protective cover; an electric arc is generated between the cathode and the anode, and the electric arc is positioned in the protective cover; the anode and the cathode are respectively provided with a port connected with an arc power supply; the cathode sample and the sample mounting part are detachably assembled; the cathode sample was stationary and the arc rotated around the center of the cathode sample. The invention has the advantages that: preparing a cathode sample into a sheet sample, building a structure capable of generating electric arcs, cooling the cathode sample while carrying out electric arc ablation on the cathode sample, and simulating an ablation working condition of a high-temperature electric arc wind tunnel; the electromagnetic coil is arranged, so that the electric arc rotates, and when the cathode sample is fixed, the electric arc can remove and ablate the cathode sample.)

具体实施方式

结合附图，详细说明本发明的测试系统的具体结构方案。

实施例1

本实施例是一种驻点烧蚀的测试系统。

如图1所示，用于筛选耐电弧烧蚀材料的烧蚀性能测试系统，包括阳极6，用于装载阴极材料样品的样品安装件，对阴极材料样品进行冷却的冷却系统3，和保护罩10；电弧产生于阴极和阳极6之间，电弧位于保护罩10内，电磁线圈9产生的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向；阳极6和阴极分别具有与燃弧供电电源1相连的端口；阴极样品7与样品安装件可拆卸式装配。

将阴极材料制成阴极样品7装载在样品安装件上，盖上保护罩10，将阳极6和阴极通电，阳极6向阴极产生电弧，电弧对阴极进行烧蚀，同时，冷却系统3对阴极进行冷却，控制电弧和冷却系统3，即可模拟出电弧风洞电弧烧蚀工况，电弧烧蚀试验完成后，将阴极样品7取下，进行烧蚀后的材料测试，以便判断阴极样品7的耐烧蚀性能。

样品安装件具有样品装载区域，被装载的阴极样品7为片状样品，阳极6与样品装载区域对中。片状样品比较容易制得，制作工艺也相对简单，用料少。相比高温电弧风洞的阴极，本发明对阴极样品7用量和尺寸的要求大大降低。

冷却系统3的冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品7与冷却介质腔之间设有金属密封圈5。金属密封圈5能够耐受高温烧蚀而不失效，保持冷却系统3的良好密封性。绝缘环8将阴极样品7压紧于样品安装件。

实施例2

本实施例是一种能根据需要通入保护气氛的材料耐烧蚀性能测试系统。

本实施例与实施例1的区别之处在于：如图2所示，保护罩10上设有气氛入口12，气氛入口12通过管道与高压供气系统相连。气氛入口12使保护气氛能够进入电弧烧蚀发生的空间内。需要通入什么气氛，气氛入口12的管道就与什么气源4相连。如通氮气，则与氮气气源4连通。通入空气，就与空气气源4连通。

测试系统设有底座11，保护罩10将样品安装件封闭在保护罩10和底座11之间。当然，也可以不密封。

其余结构都与实施例1相同。

实施例3

本实施例是一种电弧相对阴极旋转的材料耐烧蚀性能测试系统。

本实施例与实施例1或2的区别在于：如图4所示，阴极样品7固定，电弧绕阴极样品7的中心旋转。

如图3所示，测试系统具有电磁线圈9，电磁线圈9的磁场方向与阳极6指向阴极的方向平行，电磁线圈9具有与线圈电源2连接的端口；样品装载区域外设有绝缘环8，绝缘环8与样品装载区域对中。电磁线圈9设置于保护罩10之外。绝缘环8在外，阴极样品7在内，绝缘环8将电弧限制在其内。

如图4所示，样品安装件包括基座，基座设有冷却介质腔，冷却介质腔分别与进液管和出液管连通，进液管和出液管与循环冷却系统3相连；阴极样品7装载于样品安装件时、阴极样品7封闭冷却介质腔。阴极样品7封闭冷却介质腔指的是除了进液管和出液管以外，冷却介质腔没有其他开口。

冷却介质与阴极样品7接触，对阴极样品7起到冷却散热作用，避免阴极样品7一接触到电弧就被击穿，模拟阴极材料长时间被烧蚀的工况。

冷却介质腔是设置于基座的顶部敞口的下凹腔体，样品装载于样品安装件时，阴极样品7将冷却介质腔的顶部敞口密封。

如图3所示，进液管和出液管设置于基座的侧面。进液管低于出液管。循环冷却系统3包括储液池和泵，储液池分别通过管道与进液管、出液管连接，泵设置于管道上。阴极样品7呈圆形，冷却介质腔呈圆形腔。保护罩10的横截面呈圆形，气氛入口12沿切向进气。如图2所示，气氛入口12至少一组，气氛入口12有多组时，多组气氛入口12沿轮廓周向均匀布置。气氛沿切向进入电弧发生的区域内，有利于为电弧提供旋转助力。

其余结构都与实施例1或2相同。

实施例4

本实施例是在电弧旋转的同时，样品也发生自转。

本实施例与实施例1或2的区别之处在于：如图7所示，本实施例增加样品安装件带着阴极样品7绕中心自转，电弧固定或沿径向平动。

如图7和图8所示，样品安装件包括基体，基体具有冷却介质腔和进液环，冷却介质腔位于样品装载区域内，阴极样品7装载于样品安装件时、阴极样品7与样品装载区域对中；冷却介质腔在内、进液环在外，进液环与冷却介质腔连通且可转动的密封配合；进液环固定且与进液管相连，冷却介质腔的中心设置出液通道；测试系统具有旋转驱动组件连接，旋转驱动组件包括与基体固定的从动轮13和与电机14连接主动轮15，从动轮13与基体对中。

如图7所示，旋转驱动组件驱动阴极样品7绕中心自转，基体跟随旋转驱动组件转动，样品跟随基体自转；进液环保持固定，从而与冷却介质的输入管道相连。将出液通道设置于冷却介质腔中心，只需要在出液通道上连接可旋转的液密封接头即可。如此，通过进液环和出液通道实现冷却介质的在冷却介质腔的循环，从而能够持续冷却阴极样品7。

如图10和11所示，基体呈圆柱形，冷却介质腔的侧壁设有多个通孔，进液环呈圆环，进液环覆盖所有通孔，进液环和基体之间设置密封圈5。密封圈5将冷却介质限制在进液环和冷却介质腔内，进液环从整个圆环周向向冷却介质腔内进液。

通过进液环的设置，避免冷却介质的输入管道跟随基体旋转，避免管道缠绕的问题。

基体和从动轮13同轴固定，基体在内，从动轮13在外。基体和从动轮13的固定可以是榫卯固定，也可以是键连接固定等。

基体为一体式的圆筒，圆筒的顶部敞口、并与阴极样品7密封配合，圆筒的底部设置出液通道。这种情况下，出液通道与可旋转的密封接头连接，即可避免输出管道旋转的问题。

保护罩10的气氛入口12沿轴向进气，和、或如图9所示，气氛入口12沿切向进气。使保护氛围沿轴向进气，可以降低气流进入对电弧的影响。

其余都与实施例1或2相同。

实施例5

本实施例与实施例4的区别在于：如图8所示，基体包括阴极座顶盖12和底座11，阴极座顶盖12中部为贯通孔，阴极座顶盖12与底座11可旋转的密封配合，阴极座顶盖12和底座11组合成冷却介质腔。

阴极座顶盖12与底座可转动配合，阴极座顶盖12与底座11之间设有密封圈5。如此，实现阴极座顶盖12与底座11可旋转的密封配合。这种情况下，底座11跟固定的输出管道连接即可。

阴极座顶盖12具有跟阴极样品7连接的第一连接部和与从动轮13连接的第二连接部；第一连接部与从动轮13有距离。第一连接部和第二连接部呈两段式，第二连接部位沿第一连接部向外延伸的一圈凸缘，第二连接部作为与从动轮13连接的法兰。如此，实现阴极座顶盖12与从动轮13的稳定连接。

其余都与实施例4相同。

实施例6

一种定量评价材料的耐烧蚀性能的方法，包括以下步骤：

S1、搭建或测试系统，测试系统采用驻点烧蚀，保护罩10的气氛为空气。

S2、制备阴极样品7；采取线切割方式制备单个样品尺寸为68*18*3 mm³的片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm³，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率395 W m^-1 K^-1，电导率99 %IACS，硬度80HV。

S3、将阴极样品7装载于测试系统，对阴极样品7进行电弧烧蚀试验，记录电弧烧蚀的参数：电弧电流为15 A，燃弧时间为 720 s，电极背部冷却液流量为0.8 L/min，电弧弧长约3~4 mm，滤光条件下弧斑直径约0.5~0.8 mm，阴极样品7表面弧斑自发移动速率约10^-2 m/s；电弧对阴极样品7进行驻点烧蚀；

S4、将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积为672±2.57 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率,烧损速率为（62.2±0.238）×10^-3 mm³/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。

如图13所示，电极烧蚀采取的片状纯铜样品，加工尺寸为68*18*3 mm³, 密度为8.9 g/cm³，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm。在烧蚀后，驻点烧蚀下，电极表面留下直径约5 mm的圆形烧蚀孔，边缘与未烧蚀区界限分明。

如图14所示的三维轮廓图，对应样品为图13的驻点烧蚀后的纯铜样品，能够通过此图得到任意XZ或YZ方向的线轮廓信息及相对某一平行于XOY平面的烧损体积等。对应此图，测算的烧损体积为672±2.57 mm³，换算的烧蚀速率为（62.2±0.238）×10^-3 mm³/C。从图上可观察到，烧损区下凹明显，与未烧蚀区分界处有高约50~100 μm的挤出峰，系纯铜高热导率加速熔池凝固所致。

实施例7

本实施例与实施例6的区别之处在于，阴极样品7为铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸亦为68*18*3 mm³，样品热导率236 W m^-1 K^-1，电导率60 %IACS，硬度170 HV,其余结构和参数，都与实施例6一致。

如图15所示的铜铬合金电极样品（Cu50Cr50）的烧蚀三维轮廓图。铜铬合金电极样品在15 A电弧下驻点烧蚀720 s，电弧弧长约2~3 mm，滤光条件下弧斑直径约0.6~0.9 mm，阴极样品7表面弧斑自发移动速率约（0.4~0.6）×10^-2 m/s测算得到的烧损体积为526±6.21 mm³，换算的烧蚀速率为（48.7±0.575）×10^-3 mm³/C。烧蚀后相比图13，该样品烧损区侧壁较光滑，局部高低交错缓和，烧蚀区与未烧蚀区边界处挤出峰高度降低。

实施例8

本实施例与实施例6的区别之处在于，阴极样品7为纯铬电极样品（Cr），阴极样品7尺寸亦为68*18*3 mm³，样品热导率95 W m^-1 K^-1，电导率13 %IACS，硬度861 HV，其余结构和参数，都与实施例6一致。

将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为 510±3.02mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.2±0.28）×10^-3 mm³/C。

实施例9

本实施例与实施例6的区别在于：采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3mm的圆片状阴极样品7，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm³，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率397 W m^-1 K^-1，电导率99%IACS，硬度75 HV。

电弧烧蚀试验的参数为电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长4~5 mm、阴极斑点直径0.5~0.8 mm、阴极斑移动速率10^-2 m/s。

将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，获得烧损体积为137±1.15 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率，为（57.1±0.479）×10^-3 mm³/C。

如图16所示，对应圆片纯铜电极在实施例2试验条件后扫描得到的三维轮廓图，其中心绿色区域为相比周围基体平面烧损而下凹的区域，烧损区与未烧损区间有红色的挤出区域。

实施例10

本实施例与实施例6的区别在于：测试系统采用有电磁线圈9的方案，电磁线圈9，直径150 mm，匝数20，在3 A直流供电下，于线圈中心长30 mm，直径75 mm范围内，产生磁场范围-120 μT~120μT的均匀的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向。

阴极样品7采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3 mm的圆片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm³，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率395 W m^-1 K^-1，电导率99 %IACS，硬度82 HV。

电弧烧蚀试验的电弧参数有电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长8~10 mm、阴极斑点直径0.6~0.8 mm、阴极斑移动速率0.5~0.8 m/s，磁场强度75 μT。

将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为96.1±8.27mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（40.0±3.45）×10^-3 mm³/C。

实施例11

本实施例与实施例10的区别在于：测试系统采用有电磁线圈9的方案，电磁线圈9在直径150 mm，在2 A直流供电下，于线圈中心长30 mm，直径65 mm范围内，产生磁场范围-80 μT~80μT的均匀的磁场的方向与平行于阳极6向阴极的方向。其余结构和参数，都与实施例8一致。

将电弧烧蚀试验后的阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为112.7±6.12mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.0±2.55×10^-3 mm³/C。

实施例12

本实施例与实施例10的区别在于：阴极材料采用（铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸一致，样品热导率239 W m^-1 K^-1，电导率61 %IACS，硬度168 HV）

其余参数、结构与实施例10一致。

电弧烧蚀试验后，将阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为86.9±2.19mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（36.2±0.91）×10^-3 mm³/C。

实施例13

本实施例与实施例10的区别在于：阴极材料采用（纯铬电极样品（Cr），阴极样品7尺寸一致，样品热导率为96 W m^-1 K^-1，电导率13 %IACS，硬度862 HV）

其余参数、结构与实施例10一致。

电弧烧蚀试验后，将阴极样品7取下，待阴极样品7冷却后、对阴极样品7进行清洗和干燥，再用获取烧蚀区域的三维轮廓信息，并获得烧损体积，烧损体积为79.8±1.02mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（33.2±0.43）×10^-3 mm³/C。

实施例14

本实施例与实施例6的区别之处在于：测试系统采用具有旋转驱动组件（所用电机静力矩2.2 N·m，额定电流4 A，止口直径38 mm，轴长25 mm）的方案，旋转驱动组件的输出转速为540 rpm，换算后样品安装件自转角速度为40~50 rad/s。

阴极样品7采取线切割方式制备单个样品直径为60 mm，厚度3 mm的圆片状样品，电极材料为纯铜，密度为8.9 g/cm3，其中电弧接触面（顶面）用500-2000目砂纸打磨并抛光，确保表面粗糙度Ra≤0.8 μm，样品热导率393 W m^-1 K^-1，电导率98 %IACS，硬度96 HV。

电弧烧蚀试验的电弧参数有电弧电流20 A，燃弧烧蚀时间为120 s，弧长6~8 mm、阴极斑点直径0.4~0.5 mm、阴极斑移动速率0.3~0.5 m/s。

电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积114±6.73 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（47.5±2.80）×10^-3 mm³/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。

实施例15

本实施例与实施例14的区别之处在于：旋转驱动组件的自转角速度为旋转驱动组件的输出转速为180 rpm，换算后样品安装件 自转角速度为10~20 rad/s其余参数和结构都与实施例14相同。

电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积124±5.62 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（51.7±2.34）×10^-3 mm³/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。

实施例16

本实施例与实施例14的区别指出在于：电极材料为（铜铬合金电极样品（Cu50Cr50），阴极样品7尺寸一致，样品热导率236 W m^-1 K^-1，电导率60 %IACS，硬度166HV）。

其余参数和结构都与实施例14相同。

电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积102.6±3.21 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（42.8±1.34）×10^-3 mm³/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。

实施例17

本实施例与实施例14的区别指出在于：电极材料为（纯铬电极样品（Cr），阴极样品尺寸一致，样品热导率为97 W m^-1 K^-1，电导率13 %IACS，硬度860 HV）。

其余参数和结构都与实施例14相同。

电弧烧蚀试验后获得的阴极样品7烧损体积93.1±4.15 mm³，将烧损体积除以烧蚀电量获得烧损速率（38.8±1.73）×10^-3 mm³/C，以烧损速率作为电极材料耐烧蚀性能的定量化评价指标。

表1电极样品烧蚀性能

特征参数说明：

1.组合1：线圈产生磁场驱动，供电电流为3 A，中心磁场强度-120 μT~120μT，阴极斑点移动速率0.5~0.8 m/s；

2.组合2：线圈产生磁场驱动，供电电流为2 A，中心磁场强度-80 μT~80μT，阴极斑移动速率0.2~0.4 m/s；

3.组合3：电极驱动，输出转速为540 rpm，样品安装件自转角速度为40~50 rad/s；

4.组合4：电极驱动，输出转速为180 rpm，样品安装件自转角速度为10~20 rad/s。

耐烧蚀性分析：

1.实施例6，7，8、实施例10，12，13及实施例14，16，17组内比较，耐烧蚀性纯铬最优，铜铬次之，纯铜最差；

2.实施例10与9相比，使用磁场线圈方案，可有效提升电极耐烧蚀性；

3.实施例11与10相比，使用磁场线圈方案，提升磁场强度以增加弧根转速，可减弱电极烧蚀；

4.实施例14与9相比，使用电机驱动样品旋转方案，可提升电极耐烧蚀性；

5.实施例14与15相比，使用电机驱动样品旋转方案，提升电机转速，可减弱电极烧蚀。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。