主题:【原创】镍基高温合金Inconel 600热导率、比热容、热扩散率、密度和总半球发射率随温度变化数据汇总

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摘要:镍基高温合金Inconel 600作为一种常用的金属材料其应用领域十分广泛,准确了解其各种热物理性能参数十分必要,这些参数数据是进行高温设计和热仿真时的重要输入参数。本文汇总了目前国际上Inconel 600的高温热物理性能(热导率、比热容、热扩散率、密度和总半球发射率)随温度变化的文献报道数据,由此便于使用这些数据进行热物性测试仪器的比对试验和考核,并提高高温设计和热仿真中参数输入的准确性。



1. 简介
  Inconel 600是一种非磁性镍基高温合金,具有高机械强度、冷热加工性和耐腐蚀性。这种合金在退火到强冷加工条件的整个范围内也没有老化或应力腐蚀,它可以使用到1000℃而不会发生不可逆的变化。典型Inconel 600的材料组分如表1-1所示,此组分的Inconel 600也是被英国国家物理实验室(NPL)用来作为热导率测量中的参考材料。其热处理过程为在干燥纯氢气和露点小于-50℃条件下进行2小时的1120℃热处理,然后在氢气环境下用水冷却。

表1-1 热导率测量参考材料Inconel 600组分


  由于Inconel 600这类镍基高温合金的应用领域十分广泛,准确了解其各种热物理性能参数十分重要,这些参数数据是进行高温设计和热仿真时的重要输入参数。本文将汇总目前国际上Inconel 600的高温热物理性能(热导率、比热容、热扩散率、密度和总半球发射率)随温度变化的文献报道数据,由此便于使用这些数据进行热物性测试仪器的比对试验和考核,有利于提高高温设计和热仿真中参数输入的准确性。
2. 热导率、比热容、热扩散率和密度数据
  热导率、比热容、热扩散率和密度数据来自文献[1]颁布的对英国国家物理量实验室(NPL)热导率参考材料Inconel 600的测试结果,其中热导率是比热容、热扩散率和线膨胀率三个独立测试结果的乘积得到,而比热容采用差热扫描量热仪(DSC)进行测试,热扩散率采用激光闪光法测定仪进行测试,线膨胀率采用顶杆法热膨胀仪进行测试。对于镍基高温合金Inconel 600热导率的独立测试,NPL也采用了轴向恒定热流导热仪进行了专门测量[2]。由于仪器测试能力的限制,NPL的测试温度最高为500℃。另外由于所采用的Inconel 600样品成分和密度有轻微差别,所以[1]文献[2]和热导率结果会有最大5%的偏差,但这个偏差在实际工程使用中可以忽略不计,因此本文所列数据取自文献[1]。热导率、比热容、热扩散率和密度随温度的变化规律分别如图2-1~图2-4所示。


图2-1 Inconel 600热导率与温度的关系



图2-2 Inconel 600热扩散与温度的关系



图2-3 Inconel 600比热容与温度的关系



图2-4 Inconel 600密度与温度的关系

  在这里需要说明的是密度随温度的变化结果,是由热膨胀系数测试获得,其中认为镍基高温合金Inconel 600是各项同性且温度变化过程中质量不发生变化。由此通过测试Inconel 600的线膨胀率来得到体膨张率和样品的体积变化,最终用恒定质量除以不同温度下的体积得到密度随温度的变化结果。
  汇总热导率、比热容、热扩散率和密度数据,如表2-1所示。

表2-1 Inconel 600热导率、比热容、热扩散率和密度数据汇总表



3. 总半球发射率数据
  总半球发射率也是材料的重要热物理性能参数之一,代表着材料表面的热辐射能力,是研究热辐射测量、辐射传热以及热效率分析的最重要基础物理性能数据。
  由于总半球发射率与材料的表面状态关系密切,针对镍基高温合金Inconel 600的总半球发射率,本文汇总了美国热物性研究实验室(TPRL)进行不同热处理和原始状态样品的总半球向高温测试结果[3][4],此测试结果被美国桑迪亚国家实验室用作Inconel 600高温总半球发射率的典型数据。
  TPRL测试总半球向发射率采用了稳态量热法,样品直接通电加热至高温进行测量,其五种表面状态下总半球发射率随温度变化测试结果如图3-1所示,数据如表3-1所示。


图3-1 不同热处理后Inconel 600不同温度下的总半球发射率


表3-1 作为不同温度和表面处理状态下的Inconel 600总半球发射率测试数据



4. 参考文献
[1] Blumm J, Lindemann A, Niedrig B. Measurement of the thermophysical properties of an NPL thermal conductivity standard Inconel 600[C]//Proc. of 17th European Conference on Thermophysical Properties. 2003: 621-626.
[2] Wu J, Morrell R, Clark J, et al. Characterisation of the NPL Thermal Conductivity Reference Material Inconel 600[J]. International Journal of Thermophysics, 2021, 42(2): 1-15.
[3] [7] J. Gembarovic, "Total Hemispherical Emissivity of Thermocouple Sheaths, in A Report to Sandia National Laboratories," Thermophysical Properties Research Laboratory, Inc:, West Lafayette, IN, 2005.

[4] A. L. Brundage, et al., "Thermocouple Response in Fires, Part 1: Considerations in Flame Temperature Measurements by a Thermocouple," Journal of Fire Sciences, vol. 29, no. 3, pp. 195-211, 2011.

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