基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪及工作方法技术

基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪及工作方法，该应变仪包括底座，安装在底座中与长边平行的双向螺杆，借助双向螺杆实现相对运动的运动块，运动块连接4根连杆，4根连杆两两连接形成四边形结构，一对滑块相对放置于未连接运动块的另两个节点并分别放置于滑轨上，在垂直于双向螺杆的方向上滑块通过压电传感器连接上一对样品夹具，样品夹具穿过外壳内壁和外壳外壁后穿过隔热墙后接近加热模块，透过外壳内壁和外壳外壁的长边中央分别安装气路连接口；外壳内壁和外壳外壁之间安装冷却管；外壳内壁和外壳外壁上方安装上盖；本发明专利技术能够实现气氛环境的转换，减少热膨胀造成的机械漂移，实现超高温实验条件，避免超高温下对于运动机构造成的不利影响。

Ultra high temperature force and thermal strain gauge based on reflection X ray in-situ experiment and its working method

Based on the reflective X-ray in-situ experimental ultra-high temperature mechanical-thermal coupling strain gauge and its working method, the strain gauge consists of a base, a bi-directional screw mounted on the base parallel to the long side, a relative moving block is realized by means of a bi-directional screw, a moving block is connected with four connecting rods, four connecting rods are connected in two ways to form a quadrilateral structure, and a pair of sliders are formed. The slider is connected to a pair of sample clamps by piezoelectric sensors in the direction perpendicular to the bi-directional screw. The sample clamp passes through the inner and outer walls of the shell and then passes through the heat insulation wall to approach the heating module, passing through the inner and outer walls of the shell. The invention can realize the conversion of atmospheric environment, reduce the mechanical drift caused by thermal expansion, realize ultra-high temperature experimental conditions, and avoid the movement mechanism caused by ultra-high temperature. Adverse effects.

【技术实现步骤摘要】
基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪及工作方法
本专利技术涉及一种基于反射式X射线原位实验应用超高温力热耦合应变仪，具体涉及一种应用于反射式X射线原位实验使用的超高温、高精度、多气氛力热耦合应变仪及工作方法。
技术介绍
为了适用航空发动机的极端使用环境，单晶镍基高温合金由于具有高温下抗氧化能力，优异的抗蠕变能力等被应用于制造发动机叶片(T.M.Pollock,etal.Nickel-basedSuperalloysforadvancedturbineengines:chemistry,microstructureandproperties,J.Propul.Power2006)。然而发动机叶片的制造加工以及维修成本高昂，针对发动机叶片的修复，3D打印技术被视为理想方案，如果使用3D打印技术在原有的单晶镍基高温合金的基础上直接进行裂纹的修复，那么将会大大降低航空发动机的维修成本。那么修复后的翅片如何能够具有和基体相同的性能成为目前亟待解决的问题。研究人员通过使用同步辐射微束白光X射线对3D打印后的镍基高温合金进行观测后发现通过激光3D打印后的镍基高温合金在打印区域存在枝晶和散晶，同时在枝晶和散晶的过渡区域存在缺陷和残余应力的非均匀分布(Y.Li,etal.Asynchrotronstudyofdefectandstraininhomogeneityinlaser-assistedthree-dimensionally-printedNi-basedsuperalloy,Appl.Phys.Lett.2015)。在另一个工作中发现热影响区附近微裂纹的萌生以及存在的热析出相(GuangniZhou,etal.Real-timemicrostructureimagingbyLauemicrodiffraction:Asampleapplicationinlaser3DprintedNi-basedsuperalloys,Sci.Rep.2016)。3D打印镍基高温合金在工艺上的优化仍然需要进一步的研究。如果能够在热处理的过程中对打印区域进行实时的观测，那么就能够获得3D打印微观结构演变机理进而得出最优的工艺处理条件。同时，在热处理的同时进行拉伸测试，能够为裂纹生长提供更为微观直接的观测。为了实现这个目的，就需要完备的实验条件，包括微观结构观测和超高温实验台。反射式X射线衍射具有空间分辨率高、角分辨率高、亮度高、穿透深的优势(M.Kunz,etal.Adedicatedsuperbendx-raymicrodiffractionbeamlineformaterials,geo-,andenvironmentalsciencesattheadvancedlightsource,Rev.Sci.Instrum.2009)。对于样品制备要求低，是实现样品原位实验观测的理想手段。然而针对反射式X射线衍射的原位实验台尚且存在不足。缺少能够实现超高温(>1100℃)力热耦合的实验台，以及由于在高温下实验台部件的热膨胀导致样品出现漂移，因此难以追踪相同的观测位置，无法获得高精度测量。针对以上的需求，我们需要针对反射式X射线衍射使用设计原位力热耦合实验台，包括实现气氛环境的转换，减少热膨胀造成的机械漂移，实现超高温实验条件，同时避免超高温下对于运动机构造成的不利影响。
技术实现思路
为了实现上述目标，本专利技术的目的在于提供一种基于反射式X射线原位实验应用超高温力热耦合应变仪及工作方法，该应变仪具有能够实现超高温力热耦合，高精度原位观测，能够实现气氛转换，能够避免超高温下对于运动机构的不利影响。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，包括底座5，安装在底座5中与底座长边平行的双向螺杆7，双向螺杆7通过电机16驱动以及传动组15传动实现运动，借助双向螺杆7实现相向运动的运动块6，运动块6套在双向螺杆7两侧相对放置；4根连杆3两两连接形成四边形结构，其中两个对角节点连接运动块6，一对滑块12安装于未连接运动块6的另两个对角节点并分别放置于滑轨1上，滑轨1以在垂直于双向螺杆7并以双向螺杆7为对称轴安装于底座5长边两侧，一对滑块12分别通过压电传感器11连接一对样品夹具4，样品夹具4穿过外壳外壁10和外壳内壁9后穿过隔热墙8后接近加热模块13；穿过外壳内壁9和外壳外壁10的长边中央位置分别安装气路连接口14；外壳内壁9和外壳外壁10之间安装冷却管23，冷却管连接口17穿过外壳外壁10；样品夹具4通过压片22对样品24进行固定；加热模块13包括加热片21以及包裹于加热片21四周及底部的隔热陶瓷20；外壳内壁9和外壳外壁10上方安装上盖18，上盖18的中心为石墨圆顶19。加热模块13位于相对放置的一对样品夹具4间的空隙中间位置，其直径为5～10mm，一对样品夹具4之间间隔为15～25mm；加热模块13中心正对石墨圆顶19的球心位置放置；样品24处于石墨圆顶19球心位置；加热模块13与样品24底面不直接接触，保留有50～500μm的空隙；加热模块13四周以及底面由隔热陶瓷20构成，仅留上表面对样品24进行加热；使用点接触式热电偶测量样品24上表面中间温度，并反馈给加热模块13；加热区间为室温到1800℃。一对隔热墙8将外壳内的空间分为3个部分，加热实验在中间部分进行；隔热墙8下部开直径为1～2mm通孔28，以保证外壳内部的压力平衡；隔热墙8整体为“工”字结构，隔热墙8的两翼中空，气流进入形成气墙，隔热墙8中间通过样品夹具4的中轴26，保证样品夹具4在垂直双向螺杆7方向上的水平运动；隔热墙8与上盖18和外壳内壁9紧密接触，仅留通孔28作为气流交换通道。样品夹具4的夹头27位于隔热墙8分隔出的中间位置，夹头27依靠压片和两枚螺钉2对样品24进行固定，设置在夹头27上的压片22面向加热模块13的一侧加工30°～45°的倒角，两枚螺钉2的间隙为5～15mm；样品夹具4的中轴26穿过隔热墙8、外壳内壁9以及外壳外壁10与压电传感器11相连；在隔热墙8和外壳内壁9之间的空间，为提供限位和平衡样品夹具4的滑动，中轴26上嵌套限位块25。石墨圆顶19的直径在10～30mm之间，厚度小于2mm。应变仪整体长度和宽度为100～200mm，高度为30～80为mm；应变施加范围为0～50％，应力施加范围为0～1000N。样品24宽度为1～8mm，长度为15～20mm，厚度为200～1000μm。压电传感器11连接在样品夹具4外端，以双向螺杆7对称放置，两个压电传感器11同时测量便于校准。应变仪将传动和加热两个功能进行了分离，避免了加热过程中对传动功能造成不利影响；气路连接口14分布在外壳长边两侧，与隔热墙8平行，通过气路连接口14进行气体排出以及充入。所述的基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪的工作方法，包括如下步骤：第一步，样品制备及安装：样品24宽度为1～8mm，长度为15～20mm，厚度为200～1000μm；根据实际样品24的长度调整夹头27之间的距离，使样品24在自由长度下两端能够留有有足够的长度被压片22压住，盖上压片22，拧紧螺钉2，保证此时两侧压电传感器11的读数为0，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，其特征在于：包括底座(5)，安装在底座(5)中与底座长边平行的双向螺杆(7)，双向螺杆(7)通过电机(16)驱动以及传动组(15)传动实现运动，借助双向螺杆(7)实现相向运动的运动块(6)，运动块(6)套在双向螺杆(7)两侧相对放置；4根连杆(3)两两连接形成四边形结构，其中两个对角节点连接运动块(6)，一对滑块(12)安装于未连接运动块(6)的另两个对角节点并分别放置于滑轨(1)上，滑轨(1)以在垂直于双向螺杆(7)并以双向螺杆(7)为对称轴安装于底座(5)长边两侧，一对滑块(12)分别通过压电传感器(11)连接一对样品夹具(4)，样品夹具(4)穿过外壳外壁(10)和外壳内壁(9)后穿过隔热墙(8)后接近加热模块(13)；穿过外壳内壁(9)和外壳外壁(10)的长边中央位置分别安装气路连接口(14)；外壳内壁(9)和外壳外壁(10)之间安装冷却管(23)，冷却管连接口(17)穿过外壳外壁(10)；样品夹具(4)通过压片(22)对样品(24)进行固定；加热模块(13)包括加热片(21)以及包裹于加热片(21)四周及底部的隔热陶瓷(20)；外壳内壁(9)和外壳外壁(10)上方安装上盖(18)，上盖(18)的中心为石墨圆顶(19)。...

【技术特征摘要】
1.基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，其特征在于：包括底座(5)，安装在底座(5)中与底座长边平行的双向螺杆(7)，双向螺杆(7)通过电机(16)驱动以及传动组(15)传动实现运动，借助双向螺杆(7)实现相向运动的运动块(6)，运动块(6)套在双向螺杆(7)两侧相对放置；4根连杆(3)两两连接形成四边形结构，其中两个对角节点连接运动块(6)，一对滑块(12)安装于未连接运动块(6)的另两个对角节点并分别放置于滑轨(1)上，滑轨(1)以在垂直于双向螺杆(7)并以双向螺杆(7)为对称轴安装于底座(5)长边两侧，一对滑块(12)分别通过压电传感器(11)连接一对样品夹具(4)，样品夹具(4)穿过外壳外壁(10)和外壳内壁(9)后穿过隔热墙(8)后接近加热模块(13)；穿过外壳内壁(9)和外壳外壁(10)的长边中央位置分别安装气路连接口(14)；外壳内壁(9)和外壳外壁(10)之间安装冷却管(23)，冷却管连接口(17)穿过外壳外壁(10)；样品夹具(4)通过压片(22)对样品(24)进行固定；加热模块(13)包括加热片(21)以及包裹于加热片(21)四周及底部的隔热陶瓷(20)；外壳内壁(9)和外壳外壁(10)上方安装上盖(18)，上盖(18)的中心为石墨圆顶(19)。2.根据权利要求1所述的基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，其特征在于：加热模块(13)位于相对放置的一对样品夹具(4)间的空隙中间位置，其直径为5～10mm，一对样品夹具(4)之间间隔为15～25mm；加热模块(13)中心正对石墨圆顶(19)的球心位置放置；样品(24)处于石墨圆顶(19)球心位置；加热模块(13)与样品(24)底面不直接接触，保留有50～500μm的空隙；加热模块(13)四周以及底面由隔热陶瓷(20)构成，仅留上表面对样品(24)进行加热；使用点接触式热电偶测量样品(24)上表面中间温度，并反馈给加热模块(13)；加热区间为室温到1800℃。3.根据权利要求1所述的基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，其特征在于：一对隔热墙(8)将外壳内的空间分为3个部分，加热实验在中间部分进行；隔热墙(8)下部开直径为1～2mm通孔(28)，以保证外壳内部的压力平衡；隔热墙(8)整体为“工”字结构，隔热墙(8)的两翼中空，气流进入形成气墙，隔热墙(8)中间通过样品夹具(4)的中轴(26)，保证样品夹具(4)在垂直双向螺杆(7)方向上的水平运动；隔热墙(8)与上盖(18)和外壳内壁(9)紧密接触，仅留通孔(28)作为气流交换通道。4.根据权利要求1所述的基于反射式X射线原位实验超高温力热耦合应变仪，其特征在于：样品夹具(4)的夹头(27)位于隔热墙(8)分隔出的中间位置，夹头(27)依靠压片和两枚螺钉(2)对样品(24)进行固定，设置在夹头(27)上的压片(22)面向加热模块(13)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凯，沈昊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61