高温超声疲劳原位测试仪器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高温超声疲劳原位测试仪器，属于精密科学仪器领域。仪器由整体框架模块、机械加载模块、高温加载模块和原位监测模块组成，整体框架模块用于对各功能模块精确定位，同时提供稳定支撑和有效隔振；机械加载模块用于对被测试样两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，依据测试需要施加超声疲劳载荷，并可实现轴向的精确转位；高温加载模块用于对被测试样施加高温载荷；原位监测模块用于对被测试样的表面变形损伤与内部损伤缺陷实施并行原位监测。可实现对被测试样缺陷信息由内而外、由表及里的同步表征及三维重构。具有载荷环境复杂、测试精度高、同时能动态监测材料力学行为与变形损伤机制的特点。

High temperature ultrasonic fatigue in situ testing instrument

【技术实现步骤摘要】
高温超声疲劳原位测试仪器
本技术涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种高温超声疲劳原位测试仪器。在真空或惰性气体氛围下实现被测材料试样的高温加载，同时可实现对被测试样缺陷信息由内而外、由表及里的同步表征及三维重构。为航空航天、装备制造等领域材料在高温、超声载荷作用下的疲劳性能及变形损伤机制研究提供了一种可靠手段。
技术介绍
结合原位监测手段，开展力热耦合疲劳测试是获取材料在高温下的服役性能、探究其疲劳性能演化规律的重要手段。在航空航天、装备制造等领域，一些关键结构材料如航空发动机涡轮叶片、汽车发动机活塞等常在高温、高频的工况下服役，疲劳失效时有发生，对国家造成了严重的经济损失。如何实现高温温度场及高频机械载荷的高精度加载，模拟材料接近实际服役工况，并结合原位监测装置开展材料接近实际服役工况下的原位监测，是评估材料高温疲劳性能和服役安全性的关键。万能试验机、超声疲劳试验机、低频疲劳试验机、集成马弗炉的疲劳试验机等是目前市面上比较常见的材料试验机，这些试验机结构简单、功能单一，难以构建真空或惰性气体氛围，无法实现对被测试样高温温度场及高频机械载荷的高精度加载，并且由于缺乏原位监测装置，在试验过程中也难以开展对被测试样的原位监测。受制于现有材料测试装置，现有的测试方法也相对单一，难以实现对航空、航天及汽车等关键领域材料在高温、超声疲劳作用下疲劳性能及变形损伤机制的研究。随着光学显微成像技术、红外热成像技术、X射线晶体衍射技术等在材料微观力学性能测试领域的广泛应用，基于多种原位监测手段并行监测的原位力学测试技术在关键领域材料高温疲劳性能及变形损伤机制研究中的作用愈发突出。如：采用CT扫描成像技术和光学显微成像技术同步表征，可直观获取被测试样内部三维形貌及表面微区形貌；采用CT扫描成像技术和红外热成像技术同步表征，可直观获取被测试样内部损伤的三维形貌及试样标距段全局温度分布信息。综上所述，面向国家航空航天、装备制造等领域关键结构材料的重大测试需求，结合现有的原位监测技术，研制一种高温超声疲劳原位测试仪器是十分必要的。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种高温超声疲劳原位测试仪器，弥补现有测试技术的不足。本技术仪器采用液压伺服驱动技术、电伺服驱动技术、压电超声驱动技术，并结合电阻丝辐射加热技术，可构建真空或惰性气体氛围，实现对被测试样在高温环境下的超声疲劳测试。同时，采用高景深显微成像装置、红外热成像装置、CT扫描装置，可实现对被测试样缺陷信息由内而外、由表及里的同步表征及三维重构；面向国家航空航天、装备制造等领域关键结构材料的重大测试需求，为其在高温、超声疲劳作用下疲劳性能及变形损伤机制的研究提供了可靠手段。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：高温超声疲劳原位测试仪器，包括整体框架模块1、机械加载模块2、原位监测模块3、高温加载模块4，整体框架模块1采用四立柱式结构，实现对机械加载模块2、原位监测模块3、高温加载模块4的牢固支撑，机械加载模块2分别通过商业化电机驱动组件40的支撑外壳、上液压缸43的连接法兰与整体框架模块1中的上支撑板9、安装平台5刚性连接，实现对被测试样的两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，原位监测模块3分别通过固定底板67、固定座60、导轨座61和安装架58与整体框架模块1中的安装平台5、CT固定板Ⅱ14、立柱连接块8、CT固定板Ⅰ7刚性连接，实现对被测试样缺陷信息进行由内而外、由表及里的同步表征及三维重构；高温加载模块4通过“L”型支座75与整体框架模块1的安装平台5刚性连接，并通过上、下动密封波纹管71、77与机械加载模块2中的上、下超声探头上33、35连接，构建真空或惰性气体氛围以隔绝氧气，实现对被测试样的高温加载。所述的机械加载模块2包含液压加载子模块15、超声加载子模块16和试样转位子模块17，超声加载子模块16实现对被测试样的超声疲劳加载，液压加载子模块15分别通过上、下活塞杆46、47与试样转位子模块17的胀紧套Ⅱ41及超声加载子模块16的胀紧套Ⅰ38刚性连接；试样转位子模块17通过胀紧套Ⅲ42与超声加载子模块16的中间连接杆27刚性连接，在一次测试试验中，同时实现对被测试样进行双端同步静态拉伸载荷加载、超声疲劳载荷加载与轴向精确转位。所述的超声加载子模块16中的上、下高温连杆23、22的尺寸超声系统匹配，在20kHz下达到纵振；上、下高温连杆23、22中开有对称分布的“H”型冷却流道，且冷却流道的出/入口均设置在其振动位移节点，以减小冷却水管对上、下高温连杆23、22振动的干扰。所述的原位监测模块3包含三维红外热成像子模块51、高景深显微成像子模块52、CT扫描成像子模块53，所述三维红外热成像子模块51的两个红外热成像装置69均放置在“H”型安装板62上，实现对被测试样标距段全局温度信息的三维重构；所述高景深显微成像子模块52是：高景深显微成像装置65固定在显微镜安装板64上，显微镜安装板64固定在显微镜三自由度定位平台66上，在显微镜三自由度定位平台66的驱动下，高景深显微成像装置65相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整，实现对被测试样标距中心微区表面形貌、缺陷的随动监测；所述CT扫描成像子模块53是：CT主机55固定在支撑板59上，支撑板59固定在CT三自由度定位平台54上，CT三自由度定位平台54固定在固定座60上，高分辨率接收板56固定在接收板Z向定位平台57上，接收板Z向定位平台57固定在安装架58上，在CT三自由度定位平台54的驱动下，CT主机55相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整；在接收板Z向定位平台57的驱动下，高分辨率接收板56相对被测试样的轴向进行快速、精确调整，CT主机55与高分辨率接收板56配合使用，实现对被测试样标距段的逐层扫描、成像。所述的“H”型安装板62与滑块组件Ⅰ68连接，滑块组件Ⅰ68与导轨组件Ⅰ63配合，导轨组件Ⅰ63与导轨座61刚性连接，“H”型安装板62上加工有螺纹孔，导轨座61的相应位置加工有盲孔，“H”型安装板62沿着导轨组件Ⅰ63上下移动，并通过螺栓实现与导轨座61的固定。所述的高温加载模块4中，气体弹簧组件82与上动密封波纹管71的法兰刚性连接，限制波纹管的轴向转动自由度，防止波纹管受扭破坏。所述的高温加载模块4中，旋转密封组件Ⅰ、Ⅱ87、91包含密封圈Ⅰ94、密封圈组件95、密封圈Ⅱ96、密封轴套97、密封法兰98，密封圈组件95嵌入上超声探头33轴肩的密封槽内，密封圈Ⅰ94嵌入密封法兰98的密封槽内，密封圈Ⅱ96嵌入上动密封波纹管71法兰上的密封槽内，旋转密封组件Ⅰ、Ⅱ87、91与上、下超声探头33、35配合，实现旋转密封。所述的高温加载模块4中，内嵌式石英观测窗组件89为独立的模块，通过螺栓固定在真空腔72外壁上；内嵌式石英观测窗组件89由内外两层石英玻璃组成，内外两层石英玻璃间有间隙，通入循环冷却水实现冷却，外层石英玻璃的底部紧靠加热炉78的炉壁，内层石英玻璃内径大于高景深显微成像装置65的镜头外径，试验时高景深显微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：包括整体框架模块（1）、机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4），整体框架模块（1）采用四立柱式结构，实现对机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4）的牢固支撑，机械加载模块（2）分别通过商业化电机驱动组件（40）的支撑外壳、上液压缸（43）的连接法兰与整体框架模块（1）中的上支撑板（9）、安装平台（5）刚性连接，实现对被测试样的两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，原位监测模块（3）分别通过固定底板（67）、固定座（60）、导轨座（61）和安装架（58）与整体框架模块（1）中的安装平台（5）、CT固定板Ⅱ（14）、立柱连接块（8）、CT固定板Ⅰ（7）刚性连接，实现对被测试样缺陷信息进行由内而外、由表及里的同步表征及三维重构；高温加载模块（4）通过“L”型支座（75）与整体框架模块（1）的安装平台（5）刚性连接，并通过上、下动密封波纹管（71、77）与机械加载模块（2）中的上、下超声探头上（33、35）连接，构建真空或惰性气体氛围以隔绝氧气，实现对被测试样的高温加载。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：包括整体框架模块（1）、机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4），整体框架模块（1）采用四立柱式结构，实现对机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4）的牢固支撑，机械加载模块（2）分别通过商业化电机驱动组件（40）的支撑外壳、上液压缸（43）的连接法兰与整体框架模块（1）中的上支撑板（9）、安装平台（5）刚性连接，实现对被测试样的两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，原位监测模块（3）分别通过固定底板（67）、固定座（60）、导轨座（61）和安装架（58）与整体框架模块（1）中的安装平台（5）、CT固定板Ⅱ（14）、立柱连接块（8）、CT固定板Ⅰ（7）刚性连接，实现对被测试样缺陷信息进行由内而外、由表及里的同步表征及三维重构；高温加载模块（4）通过“L”型支座（75）与整体框架模块（1）的安装平台（5）刚性连接，并通过上、下动密封波纹管（71、77）与机械加载模块（2）中的上、下超声探头上（33、35）连接，构建真空或惰性气体氛围以隔绝氧气，实现对被测试样的高温加载。


2.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的机械加载模块（2）包含液压加载子模块（15）、超声加载子模块（16）和试样转位子模块（17），超声加载子模块（16）实现对被测试样的超声疲劳加载，液压加载子模块（15）分别通过上、下活塞杆（46、47）与试样转位子模块（17）的胀紧套Ⅱ（41）及超声加载子模块（16）的胀紧套Ⅰ（38）刚性连接；试样转位子模块（17）通过胀紧套Ⅲ（42）与超声加载子模块（16）的中间连接杆（27）刚性连接，在一次测试试验中，同时实现对被测试样进行双端同步静态拉伸载荷加载、超声疲劳载荷加载与轴向精确转位。


3.根据权利要求2所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的超声加载子模块（16）中的上、下高温连杆（23、22）的尺寸超声系统匹配，在20kHz下达到纵振；上、下高温连杆（23、22）中开有对称分布的“H”型冷却流道，且冷却流道的出/入口均设置在其振动位移节点，以减小冷却水管对上、下高温连杆（23、22）振动的干扰。


4.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的原位监测模块（3）包含三维红外热成像子模块（51）、高景深显微成像子模块（52）、CT扫描成像子模块（53），所述三维红外热成像子模块（51）的两个红外热成像装置（69）均放置在“H”型安装板（62）上，实现对被测试样标距段全局温度信息的三维重构；所述高景深显微成像子模块（52）是：高景深显微成像装置（65）固定在显微镜安装板（64）上，显微镜安装板（64）固定在显微镜三自由度定位平台（66）上，在显微镜三自由度定位平台（66）的驱动下，高景深显微成像装置（65）相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整，实现对被测试样标距中心微区表面形貌、缺陷的随动监测；所述CT扫描成像子模块（5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，赵久成，周水龙，李文博，靖旭，张世忠，徐利霞，赵大庆，赵甄章，方宇明，李世超，孟凡越，王赵鑫，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22