一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，包括激光加热器、力学性能试验装置、气氛罐、气氛炉、照明光源、相机、热像仪以及工业显微镜等；气氛炉在力学性能试验装置中被夹持固定，气氛炉的一端开设有光路通道，另一端开设有气氛通道，试验时，试验件置于气氛炉中；激光加热器置于托座上，并与光路通道平齐，且激光加热器的管口靠近气氛炉中的光路通道；气氛罐通过稳压阀将压缩气体均匀地向试验件受热部位背面喷射；照明光源、相机、热像仪和工业显微镜透过观测窗对准试验件受热部位。本发明专利技术能够实现受热面积可变、加热温度可调、温度梯度可控，同时能实现不同气氛环境下的性能测试，并对多种损伤进行实时监测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置


[0001]本专利技术属于航空航天
，具体涉及一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器头锥、翼前缘以及航空发动机涡轮叶片、燃烧室等热端部件在服役时处于极端高温环境，需要通过高效的冷却方法来降低热端部件表面温度，以保证其在特定温度区间内服役。然而，由于冷却通道、部件结构不规则以及不均匀温度场的相互影响，高温气体在流经热端部件壁面后，不仅壁面面内温度分布不均匀，壁面内外温差极大，导致了头锥、翼前缘、涡轮叶片和燃烧室等热端部件面临着极端温度梯度载荷的考验。在承受大温度梯度载荷时，热端部件的不同部位将会发生不一致的体积变化，导致变形不协调，进而产生极大的热应力。此外，热端部件还承受着机械载荷，这将加速损伤和破坏的产生。因此，开展服役环境及大温度梯度下高温材料力学性能试验研究可为航空航天重大装备关键热端部件的考核提供技术支持，有助于其综合性能的提升。
[0003]开展大温度梯度下原位力学试验的关键是选择先进的加热技术，传统的加热技术主要有电磁感应加热、电阻加热、石英灯辐照加热以及燃气加热等。电磁感应加热趋肤效应明显、热惯性大，且对陶瓷等非金属材料无法有效加热；电阻加热热惯性大、升降温速率慢、控温精度差；石英灯辐照加热灯管寿命短、温度上限不高、热量分散；燃气加热控温精度差、温度分布不均匀。近年来，激光加热技术因其能量集中、温度上限高、升温速率快等优点，被美国航空航天局(NASA)、加利福尼亚大学等国外研究机构用于军工相关的热梯度考核试验。然而据有限的报道，这些研究机构基于激光加热的热梯度考核试验装置并不能模拟真实服役情况下的环境气氛，缺乏精确的损伤监测系统，集成度低，具有一定缺陷。因此，发展一种控温精准、气氛可调、加热面积可变、集成度高、损伤监测准确的先进激光加热方式，结合气冷冷却装置、力学试验系统以及损伤原位监测系统，用以考核服役环境及大温度梯度下高温材料的综合力学性能，对我国先进高超声速飞行器以及高推重比的航空发动机等大国重器的研制具有重大意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是传统温度梯度原位力学试验装置，受热面积不可变、真空及氧化/还原气氛等环境不易实现、裂纹扩展灯损伤形式不可实时监测，目的在于提供一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，能够实现受热面积可变、加热温度可调、温度梯度可控，同时能实现真空及不同氧化/还原气氛环境下的性能测试，并且对裂纹的扩展进行实时的监测以研究材料在服役过程中的裂纹扩展性质。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0006]一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，包括托座、激光加热器、力学性能试验装置、气氛罐、稳压阀、气氛炉、照明光源、相机、热像仪以及工业显微镜；
[0007]气氛炉在力学性能试验装置中被夹持固定，气氛炉的一端开设有光路通道，另一端开设有气氛通道，试验时，试验件设置于气氛炉中；激光加热器置于托座上，并与光路通道平齐，且激光加热器的管口靠近气氛炉中的光路通道；气氛罐通过稳压阀与气氛炉中气氛通道相连，稳压阀使得气氛罐内的压缩气体能够均匀地向试验件受热部位背面喷射；照明光源、相机、热像仪和工业显微镜透过气氛炉侧面的石英玻璃观测窗对准试验件上的受热部位。
[0008]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置包括夹持装置、横梁、导轨、连接杆和底座；
[0009]导轨与底座固定，横梁滑动连接于导轨，夹持装置固定于横梁与底座上，气氛炉通过连接杆滑动连接于导轨，沿导轨上下滑动并能够在导轨的任意位置锁定，气氛炉置于夹持装置之间，试验件被夹持装置夹持，并贯穿气氛炉的上下开孔。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置具备电阻损伤监测系统，包括内电阻导线和外电阻导线，外电阻导线缠绕于试验件最外端，内电阻导线缠绕与试验件内端，夹持装置与缠绕外电阻导线、内电阻导线的部位啮合。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置具备声发射损伤监测系统，包括声发射传感器，声发射传感器贴合于处于夹持装置与气氛炉之间的试验件上。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置中气氛炉内嵌有包含透镜的激光光路通道，透镜固定于激光光路通道末端，能够随激光光路通道滑动，以调节激光光斑大小。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置具备测温系统，具体包括热电偶、热像仪，热电偶的测温端贴合于试验件的受热部位及冷却部位，热像仪透过石英玻璃正对受热部位。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，气氛炉外层采用不锈钢材质，内层采用莫来石制成，其夹持装置表面喷涂有氧化锆陶瓷涂层。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，托座能够携带激光加热器水平移动。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，气氛炉上下面各开设有8个散气孔，用于气氛溢出。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，力学性能试验装置具备非接触应变监测系统，包含相机和照明光源，用于对涂满散斑的感兴趣部位进行应变监测。
[0018]相较于现有技术，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：
[0019]1、本专利技术提供的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，采用先进的激光加热装置替代传统的电磁感应加热、电阻加热以及石英灯辐照加热等加热方式，可以在对试验件一侧受热区域进行非接触快速加热的同时对另一侧进行快速冷却，可模拟出可控的大温度梯度，适用材料范围广，实用性强，试验周期短，为大温度梯度力学性能试验提供了可靠的试验平台；
[0020]2、本专利技术提供的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，可通过调整透镜与试验件之间的距离以及激光加热器的功率，改变试验件受热面积以及温度，以满足不同的试验需求；
[0021]3、本专利技术提供的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，可通过调整气氛灌内各种气氛的占比，改变试验过程中的气氛环境，从而尽可能真实的模拟试验件的实际服役环境，提高测试数据的准确性；
[0022]4、本专利技术提供的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，内置了电阻损伤监测系统、声发射损伤监测系统、应变监测系统以及形貌损伤监测系统，可通过对多种损伤监测系统的搭配组合，进行多功能、多角度、准确度高的无损损伤监测。此外，利用了激光能量密度大、局部加热的优点，无需复杂冷却系统，不易因高温损坏灵敏的传感器。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置示意图。
[0024]图2为本专利技术的力学性能试验装置以及气氛炉的正视图。
[0025]图3为本专利技术的夹持装置以及气氛炉的剖视图，其中图3(b)为图3(a)的A
‑
A向剖视图。
[0026]附图标记说明：
[0027]1、托座；2、激光加热器；3、力学性能试验装置；4、气氛罐；5、稳压阀；6、气氛炉；7、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，其特征在于，包括托座、激光加热器、力学性能试验装置、气氛罐、稳压阀、气氛炉、照明光源、相机、热像仪以及工业显微镜；气氛炉在力学性能试验装置中被夹持固定，气氛炉的一端开设有光路通道，另一端开设有气氛通道，试验时，试验件设置于气氛炉中；激光加热器置于托座上，并与光路通道平齐，且激光加热器的管口靠近气氛炉中的光路通道；气氛罐通过稳压阀与气氛炉中气氛通道相连，稳压阀使得气氛罐内的压缩气体能够均匀地向试验件受热部位背面喷射；照明光源、相机、热像仪和工业显微镜透过气氛炉侧面的石英玻璃观测窗对准试验件上的受热部位。2.根据权利要求1所述的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，其特征在于，力学性能试验装置包括夹持装置、横梁、导轨、连接杆和底座；导轨与底座固定，横梁滑动连接于导轨，夹持装置固定于横梁与底座上，气氛炉通过连接杆滑动连接于导轨，沿导轨上下滑动并能够在导轨的任意位置锁定，气氛炉置于夹持装置之间，试验件被夹持装置夹持，并贯穿气氛炉的上下开孔。3.根据权利要求2所述的一种基于激光加热的大温度梯度面积可调力学试验装置，其特征在于，力学性能试验装置具备电阻损伤监测系统，包括内电阻导线和外电阻导线，外电阻导线缠绕于试验件最外端，内电阻导线缠绕与试验件内端，夹持装置与缠绕外电阻导线、内电阻导线的部位啮合。4.根据权利要求2所述的一种基于激光加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋小超，许琦鹏，侯成，杨晶晶，冯圣，范学领，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：