一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置及方法制造方法及图纸

在高温力学测试领域中，本发明专利技术提供一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置及方法，包括力学加载单元

【技术实现步骤摘要】
一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置及方法


[0001]本专利技术涉高温力学测试领域，尤其涉及一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置及方法
。

技术介绍

[0002]在航空航天领域中，材料常处在高温和烧蚀环境中，材料的力学性能在高温环境下与室温下相比发生了极大变化
。
因此，研究材料的高温力学性能，对评估材料在高温条件下的变形和损伤机制具有重要意义
。
材料内部具有复杂的三维微细观结构，在高温环境下损伤与失效机理更加复杂多样
。
通常的离位和表面的观测手段难以提供充足的信息来分析材料的损伤和失效机理
。
因此开发对材料的高温原位和内部观测的实验仪器和测试方法对于提高材料安全性
、
可靠性及使用寿命方面具有重要的意义
。
[0003]通过基于
CT
的原位加载装置通过三维可视化的方式可以获得材料内部的真实变形和损伤情况，以揭示材料超高温条件下在变形
、
损伤和破坏的过程中内部结构和缺陷的演化
。
对于原位高温设备而言，理想状况是能够兼具快速升温
、
瞬态变温
、
精确控温和适用多种气氛环境
(
真空
、
惰性气体环境和有氧环境
)
特点的多功能高温炉设备，同时能够具备较大的承载能力
。
针对绝大部分高温炉都存在着升温速率慢
、
无法瞬态温度控制
、<br/>无法同时适应多种气氛环境的缺点，基于卤素灯红外辐射加热技术的高温炉是较好的选择
。
然而，一方面受到现有高温炉热源个数的限制，另一方面高温炉由于加工精度问题和温度变化产生变形等原因导致的卤素灯聚焦加热焦点位置精度的影响，使得高温炉测试区域能够达到的温度范围有限，难以在炉体中心即试样测试区域稳定实现较高温度；此外，测试区域尺寸会随测试试样的外形尺寸发生变化，准确控制卤素灯焦点位置以控制加热温区大小同样也是亟待解决的问题；最后，受限于
X
射线锥束形状以及
X
射线能量，高温炉中所设置的用于透过
X
射线的铝窗的窗口比较薄，由此产生承载能力和稳定性不足问题导致装置无法实现大荷载加载
。
[0004]基于实验室
X
射线三维断层扫描成像的高温原位设备中，传统的高温炉通过热传导及电磁感应方式加热，热传导如硅钼棒加热体高温炉
、
石墨加热体高温炉，这两种高温炉加热效率较低，升温速率慢，只能进行阶梯式加热，无法实现瞬态变温控制
。
此外，石墨加热体加热往往要求有惰性气体保护，在有氧环境下会导致发热体氧化
。
通电加热受限于试验有氧环境要求及所测试样的导电性，使用受限
。
因此，目前利用卤素灯作为小型原位力
‑
热
‑
氧耦合加载试验机的热源进行辐射加热的方式可满足快速升温
、
瞬态变温
、
持续超高温和适用多种气氛环境特点的多功能高温炉的需求
。
[0005]公开号为
CN111948065A
的专利技术专利公开了一种基于实验室
X
射线源的高温在位加载
CT
测试系统及其方法
。
其主要由拉伸试验机，上拉压杆
、
下拉压杆
、
高温炉支架
、
高温炉
、
循环水冷装置
、
动密封装置
、
上夹具
、
下夹具
、
入射窗口
、
透射窗口
、
射线源
、
探测器
、
第一移动装置
、
第二移动装置
、
温度传感器
、
旋转电机
、
温度控制面板和控制台
。
采用卤素灯泡对试样进行辐射加热，通过循环水冷装置对试样腔壁进行冷却保持室内温度，通过第一移动装
置和第二移动装置进行水平和竖直移动以实现试样腔内的试样拉伸和压缩，
X
射线通过入射窗口对试样在拉伸或者压缩过程中的内部损伤信息进行检测，获得材料损伤的演化信息
。
该系统和方法能够达到的温度范围为
800
～
1200℃
，不能满足高温陶瓷服役条件的超高温测试要求；该系统和方法中作为辐射加热热源的卤素灯位置固定，由于加工装配和高温变形带来的误差，各个卤素灯聚焦加热区域随着设备使用可能出现误差导致测试区域温度难以精确控制且最高加热温度下降；此外，专利通过加载装置与加热装置采用分离式设计，结合大型加载装置，可实现大载荷加载，然而这将导致仪器整体体积过大，不能满足异地测试的需求
。
[0006]公开号为
CN111060406A
的专利技术专利公开了一种高精度蠕变疲劳裂纹扩展试验机包括一台直流偏置电源
、
一个电压仪表
、
一台试验主机，其中一台试验主机包括高温
CT
拉伸工具
、
高温炉观察窗
、
对开式高温炉
(1200℃)、
高温炉旋转支架
、
电子万能试验主机
、CCD
相机旋转支架
、CCD
相机
、
温控箱及温控系统
、
测试控制系统及软件
。
通过对常规静态电子万能试验机的基础上加以改进，通过软硬件方面的加装，来实现对高温合金材料，高温环境下的裂纹扩展试验
。
该系统能够达到的最高温度约为
1200℃
，不能满足高温陶瓷服役条件的超高温测试要求；装置中采用的对开式高温炉直径较大，较大的成像距离会导致成像时间相应延长，不能满足快速成像要求；同时，该装置体积较大，由于材料测试的需求，测试实验可能在实验室
X
射线源或同步辐射光源完成，该装置不能满足便携及异地测试需求
。

技术实现思路

[0007]为解决上述高温炉及原位实验装置存在的问题，本专利技术提供了一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置及方法，在最高加热温度在不低于
2300℃
以上的情况下，一方面可以实现升温速率快，聚焦加热集中，温度阈值高；另一方面在大载荷的同时实现便携式设计，可满足该原位高温设备异地测试的需求，具体包括：
[0008]一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置，包括力学加载单元
、
夹具单元
、
高温炉和加热单元；
[0009]所述高温炉包括自上而下依次设置的上炉体
、
环形
X
射线透射窗和下炉体；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可调温区原位力热氧耦合加载试验装置，其特征在于，包括力学加载单元
、
夹具单元
、
高温炉和加热单元；所述高温炉包括自上而下依次设置的上炉体
、
环形
X
射线透射窗和下炉体；其中，所述上炉体的内壁内和下炉体的内壁内分别设置水冷管路，所述环形
X
射线透射窗的顶部通过第一法兰与所述上炉体的底部连接，所述环形
X
射线透射窗的底部通过第二法兰与所述下炉体的顶部连通，所述第一法兰的侧壁内和所述第二法兰的侧壁内分别内置水冷管路；所述环形
X
射线透射窗的环形壳体内布置的水冷管路，所述高温炉的侧壁上设置真空导管；所述夹具单元设置在所述高温炉内，所述夹具单元与所述高温炉同轴设置，所述夹具单元用于夹持试样，所述夹具单元包括上夹具和下夹具，所述上夹具的安装端与所述力学加载单元的输出端连接，所述下夹具的安装端固定在所述下炉体的底部；其中，所述力学加载单元通过所述夹具单元对所述试样施加预紧力或预压力并使所述试样保持稳定；所述加热单元包括卤素灯
、
灯罩和安装座，所述卤素灯安装在所述灯罩中，所述灯罩安装在所述安装座中，所述上炉体的球形侧壁和所述下炉体的球形侧壁上分别周向均匀设置多个安装孔，所述安装座通过安装孔安装在所述高温炉上，其中，所述卤素灯的数量与所述安装孔的数量相适配；其中，所述安装座包括：基座，所述基座安装在所述高温炉的外侧壁表面，所述基座的位置与所述安装孔位置适配；环形固定法兰，所述环形固定法兰通过转杆安装在所述基座上；环形移动法兰，所述环形移动法兰设置在所述基座和所述环形固定法兰之间，所述灯罩的罩沿安装在所述环形移动法兰的内侧壁上的环形安装槽中；转杆，所述转杆的数量至少为两个，所述转杆均匀周向均匀的安装在所述环形固定法兰上，所述转杆依次穿过所述基座和所述环形移动法兰并安装在所述环形固定法兰上，所述环形移动法兰与所述转杆的杆身螺纹安装；所述转杆远离所述环形固定板的一端设置旋钮，转动所述旋钮调整对应卤素灯距离所述试样的远近，和
/
或，转动所述旋钮调整对应卤素灯的光线朝向；其中，所述灯罩的内壁为反射面设置，所述灯罩的内壁支持将接收到的光线聚焦到所述试样的中心点上
。2.
根据权利要求1所述的可调温区原位力热氧耦合加载试验装置，其特征在于，所述安装座还包括弹簧，所述弹簧套设在所述转杆上，所述弹簧设置在环形固定法兰和所述环形移动法兰之间
。3.
根据权利要求2所述的可调温区原位力热氧耦合加载试验装置，其特征在于，在一个所述基座上，所述转杆的数量范围为2个至8个，所述转杆的数量
、
旋钮的数量和弹簧的数量彼此适配
。4.
根据权利要求3所述的可调温区原位力热氧耦合加载试验装置，其特征在于，所述真空导管与抽气装置连接，所述真空导管用于使所述高温炉内形成真空环境；
或；所述真空导管与进气装置连接，所述真空导管用于向所述高温炉内通入惰性气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：席立，薛开元，崔潇川，方岱宁，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：