CN101672749B - 材料表面变形测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料表面变形测试装置以及测试方法，所述装置包括材料力学性能试验机、红外快速加热设备、表面变形光学测试系统、温度采集装置、真空系统和夹具。所述夹具将试样固定在真空系统的真空室内，并与材料力学性能试验机相连，红外快速加热设备为试样提供热载荷，表面变形光学测试系统对试样表面变形进行测量。该装置及测试方法能够同时对材料进行加热、加力和同步测试表面面内变形场。对航空发动机在较高温度和载荷水平的服役环境的耦合模拟以及该环境下高温结构材料的表面变形情况进行测试。

Description

材料表面变形测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，涉及一种材料表面变形测试装置及测试方法，尤其是一种适用于航空发动机用高温结构材料在定温、变温、定力、变力耦合的模拟环境下材料表面全场变形的测试装置及方法。

背景技术

航空发动机用高温结构材料的服役环境十分恶劣，具有如下特点：1)超高温度。一般服役温度在800～1200℃；2)升温速率快，快速热循环。航空发动机从点火到进入工作状态所需时间以秒计时，一般巡航时间为30～60min；3)各方向的温度梯度。由于空心气流冷却，和不规则的外形，航空发动机的叶片的径向与表面存在较大的温度梯度。常用高温结构材料以Ni基、Co基合金以及TiAl等金属间化合物为主，其室温与高温下受载变形有明显的不同，高温条件下呈现韧性，室温下呈现脆性，升温过程中存在韧脆过渡与转变。而不同变形机制控制下的材料实效模式则不同，例如裂纹的萌生位置、大小以及扩展方向等等。测试不同温度下表面变形情况对分析材料的失效模式意义重大。到目前为止，人们对材料高温力学性能的研究主要还是通过接触式测量来实现的，尤其是针对高温应变的测量主要有高温引伸计法等，该类方法具有测量精度高、稳定性好等优点，同时也具有对试样尺寸有一定要求、应变测量结果为测量区域的平均量不能反映细节等缺点。目前非接触式表面变形测量方法主要有光弹性法、云纹法、散斑干涉法等等，这些方法都是通过光学干涉或几何干涉的方法来获得表面变形信息的，其具有测量精度高、能反映全场变形信息等优点，但是多数方法都具有光路复杂、测试条件要求高、试样表面需做许多复杂的前期处理准备等缺点，该缺点限制了该类方法在高温条件下的测试。

目前高温条件下的测试通常采用的加热方式主要有电阻加热、高频感应加热、火焰加热、辐射加热等。其中火焰加热的升温速率最快、较为接近航空发动机叶片工作环境，但设备以及运行费用昂贵；高频感应直接加热样品所获得的升温速率快，但由于只能加热高温合金基体，与航空发动机的加热方式不符；而采用石墨、硅碳棒等电阻加热方式的升温速率较低，难以满足航空发动机快速升温的条件。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种材料表面变形测试装置，它能够同时进行热-力的耦合加载，并且可以随着载荷的变化实时的测量表面面内位移场，解决了现有高温变形测试手段无法对全场变形细节作分析以及适用范围窄的局限性，它将试样放置于真空室中测量，采用红外聚焦辐射的加热方式，解决了常规表面变形的光学测量方法无法在高温下进行测试的问题。

本发明的目的之二是提供一种运用材料表面变形测试装置对航空发动机用金属结构材料进行表面变形测试的方法，它可以根据航空发动机的工作特点进行服役条件模拟的同时对表面的变形进行实时测量。对航空发动机巡航过程中高温与高机械载荷偶合作用下的表面变形情况实现全场测量。

本发明的一种材料表面变形测试装置，包括材料力学性能试验机、红外快速加热设备、表面变形光学测试系统、温度采集装置、真空系统和夹具。所述的夹具穿过真空系统的真空室，将试样固定在真空室内部，并且夹具与真空室连接处密封；真空室外部的夹具两端分别连接材料力学性能试验机的上接口和下接口，材料力学性能试验机通过夹具对试验进行力加载；所述的红外快速加热设备设置在真空室外侧用于对真空室内部的试样进行热加载，温度采集装置实时采集试样表面温度。

本发明的一种材料表面变形测试方法步骤有：

步骤一，连接、组合各设备，形成材料表面变形测试装置；

将上密封夹具与下密封夹具的试样连接端与试样螺纹连接，将试样置于真空室内，保证真空室与夹具之间的良好密封；然后将波纹管套在夹具上并使得波纹管的支撑盘与真空室螺纹连接，端盖与夹具上的凸台连接；将上密封夹具与下密封夹具的设备连接端与材料力学性能试验机连接；然后将温度采集装置的热电偶通过热电偶连接孔深入真空室内部贴于试样表面。

步骤二，对试样进行热-力耦合加载；

(A)抽真空；

真空系统通过真空泵对真空室内抽真空，并由真空泵维持一定的真空度，真空度示数通过连接于支撑盘的真空表读出。

(B)启动表面变形光学测试系统和红外快速加热设备，红外快速加热设备对试样进行热加载，升温速率控制在50～150℃/s，使试样表面温度达到材料测试所要求的温度并保持恒定10～15min。

(C)待温度恒定后启动材料力学性能试验机，以一定的加载速率对试样进行力加载。

(D)启动温度采集装置采集试样表面温度。

步骤三，对试样表面变形进行光学测量；

(A)表面变形光学测试系统中的半导体激光器向分光棱镜发射激光，调节光纤耦合器使经过分光棱镜的激光耦合入光导纤维I和光导纤维II，再调节扩束准直镜I和扩束准直镜II使激光分别从光导纤维I和光导纤维II中耦合输出直径为10mm左右的均匀束，并以对称角度入射到材料表面。

(B)调节三维平移台使试样表面处于带光圈的显微镜头视野正中，调节显微镜头光圈使光场强度适中，调节焦距使试样表面清晰成像。

(C)图像采集及处理计算机对材料表面图像进行连续采集及处理，得到材料表面随着载荷变化而变化的水平与垂直变形场情况；

步骤四，改变对试样加载的热-力载荷，利用步骤三中的测量方法进行变形测量，完成试样在热-力耦合作用下的表面变形场测量过程。

本发明的优点在于：

(1)通过真空系统及夹具将材料力学性能试验机、红外快速加热设备、表面变形光学测量系统有机结合组成一个一体形式的热-力耦合加载变形测试系统设备，是具有快速升温、机械载荷加载、真空测试环境、高灵敏度表面全场变形实时测量的综合试验平台；

(2)本发明实现了在热-力耦合加载条件下对材料表面、面内变形场进行实时测量；

(3)本发明装置对材料在定温、变温、定力和变力服役过程中对裂纹的形成与扩展信息进行原位无损检测，获得材料优化设计的实验依据。

(4)本设备将试样放置于真空系统中进行真空下的高温加载测试，有效的避免了高温大气条件下，材料表面会产生密度不均匀变化的湍流以及对于金属类材料高温氧化将改变表面状态这两方面的影响。

(5)高温结构材料在航空发动机中的受力可以分解为蠕变，高、低周疲劳，热机械疲劳等，将试验平台的主体加热部分连接到材料力学性能试验机获得了力学环境。

(6)采用红外辐射并配合椭球面聚焦，获得局部加热、高速升温，且热效率高、无污染，更适合于模拟器中所必须采取的一系列原位测试；同时，根据聚焦大小不同，可以控制加热区，获得沿样品长度方向上的温度梯度。

(7)高温条件下，红外快速加热设备内部的加热器以及试样表面产生的红外以及长波长可见光波段的杂光是光学测试的主要干扰光，本发明中将基于数字图像相关方法的光学测试系统配以532nm绿色激光以及532nm绿色滤光片可有效避开干扰光，保证测量的精度。

附图说明

图1是本发明提供的表面变形测试装置整体架构示意图；

图2是本发明提供的表面变形测试装置中夹具与真空室装配示意图；

图3是本发明提供的表面变形测试装置中上密封夹具结构示意图；

图4是本发明中波纹管结构示意图；

图5是本发明中表面变形光学测试系统的示意图；

图6是本发明提供的表面变形测试方法的步骤流程图。

图中：

1.红外快速加热设备      2.夹具              201.上密封夹具      202.下密封夹具

203.试样连接端          204.设备连接端      205.凸台

3.材料力学性能试验机    4.表面变形光学测试系统                  401.减震光学平台

402.光学平板            403.半导体激光器    404.分光棱镜        405.光纤耦合器I

406.光纤耦合器II        407.光导纤维I       408.光导纤维II      409.扩束准直镜支架

410.角位移台I           411.扩束准直镜I     412.角位移台II      413.扩束准直镜II

414.高分辨工业相机      415.滤波片          416.偏振片

417.带光圈的显微镜头    418.三维平移台      419.光学滑台

420.图像采集与处理计算机                    5.真空系统          501.真空室

502.石英玻璃            503.玻璃压板        504.带陈台的螺纹孔

6.温度采集装置          7.试样              8.波纹管            801.支撑盘

802.端盖                803.热电偶连接孔    804.真空表连接孔    805.真空泵连接孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的材料表面变形测试装置可对航空发动机用结构材料在热-力耦合服役条件下表面、面内全场变形情况进行测试，尤其适用于发动机高温结构材料的表面变形测试。材料表面变形场的获得为探究结构材料在其服役环境下的变形机制，失效机制提供了较直观的分析手段。

本发明提供的一种材料表面变形测试装置，其结构组成的示意图如图1所示，主要包括红外快速加热设备1、夹具2、材料力学性能试验机3、表面变形光学测试系统4、真空系统5和温度采集装置6，其中夹具2穿过真空系统5的真空室501，将试样7固定设置在真空室501内部，同时真空室501外部的夹具2的两端分别与材料力学性能试验机3连接；夹具2与真空室501的连接处密封；红外快速加热设备1设置在真空室501外侧，用于对真空室501内的试样7进行热载荷加载，加热方式为红外聚焦辐射加热；所述温度采集装置6用于实时采集真空系室501内的试样7表面温度；表面变形光学测试系统4包括激光分光照明系统和图像采集处理系统，用于对试样7表面变形图像进行采集和处理。

如图2所示，所述的夹具2包括上密封夹具201和下密封夹具202两部分，上密封夹具201和下密封夹具202上分别设有试样连接端203和设备连接端204，如图3所示的上密封夹具201示意图，在靠近试样连接端203附近设有凸台205结构。所述的上密封夹具201和下密封夹具202的试样连接端203分别与试样7两端螺纹连接，如图2，将试样7固定在真空室501内部，上密封夹具201和下密封夹具202的设备连接端204穿过真空室501上螺纹孔504，分别与材料力学性能试验机3的上接口和下接口连接。所述凸台205用于与波纹管连接。

请参见图2，真空系统5包括真空室501，所述的真空室501为一个具有五个侧面的棱柱结构，其中第一侧面和第三侧面、第四侧面为透明面，另外两个侧面为不透明金属材料表面。所述的透明面为石英玻璃502，所述的石英玻璃502通过耐高温密封橡胶条和玻璃压板503挤压并固定密封，玻璃压板503与真空室501侧壁螺钉连接。

所述真空室501的上表面和下表面上分别设有带沉台的螺纹孔504，所述的螺纹孔504与波纹管8螺纹连接；另外，上密封夹具201和下密封夹具202分别穿过真空室501的上表面和下表面是螺纹孔504，固定真空室501内的试样7。

如图2所示，所述的波纹管8有两个，分别套在上密封夹具201和下密封夹具202上，两个波纹管8中心都是空心通孔，如图4所示，每个波纹管8上设有支撑盘801和端盖802结构，所述的支撑盘801外周设有螺纹，用于与真空室501上、下表面的螺纹孔504连接紧固，并且所述的支撑盘801与螺纹孔504之间通过耐高温橡胶圈密封。所述的端盖802与上密封夹具201和下密封夹具202上的凸台205紧固连接。

在所述上密封夹具201上连接的波纹管8的支撑盘801上设置有热电偶连接孔803和真空表连接孔804，所述的真空表连接孔804螺纹连接真空表，真空表用于测试真空室501内的真空度，所述的热电偶连接孔803内穿过温度采集装置6的热电偶，热电偶的一端连接测温仪表，另一端与试样7表面接触，实现试样7表面温度的采集；在所述下密封夹具202上连接波纹管8的支撑盘801上设置有真空泵连接孔805，真空泵通过带有外螺纹接口的真空管与真空泵连接孔805螺纹紧固。所述的热电偶与热电偶连接孔803之间密封。

请参见图5，所述表面变形光学测试系统4设有减震光学平台401、光学平板402、半导体激光器403、分光棱镜404、光纤耦合器I405、光纤耦合器II406、光导纤维I407、光导纤维II408、扩束准直镜支架409，角位移台I4I0、扩束准直镜I411、角位移台II412、扩束准直镜II413、分辨工业相机414、滤波片415、偏振片416、带光圈的显微镜头417、三维平移台418、光学滑台419、图像采集与处理计算机420；

所述光学平板402、半导体激光器403、分光棱镜404、光纤耦合器I405、光纤耦合器II406、光导纤维I407、光导纤维II408、扩束准直镜支架409，角位移台I410、扩束准直镜I411、角位移台II412、扩束准直镜II413构成激光分光照明系统；半导体激光器403通过螺钉固定于光学平板402，分光棱镜404通过棱镜台固定于光学平板402上半导体激光器403前端，光纤耦合器I405和光纤耦合器II406固定于光学平板402上，并与分光棱镜404的出射分光光线共轴，扩束准直镜I411通过角位移台I410固定于扩束准直镜支架409下端，扩束准直镜II413通过角位移台II412固定于扩束准直镜支架409上端，光导纤维I407连接于光纤耦合器I405和扩束准直镜I411之间，光导纤维II408连接于所述光纤耦合器II406和扩束准直镜II413之间；光学平板402、扩束准直镜支架409通过螺钉固定于减震光学平台401上的螺纹孔阵列，实现与减震光学平台401的定位固定；

所述高分辨工业相机414、滤波片415、偏振片416、带光圈的显微镜头417、三维平移台418、光学滑台419、图像采集与处理计算机420构成图像采集处理系统；滤波片415、偏振片416连接于带光圈的显微镜头417和高分辨工业相机414之间，连接方式为螺纹连接；所述的滤波片415为532nm滤波片，所述的半导体激光器403为532nm激光器。高分辨工业相机414通过螺纹固定于光学滑台419的滑块上，滑块可在光学滑台419上前后滑动；光学滑台419通过螺钉固定于三维平移台418上，三维平移台418通过螺钉与减震光学平台401固定；图像采集与处理计算机420通过信号线与所述高分辨工业相机414连接。图像采集与处理计算机420的图像处理过程采用的是数字图像相关方法，它是以图像的统计相关性为计算基础，它对试样的形状、大小以及测试环境没有特殊的要求，而且光路简单易于实现。在高温条件下，只要能获得变形前后表面的照片就可以进行全场的变形分析。

应用上述的材料表面变形测试装置，本发明还提供一种表面变形测试方法，所述方法流程如图6所示，具体步骤有：

步骤一，连接、组合测试装置各设备；

将组成测试装置的各设备连接组合成一个高温热-力耦合表面变形测试系统，在此系统中可以对各加载、测试参数进行设定，以及表面变形进行动态分析，所述的动态分析结果能够为材料在高温、变温、变力载以及其相互耦合作用下的表面变形情况以及其与微观结构的关系等提供较直观的表述，从而为材料在其服役条件下的力学性能提供一种表征方法，也为其变形机理提供了一种测试手段。

所述的测试系统连接过程为：将上密封夹具201与下密封夹具202的试样连接端203与试样7螺纹连接，将试样7置于真空室501内，保证真空室501与夹具2之间的良好密封；然后将波纹管8分别套在上密封夹具201和下密封夹具202上，并使得波纹管8的支撑盘801与真空室501上、下表面螺纹连接，端盖802与上密封夹具201和下密封夹具202上的凸台205连接；将上密封夹具201与下密封夹具202的设备连接端204与材料力学性能试验机3的上接口和下接口分别连接；然后将温度采集装置6的热电偶通过热电偶连接孔803深入真空室501内部贴于试样7表面。

步骤二，对试样进行热-力耦合加载；

(A)抽真空；

启动真空系统5的真空泵开始对真空室501内抽真空，通过真空系统5的真空表读取真空度，当真空度低于0.3MPa时关闭真空泵并保持该真空度。

(B)启动表面变形光学测试系统4和红外快速加热设备1，红外快速加热设备1对试样7采样红外聚焦辐射的加热方式进行热加载，升温速率控制在50～150℃/s，使试样7表面温度达到材料测试所要求的温度并保持恒定10～15min。

(C)待温度恒定后，启动材料力学性能试验机3，以材料测试所要求的载荷以及加载速率对试样7加载。

(D)启动温度采集装置6，准备对试样7表面实施测温；

步骤三，对试样表面变形进行光学测量；

(A)表面变形光学测试系统4中的半导体激光器403向分光棱镜404发射激光，调节光纤耦合器I405和光纤耦合器II406使经过分光棱镜404的激光耦合入光导纤维I407、光导纤维II408，再调节扩束准直镜I411和扩束准直镜II413使激光分别从光导纤维I407和光导纤维II408中耦合输出直径为10mm左右的均匀束，并以对称角度入射到试样7表面；

(B)调节三维平移台418使试样7表面处于高分辨工业相机414视野正中，调节带光圈的显微镜头417光圈使光场强度适中，调节焦距使试样表面清晰成像。

(C)图像采集预处理计算机420对试样7表面图像进行连续采集及处理，得到材料表面随着载荷变化而变化的水平与垂直变形场情况；

所述的表面图像包括试样的形状、大小和变形等信息。

步骤四，改变对试样加载的热-力载荷，利用步骤三中的测量方法进行变形测量，完成试样在热-力耦合作用下的表面变形场测量过程。

经过上述步骤，获得了材料表面变形场的变化，实现了材料高温表面变形的全场测试。从而为获取材料表面及内部的变形规律、缺陷分布情况以及裂纹萌生及扩展信息提供了可能。

Claims (11)

1.一种材料表面变形测试装置，其特征在于：包括红外快速加热设备、夹具、材料力学性能试验机、表面变形光学测试系统、真空系统和温度采集装置，所述的夹具分为上密封夹具和下密封夹具，上密封夹具和下密封夹具的试样连接端穿过真空系统的真空室，与试样连接，将试样固定在真空室内部，并且夹具与真空室连接处密封；真空室外部的上密封夹具和下密封夹具的设备连接端分别连接材料力学性能试验机的上接口和下接口；所述的红外快速加热设备设置在真空室外侧用于对真空室内部的试样进行加热，温度采集装置实时采集试样表面温度；所述表面变形光学测试系统包括激光分光照明系统和图像采集处理系统，用于对试样表面变形图像进行采集和处理。

2.根据权利要求1所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述的上密封夹具和下密封夹具上在靠近试样连接端附近设有凸台结构，所述的上密封夹具和下密封夹具的试样连接端分别与试样两端螺纹连接，上密封夹具和下密封夹具的设备连接端穿过真空室上螺纹孔，分别与材料力学性能试验机的上接口和下接口连接，将试样固定在真空室内部，所述凸台用于与波纹管连接。

3.根据权利要求1所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述真空系统包括真空室，所述的真空室为一个具有五个侧面的棱柱结构，其中第一侧面和第三侧面、第四侧面为透明面，另外两个侧面为不透明金属材料表面。

4.根据权利要求3所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述的透明面为石英玻璃，所述的石英玻璃通过耐高温密封橡胶条和玻璃压板挤压并固定密封，玻璃压板与真空室侧壁螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述激光分光照明系统包括光学平板、半导体激光器、分光棱镜、光纤耦合器I、光纤耦合器II、光导纤维I、光导纤维II、扩束准直镜支架，角位移台I、扩束准直镜I、角位移台II、扩束准直镜II；半导体激光器通过螺钉固定于光学平板，分光棱镜通过棱镜台固定于光学平板上半导体激光器前端，光纤耦合器I和光纤耦合器II固定于光学平板上，并与分光棱镜的出射分光光线共轴，扩束准直镜I通过角位移台I固定于扩束准直镜支架下端，扩束准直镜II通过角位移台II固定于扩束准直镜支架上端，光导纤维I连接于光纤耦合器I和扩束准直镜I之间，光导纤维II连接于所述光纤耦合器II和扩束准直镜II之间；光学平板、扩束准直镜支架通过螺钉固定于减震光学平台上的螺纹孔阵列，实现与减震光学平台的定位固定。

6.根据权利要求5所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述的半导体激光器为532nm激光器。

7.根据权利要求1所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述图像采集处理系统包括高分辨工业相机、滤波片、偏振片、带光圈的显微镜头、三维平移台、光学滑台、图像采集与处理计算机；滤波片、偏振片通过夹具连接于带光圈的显微镜头和高分辨工业相机之间；高分辨工业相机固定于光学滑台的滑块上，滑块可在光学滑台上前后滑动；光学滑台通过螺钉固定于三维平移台上，三维平移台通过螺钉与减震光学平台固定；图像采集与处理计算机通过信号线与所述高分辨工业相机连接。

8.根据权利要求7所述的材料表面变形测试装置，其特征在于：所述的滤波片为532nm滤波片。

9.一种应用权利要求1所述的材料表面变形测试装置的材料表面变形测试方法，其特征在于：

步骤一、连接、组合各设备，形成材料表面变形测试装置；

将上密封夹具与下密封夹具的试样连接端与试样螺纹连接，将试样置于真空室内，保证真空室与夹具之间的良好密封；然后将波纹管套在夹具上并使得波纹管的支撑盘与真空室螺纹连接，端盖与夹具上的凸台连接；将夹具的设备连接端与材料力学性能试验机连接；然后将温度采集装置的热电偶通过热电偶连接孔深入真空室内部贴于试样表面；

步骤二、对试样进行热-力耦合加载；

(A)抽真空；

真空系统的真空泵对真空室内抽真空，并维持一定的真空度，真空度示数通过连接于下支撑盘的真空表读出；

(B)启动表面变形光学测试系统和启动红外快速加热设备，红外快速加热设备对试样进行加热；

(C)待温度恒定后启动材料力学性能试验机，以一定的加载速率加载，加载过程中波纹管保证夹具运动过程，夹具与真空室之间的密封；

(D)启动温度采集设备采集试样表面温度；

步骤三、对试样表面变形进行光学测量；

(A)表面变形光学测试系统中的半导体激光器，调节光纤耦合器使经过分光棱镜的激光耦合入光导纤维，再调节扩束准直镜I和扩束准直镜II使激光分别从光导纤维I和光导纤维II中耦合输出直径为10mm左右的均匀束，并以对称角度入射到材料表面；

(B)调节三维平移台使试样表面处于带光圈的显微镜头视野正中，调节显微镜头光圈使光场强度适中，调节焦距使试样表面清晰成像；

(C)图像采集及处理计算机对材料表面图像进行连续采集及处理，得到材料表面随着载荷变化而变化的水平与垂直变形场情况；

步骤四，改变对试样加载的热-力载荷，利用步骤三中的测量方法进行变形测量，完成试样在热、力耦合作用下的表面变形场测量过程。

10.根据权利要求9所述的材料表面变形测试方法，其特征在于：所述的红外快速加热设备对试样进行加热，升温速率控制在50～150℃/s，使试样表面温度达到材料测试所要求的温度并保持恒定10～15min。

11.根据权利要求9所述的材料表面变形测试方法，其特征在于：所述的真空度小于0.3MPa。

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