CN103926163A - 一种感应加热气冷方式的热疲劳测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种感应加热气冷方式的热疲劳测试系统及方法属于材料测试仪器领域。系统包括样品台，感应加热装置，吹气冷却装置以及红外测温装置；样品放置于样品台上，感应加热装置的感应圈套在样品台和样品外面；样品表面正对着安放一个红外测温装置，样品表面还要安装吹气冷却装置；上述这些组件全都置于真空室的内部。利用感应加热装置对样品进行加热升温，使样品表面温度达到预设高温值；停止感应加热，同时通过吹气冷却装置向样品表面吹喷惰性气体，使样品表面冷却至预设低温值；重复上述加热和冷却步骤使表面发生热疲劳效应。该发明适用于测试核聚变内壁表面、发动机内壁表面等服役过程中经受循环温度变化的表面热疲劳性能。

Description

一种感应加热气冷方式的热疲劳测试系统及方法

技术领域

本发明属于材料测试仪器领域，涉及一种利用感应加热和气体冷却的方式进行材料表面热疲劳性能测试的系统及方法，该发明适用于测试核聚变内壁表面、发动机内壁表面等服役过程中经受循环温度变化的表面热疲劳性能。

背景技术

在核聚变装置中，内壁的面对等离子体材料表面不仅要经受高热冲击、高剂量辐照，而且还存在着持续的温度波动，使壁表面产生热疲劳效应，即产生表面热疲劳裂纹。在发动机内壁，同样存在着热疲劳现象。表面热疲劳裂纹的产生严重影响着材料的服役状况，缩短材料的使用寿命。研究材料表面的热疲劳行为并提高其热疲劳性能是相关应用领域的重要内容。

对材料表面的热疲劳性能进行测试分析是此类研究的基本条件。目前人们已经采用的热疲劳测试方法主要是采用能量束加热然后用水冷间接传热降温的方式，即利用激光束、电子束以及离子束等方式对样品表面进行加热，然后利用水冷台对样品冷却。这些方法存在问题是不同材料对能量束的反射变化很大，例如钼表面对激光反射率很大，其加热效果受到很大限制，并且温度可控性较差；另外，用水冷台对样品降温的速度也受到限制，因为热量是从样品背面传走，并且传热途径中还有一个界面障碍；同时，每次样品与水冷台的界面接触情况很难一致，因此每次试验的冷却速度的一致性很难保证，可比性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用感应加热和气体冷却的方式进行材料表面热疲劳性能测试的系统及方法。这种方法不仅可以提高试验过程中的温度控制精度，而且可提高材料表面的冷却速度，增大表层温度梯度，从而可减少热疲劳试验中的热循环次数。同时，这种测试系统在结构上相对简单，成本上也大大低于激光束、电子束等方式的系统成本。

一种感应加热气冷方式的热疲劳测试系统，其特征在于：

系统包括样品台，感应加热装置，吹气冷却装置以及红外测温装置；样品放置于样品台上，感应加热装置的感应圈套在样品台和样品外面；样品表面正对着安放一个红外测温装置，样品表面还要安装吹气冷却装置；上述这些组件全都置于真空室的内部。

应用所述系统进行材料表面热疲劳试验的方法，其特征在于步骤如下：

将热疲劳测试样品放置在样品台上，然后通过红外测温仪监测样品表面的温度，利用感应加热装置对样品进行加热升温，使样品表面温度达到预设高温值；

停止感应加热，同时通过吹气冷却装置向样品表面吹喷惰性气体，使样品表面冷却至预设低温值；

重复上述加热和冷却步骤，使样品表面在所设定的高温和低温间反复变温，使表面发生热疲劳效应。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是将样品放置于样品台上，通过红外测温装置精确监测样品表面温度，利用高频或中频感应加热样品，利用惰性气体吹样品表面，实现样品表面的快速加热和冷却。这样不仅可以实现高温和低温的温度精确控制，而且可以达到很高的温度梯度的循环变化。

本发明的原理在于：样品的试验表面利用感应加热结合红外测温，可以精确控制样品的表面温度并且加热迅速；利用惰性气体直接吹样品表面，可以实现迅速降温。

相比与目前已有的能量束加热、水冷台冷却样品的热疲劳系统及方法，本发明的优点在于：

（1）利用惰性气体直接吹样品表面，可以实现迅速降温；样品采用感应加热，升温迅速。这样获得的温度梯度大，减少热疲劳试验中发生疲劳效应所需的热循环次数，缩短试验时间。

（2）感应加热和红外测温结合起来，获得的测试数据更加精准。

附图说明

图1是材料表面热疲劳试验系统的示意图；

图中：1.真空室；2.气体喷嘴；3.红外测温探头；4.感应圈；5.样品；6.样品台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明采用的表面热疲劳测试系统及试验步骤进一步说明。

利用感应加热和气体冷却的方式进行材料表面热疲劳性能测试的系统及方法，如图1所示，所述的热疲劳试验系统是由真空室1、气体喷嘴2、红外测温探头3、感应圈4、样品5、样品台6组成。样品5放置于样品台6上，感应圈4套在样品台6和样品5外面。样品5表面正对着安放一个红外探头3，用于监控样品5的表面温度。样品表面还要安装一个气体喷嘴2，可以喷出惰性气体，用于吹喷样品5的表面，使样品表面快速降温。上述这些组件全都置于真空室1的内部，真空室1应可以通过常规充气方法向气体喷嘴2充入气体。其中气体喷嘴2的制作材料须是绝缘并且耐高温的材料，如石英、陶瓷等。

利用所述热疲劳试验系统，首先将样品5放置于样品台6上，然后将真空室1抽真空。抽完真空后，根据样品的抗氧化性能情况，先充入一定量的氩气进行保护，也可以不充氩气。在感应圈4上施加高频或中频交流电，频率范围在1kHz至30MHz，使样品升温。利用红外测温探头3测控样品温度。当样品表面温度达到预定温度后，通过气体喷嘴2向样品5表面直接吹惰性气体，使样品表面迅速降温；

进一步，重复上述步骤，使样品表面在所设定的高温和低温之间反复快速变温，使样品表面发生热疲劳效应，产生热疲劳裂纹。记录温度循环的次数，以衡量样品的耐热疲劳性能。以下用三个实施例来进一步介绍。

实施例1：

对钨材料进行热疲劳试验，样品为钨材料；试验预设高温和低温分别为700℃和100℃。样品台采用Al₂O₃陶瓷制作，将钨样品放置于样品台上，然后抽真空，当真空度达到5×10^-5Pa时，充入氩气作为保护气体。对感应圈施加30MHz的高频电流，功率为1.5kW。利用红外测温探头监测样品钨的表面温度；当温度达到700℃时，停止感应电流，同时向样品表面吹氩气，使样品表面降温。当红外测温探头监测到样品温度已经降至100℃，停止吹气。然后，再次向感应圈施加高频电流，加热样品至700℃；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到380次时，钨样品表面出现裂纹。

实施例2：

对钼材料进行热疲劳试验，样品为钼材料；试验预设高温和低温分别为600℃和100℃。样品台采用石英制作，将钼样品放置于样品台上，然后抽真空，当真空度达到7×10^-4Pa时，充入氩气作为保护气体。对感应圈施加1kHz的中频交流电流，功率为3kW。利用红外测温探头监测样品钼的表面温度；当温度达到600℃时，停止感应电流，同时向样品表面吹氦气，使样品表面降温。当红外测温探头监测到样品温度已经降至100℃，停止吹气。然后，再次向感应圈施加中频电流，加热样品至600℃；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到650次时，钼样品表面出现裂纹。

实施例3：

对铜材料进行热疲劳试验，样品为铜材料；试验预设高温和低温分别为400℃和50℃。样品台采用石英制作，将铜样品放置于样品台上，然后将真空室抽至1×10^-3Pa。对感应圈施加6.78MHz的高频交流电流，功率为0.3kW。利用红外测温探头监测样品铜的表面温度；当温度达到400℃时，停止感应电流，同时向样品表面吹氩气，使样品表面降温。当红外测温探头监测到样品温度已经降至50℃，停止吹气。然后，再次向感应圈施加高频电流，加热样品至400℃；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到110次时，铜样品表面出现裂纹。

Claims (2)

1.一种感应加热气冷方式的热疲劳测试系统，其特征在于：

系统包括样品台，感应加热装置，吹气冷却装置以及红外测温装置；样品放置于样品台上，感应加热装置的感应圈套在样品台和样品外面；样品表面正对着安放一个红外测温装置，样品表面还要安装吹气冷却装置；上述这些组件全都置于真空室的内部。

2.应用权利要求1所述系统进行材料表面热疲劳试验的方法，其特征在于步骤如下：

将热疲劳测试样品放置在样品台上，然后通过红外测温仪监测样品表面的温度，利用感应加热装置对样品进行加热升温，使样品表面温度达到预设高温值；

停止感应加热，同时通过吹气冷却装置向样品表面吹喷惰性气体，使样品表面冷却至预设低温值；

重复上述加热和冷却步骤，使样品表面在所设定的高温和低温间反复变温，使表面发生热疲劳效应。