CN103926268A - 一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统及方法属于核能应用研究领域。系统包含高温和低温两个温度的熔融液体，分别盛装在两个温度可控的坩埚内；系统还要包含装卡样品的卡具和一个可使样品变换位置的机构，能够让样品分别与高温和低温熔融液体直接接触，从而实现样品的加热和冷却。本发明使得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。本发明的目的是提供利用熔体传导控温方式进行材料表面热疲劳性能试验的方法。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，减少热疲劳试验中的热循环次数。

Description

一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统及方法

技术领域

本发明属于核能应用研究领域，涉及一种利用熔体传导控温方式进行聚变内壁材料表面热疲劳性能试验的方法，该发明适用于研究核聚变内壁材料表面在服役过程中经受循环温度变化的情况。

背景技术

核聚变能源的储量丰富并且安全，具有巨大的应用前景，将可能成为人类的终极能源。

在核聚变装置中，内壁的面对等离子体材料表面（以下简称“壁表面”）不仅要经受高热冲击、高剂量的中子和氘、氦等离子体辐照等严酷考验，而且聚变装置运行中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。这些都会使壁表面产生损伤，影响壁表面材料的服役状况，缩短壁材料的寿命。钨、钼等难熔金属是较常采用的面向等离子体材料，其中金属钨是目前较普遍接受的优选的面对等离子体材料。研究壁表面热疲劳行为并提高其热疲劳性能是核能应用研究领域的一个重要内容。

为了进行热疲劳试验，目前人们已经采用的方法主要是能量束加热然后用水冷间接传热降温的方式，即利用激光、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利用熔体传导控温方式进行材料表面热疲劳性能试验的方法。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。

一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统，其特征在于：

系统包含高温和低温两个温度的熔融液体，分别盛装在两个温度可控的坩埚内。系统还要包含装卡样品的卡具和一个可使样品变换位置的机构，能够让样品分别与高温和低温熔融液体直接接触，从而实现样品的快速加热和冷却。

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：

首先，分别用高温坩埚和低温坩埚装入熔体材料，分别控制两坩埚的加热温度达到试验需要的高温和低温温度值；

将热疲劳试验样品装卡在样品卡具上，样品卡具通过位置变换机构携带样品变换到高温坩埚的位置，并将样品表面浸入高温熔体中，使样品表面直接通过传导传热的方式快速加热，并达到与高温熔体平衡的温度；

再通过位置变换机构将样品转移到低温坩埚处，将样品表面直接浸入低温熔体中，使样品表面与低温熔体温度达到平衡。

重复上述步骤，使样品表面在所设定的高温和低温间反复快速变温，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表面通过样品位置变换机构分别浸泡与高温熔体和低温熔体中，使样品表面直接与熔体实现热传导，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。其中高温熔体和低温熔体应选择其饱和蒸汽压在设定温度下尽可能低的材料，饱和蒸汽压越低越好。

本发明的原理在于：样品的试验表面与熔体直接接触，可以实现传导传热，温度变化迅速。同时，目前可控温度的坩埚加热技术已经很成熟，通过坩埚加热的熔体去控制样品表面温度，可以实现样品表面温度的精确控制。

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）样品表面直接通过传导传热，加热迅速，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）提高了样品表面的高温和低温精确度，使试验数据更加精准。

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.摆臂；3.样品卡具；4.样品；5.高温熔体；6.高温坩埚；7.低温熔体；8.低温坩埚。

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试验系统及试验步骤进一步说明。

一种利用熔体传导控温方式进行材料表面热疲劳性能试验方法，如图1所示，所述的热疲劳试验系统是由真空室1、摆臂2、样品卡具3、样品4、高温熔体5、高温坩埚6、低温熔体7、低温坩埚8组成。样品卡具3的上端采用铰链连接固定在摆臂2上，样品卡具下端可以将样品4卡紧固定其中，样品4与样品卡具3可以通过摆臂2的摇摆分别变换到左右两边的位置。在这两个样品位置的下面，分别放置高温坩埚6和低温坩埚8，并分别在两个坩埚内放入高温熔体5和低温熔体7。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充入气体。其中，高温坩埚6和低温坩埚8可以利用常规温度测控方法分别进行温度测控，高温熔体5和低温熔体7可以采用同一种材料，也可以采用不同种材料。材料的选择原则是其熔点应该低于试验中需要设定的熔体温度，并且在设定温度下的饱和蒸汽压越低越好。

利用所述热疲劳试验系统，首先将样品4装卡于样品卡具3的下端，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，可以充入氩气进行保护，也可以不充氩气。

分别加热并控制两个坩埚及其内部熔体温度达到试验需要的预设高温和低温温度值；

通过摆臂2将样品4置于高温坩埚6的位置，并将样品4的表面浸入高温熔体5中，使样品4的表面直接通过传导传热的方式快速加热，并达到与高温熔体5平衡的温度；

然后，再通过摆臂2将样品4转移到低温坩埚8的位置，将样品4的表面浸入低温熔体7中，使样品表面与低温熔体7温度达到平衡。

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℃，高温熔体5和低温熔体7分别采用金属铝和金属镓。将钨样品4装卡于样品卡具3的下端，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。分别加热高温坩埚和低温坩埚至700℃和100℃，利用摆臂2的摇摆，先将样品浸入到高温熔体铝的熔池中，等待温度达到平衡；然后，再将样品变换至低温坩埚的位置，将样品浸入到低温熔体镓的熔池中，等待温度达到平衡；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到350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℃，高温熔体5和低温熔体7都采用金属镓。将钼样品4装卡于样品卡具3的下端，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。分别加热高温坩埚和低温坩埚至600℃和100℃，利用摆臂2的摇摆，先将样品浸入到高温熔体镓的熔池中，等待温度达到平衡；然后，再将样品变换至低温坩埚的位置，将样品浸入到低温熔体镓的熔池中，等待温度达到平衡；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到620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℃，高温熔体5和低温熔体7都采用金属镓。将铜样品4装卡于样品卡具3的下端，然后将真空室抽至1×10^-3Pa。分别加热高温坩埚和低温坩埚至400℃和50℃，利用摆臂2的摇摆，先将样品浸入到高温熔体镓的熔池中，等待温度达到平衡；然后，再将样品变换至低温坩埚的位置，将样品浸入到低温熔体镓的熔池中，等待温度达到平衡；循环重复上述步骤。当温度循环次数达到130次时，铜样品表面出现裂纹。

Claims (2)

1.一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统，其特征在于：

系统包含高温和低温两个温度的熔融液体，分别盛装在两个温度可控的坩埚内；系统还要包含装卡样品的卡具和一个可使样品变换位置的机构，能够让样品分别与高温和低温熔融液体直接接触，从而实现样品的加热和冷却。

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：

首先，分别用高温坩埚和低温坩埚装入熔体材料，分别控制两坩埚的加热温度达到试验需要的高温和低温温度值；

将热疲劳试验样品装卡在样品卡具上，样品卡具通过位置变换机构携带样品变换到高温坩埚的位置，并将样品表面浸入高温熔体中，使样品表面直接通过传导传热的方式加热，并达到与高温熔体平衡的温度；

再通过位置变换机构将样品转移到低温坩埚处，将样品表面直接浸入低温熔体中，使样品表面与低温熔体温度达到平衡；

重复上述步骤，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。