CN105044291B - 一种可用于高真空超高温环境的多维可调谐承载装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种可用于高真空超高温环境的多维可调谐承载装置。包括：真空腔，所述真空腔位于操作平台上；耐高温托架，所述耐高温托架上端直接与试样接触，所述耐高温托架下端置于水冷台凹槽中；水冷台，所述水冷台置于XY向移动平台凹槽内，再整体固定于连接法兰上；移动控制系统，所述移动控制系统可用于控制试样的XY向和Z向移动。此装置可以用于温度1800℃以内的高真空环境，并具有适应多种加热方式、高隔热效率、化学性能稳定和多维可调谐等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种承载装置，尤其涉及一种可用于高真空超高温环境的多维可调谐承载装置。
背景技术
高超声速飞行器所面临的严峻的气动热环境对防热材料高温力学性能提出了极大挑战。由于材料在线服役测试的成本非常高，对防热材料的表征与评价需要一系列的地面模拟测试。高温材料的催化、氧化特性的研究，需要在高真空、高温的实验条件下进行，因此需要一种可用于高真空超高温环境的承载装置以承载试样。特殊的实验条件要求承载装置能够承受至少1800℃的高温，同时需要具有较低的导热特性以维持试样温度。在如此高温下要求承载装置具有很好的化学稳定性，防止其反应产物对实验环境的污染。传统的样品台不能满足如此苛刻的条件，而且存在内部热应力过大导致样品台在试验过程中易碎裂、不可重复使用等缺点。且更为重要的是，传统的样品台不能随意改变试样在实验时的角度，在实验多样性和灵活性方面存在明显不足。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于高温动密封结构性能测试的地面模拟试验方法及装置，能有效模拟高温动密封结构的服役环境，试验效率高、成本低。
根据本发明的一个方面，提供了一种可用于高真空超高温环境的三维可调谐承载装置，包括：
真空腔1，所述真空腔1位于操作平台7上；
耐高温托架2，所述耐高温托架2上端直接与试样接触，所述耐高温托架2下端置于水冷台凹槽中；
水冷台3，所述水冷台3置于XY向移动平台4凹槽内，再整体固定于连接法兰5上；
移动控制系统，所述移动控制系统可用于控制试样的XY向和Z向移动。
优选地，所述耐高温托架2为一体结构，由多个支撑脚21和托架主体结构22组成。
优选地，所述支撑脚21为变截面结构，上部截面小，下部截面大。
优选地，所述耐高温托架具有4个支撑脚。
优选地，所述耐高温托架2由氧化锆陶瓷制备。
优选地，所述移动控制系统包括支撑杆15，所述支撑杆15支撑连接法兰5、XY向移动平台4、水冷台3和耐高温托架2悬空于真空腔1内；
所述支撑杆15为中空结构，x、y向移动平台控制电缆10和冷却水管道16穿过该中空结构；
所述移动控制系统还包括波纹管13和密封法兰14，用于配合支撑杆15完成密封；
所述法兰密封14通过Z轴丝杆8与驱动电机6连接，用于实现Z向调谐功能；
所述x、y向移动平台控制电缆10和z向移动平台控制电缆9连接到集成控制器11上，实现三维可调谐功能。
优选地，所述移动控制系统还包括R弧度平台和T旋转平台。
优选地，所述水冷台3采用中空水冷结构并通过冷却水管道16与外部冷却循环水相连。
优选地，所述耐高温托架2的托架主体结构置于水冷台凹槽内后形成间隙，所述间隙为0.5-2mm。
优选地，所述耐高温托架2通过不锈钢卡套接头12与XY向移动平台4上卡套接口相连。
根据本发明的另一个方面，提供了一种可用于高真空超高温环境的三维可调谐承载装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤A，调整试样使试样轴心与耐高温托架中心孔在同一轴线上；
步骤B，调整移动控制系统，使试样处于需要的加热位置；
步骤C，抽真空使得真空压力为10-3Pa至10Pa，通电加热源将试样加热到1400℃至1800℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明能够应用于高真空、高温实验环境，并在高温下保持承载性能；可以应用于如电磁感应加热、电阻加热等多种加热方式；采用了具有中空水冷结构的水冷台，因此具有很好的隔热效果；整体采用组合式结构，降低加工难度，并且在分体受损后可以单独更换，有效降低使用成本；更为重要的是，本发明能够在高温、真空环境下保持良好的化学稳定性，不会发生反应产生污染实验环境的产物。
本发明还具有如下技术指标：
承载最高温度达到1800℃；
位移精度0.1mm；
隔热性能优良，腔内x，y二维位移台最高温度不超过40℃；
密封性能良好，可用于超高真空环境，最高可达10-3Pa。
附图说明
图1为本发明提供的一种可用于高真空超高温环境的三维可调谐承载装置的结构原理示意图；
图2为本发明耐高温托架与水冷台组合示意图；
图3为本发明提供的一种可用于高真空超高温环境的六维可调谐承载装置的结构原理示意图；
图4为耐高温托架正视图与剖视图。
其中，真空腔1、耐高温托架2、水冷台3、xy向移动平台4、连接法兰5、z向驱动电机6、操作平台7、z轴丝杆8、z向移动平台控制电缆9、x、y向移动平台控制电缆10、集成控制器11、卡套接头12、波纹管13、法兰密封14、支撑杆15、冷却水管道16、支撑脚21、托架主体结构22、R弧度平台31、T旋转平台32。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本发明装置可以用于温度1800℃以内的高真空环境，并具有适应多种加热方式、高隔热效率、化学性能稳定和多维可调谐等特点。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明中，可用于高真空超高温环境的三维可调谐承载装置采用如图1所示的结构，包括：真空腔1，所述真空腔1位于操作平台7上；耐高温托架2，所述耐高温托架2上端直接与试样接触，所述耐高温托架2下端置于水冷台凹槽中；水冷台3，所述水冷台3置于XY向移动平台4凹槽内，再整体固定于连接法兰5上；移动控制系统，所述移动控制系统可用于控制试样的XY向和Z向移动。
所述耐高温托架2为一体结构，由多个支撑脚21和托架主体结构22组成。
所述支撑脚21为变截面结构，上部截面小，下部截面大。
所述耐高温托架具有4个支撑脚。
所述耐高温托架2由氧化锆陶瓷制备。
所述移动控制系统包括支撑杆15，所述支撑杆15支撑连接法兰5、XY向移动平台4、水冷台3和耐高温托架2悬空于真空腔1内；
所述支撑杆15为中空结构，x、y向移动平台控制电缆10和冷却水管道16穿过该中空结构；
所述移动控制系统还包括波纹管13和密封法兰14，用于配合支撑杆15完成密封；
所述法兰密封14通过Z轴丝杆8与驱动电机6连接，用于实现Z向调谐功能；
所述x、y向移动平台控制电缆10和z向移动平台控制电缆9连接到集成控制器11上，实现三维可调谐功能。
所述水冷台3采用中空水冷结构并通过冷却水管道16与外部冷却循环水相连。
所述耐高温托架2的托架主体结构置于水冷台凹槽内后形成间隙，所述间隙为0.5-2mm。
所述耐高温托架2通过不锈钢卡套接头12与XY向移动平台4上卡套接口相连。
所述耐高温托架2上端支撑脚21直接与试样接触，下端托架主体结构22置于水冷台3凹槽中。托架主体结构为薄壁圆管结构，在耐高温托架2上部高热载区域，将圆管结构分割，形成变截面支撑脚21，以降低结构向下热传导，并释放结构变形约束，降低热应力。所述水冷台3采用中空水冷结构，置于xy双向移动台的凹槽内，通过不锈钢卡套接头与xy向移动平台上卡套接口相连，xy向移动平台内置密封冷却循环水道，水冷台中冷却水经xy向位移平台与外部冷却循环水相连，以保持在较低温度。所述三维可调谐移动台由集成控制器控制驱动电机驱动x、y向移动和z向移动台。整个承载装置通过法兰与波纹管进行真空密封。
优选地，经过计算分析，考虑其热传导及试样托架强度因素，并考虑其工艺性，试样托架上方仅保留四个支撑脚，如图4所示。支撑脚角度为45°，切除部分角度也同为45°。
耐高温托架2与水冷台3采用分离式结构，并且组合后形成间隙，以消除热膨胀带来的挤压作用，并能够有效消除高温区热应力集中。根据许用条件下的计算分析结果，设计间隙尺寸大于0.5mm。优选地，设计间隙尺寸大于0.5mm，小于2mm。
优选地，耐高温托架采用耐高温、低热导、抗氧化、物理/化学特性稳定的ZrO2陶瓷制备，最高承载温度可达1800℃。
优选地，水冷台与水冷管道采用不锈钢制作。
实验时将水冷台3固定于xy向移动平台4的凹槽内，再整体固定于连接法兰5上。然后如图2所示将耐高温托架2嵌入水冷台3的凹槽内，通过不锈钢卡套接头12与xy向移动平台4上卡套接口相连，xy向移动平台4内置密封冷却循环水道，水冷台中冷却水经xy向移动平台4与外部冷却循环水相连。调整位置保证托架中心孔与水冷台中心孔圆心在同一条轴线上。由支撑杆14支撑以上部件悬空于真空腔1内，并且中空的内部作为x、y向移动平台电缆10和冷却水管道16的路径。通过波纹管13和密封法兰14配合支撑杆15完成密封。法兰14通过丝杠与驱动电机6相连接，实现z向调谐功能。最后，x、y向移动平台控制电缆10和z向移动平台控制电缆9连接到集成控制器11上，实现三维可调谐功能。
耐高温托架2上端与试样直接接触，同时支撑脚21内壁面受到高温试样表面的辐射加热，下端置于水冷台3凹槽中，温度较低。整个托架不仅耐高温，同时具有较低的导热特性以维持试样温度，并且承受由此带来的高温度梯度。将耐高温托架2在上部高热载区域进行分割，例如，采用线切割出变截面支撑脚，可以降低结构向下热传导，并释放结构变形约束，降低热应力。该设计可以有效的防止耐高温托架2因热应力过大而导致其在试验过程中碎裂。优选地，考虑到制备工艺，耐高温托架2上方仅保留四个支撑脚。
耐高温托架2与水冷台3采用分离式结构，并且组合后形成间隙，能够有效消除高温区热应力集中，并消除热膨胀带来的挤压作用。
水冷台3采用中空水冷结构并通过冷却水管道16与外部冷却循环水相连。
根据本发明的另一个方面，提供了一种可用于高真空超高温环境的三维可调谐承载装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤A，调整试样使试样轴心与耐高温托架中心孔在同一轴线上；
步骤B，调整移动控制系统，使试样处于需要的加热位置；
步骤C，抽真空使得真空压力为10-3Pa至10Pa，通电加热源将试样加热到1400℃至1800℃。
为了解决传统样品台不能随意改变试样在实验时的角度问题，本发明还提出了可用于高真空超高温环境的六维可调谐承载装置，采用如图3所示的结构，包括：真空腔1，所述真空腔1位于操作平台7上；耐高温托架2，所述耐高温托架2上端直接与试样接触，所述耐高温托架2下端置于水冷台凹槽中；水冷台3，所述水冷台3置于XY向移动平台4凹槽内，再整体固定于连接法兰5上；移动控制系统，所述移动控制系统可用于控制试样的XY向和Z向移动；所述移动控制系统还包括R弧度平台和T旋转平台。
具体实施例1：
采用ZrB2-20SiC超高温陶瓷复合材料制作的试验试样，打磨后装载于耐高温托架中，调整试样使试样轴心与托架中心孔在同一轴线上。调整三维移动平台，使试样处于需要的加热位置。控制真空压力为10Pa，感应加热源将试样加热到1800℃。二维水冷移动平台表面温度不超过40℃，能够实现三维可移动，移动精度0.1mm。整个承载装置结构完整、化学稳定性好，不产生任何挥发气体。
具体实施例2：
采用ZrB2-20SiC超高温陶瓷复合材料制作的试验试样，打磨后装载于耐高温托架中，调整试样使试样轴心与托架中心孔在同一轴线上。调整三维移动平台，使试样处于需要的加热位置。控制真空压力为0.1Pa，通电加热源将试样加热到1600℃。二维水冷移动平台表面温度不超过40℃，能够实现三维可移动，移动精度0.1mm。整个承载装置结构完整、化学稳定性好，不产生任何挥发气体。
具体实施例3：
采用石墨制作的试验试样，打磨后装载于耐高温托架中，调整试样使试样轴心与托架中心孔在同一轴线上。调整三维移动平台，使试样处于需要的加热位置。控制真空压力为10-3Pa，通电加热源将试样加热到1400℃。二维水冷移动平台表面温度不超过35℃，能够实现三维可移动，移动精度0.1mm。整个承载装置结构完整、化学稳定性好，不产生任何挥发气体。
与现有技术相比，本发明实施例耐高温托架2上端与试样直接接触，同时内壁面受到高温试样表面的辐射加热，下端置于水冷台3凹槽中，温度较低。整个托架不仅耐高温，同时具有较低的导热特性以维持试样温度，并且承受由此带来的高温度梯度。将托架在上部高热载区域进行分割，可以降低结构向下热传导，并释放结构变形约束，降低热应力。该设计可以有效的防止耐高温托架2因热应力过大而导致其在试验过程中碎裂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可用于高真空超高温环境的多维可调谐承载装置，其特征在于包括：
真空腔，所述真空腔位于操作平台上；
耐高温托架，所述耐高温托架上端直接与试样接触，所述耐高温托架下端置于水冷台凹槽中；所述耐高温托架由多个支撑脚和托架主体结构组成，所述支撑脚为变截面结构，上部截面小，下部截面大；所述耐高温托架的托架主体结构置于水冷台凹槽内后形成间隙；
水冷台，所述水冷台置于XY向移动平台凹槽内，再整体固定于连接法兰上；所述水冷台采用中空水冷结构并通过冷却水管道与外部冷却循环水相连；
移动控制系统，所述移动控制系统可用于控制试样的XY向和Z向移动；
其中，所述移动控制系统包括支撑杆，所述支撑杆支撑连接法兰、XY向移动平台、水冷台和耐高温托架悬空于真空腔内；
所述支撑杆为中空结构，x、y向移动平台控制电缆和冷却水管道穿过该中空结构；
所述移动控制系统还包括波纹管和密封法兰，用于配合支撑杆完成密封；
所述法兰密封通过Z轴丝杆与驱动电机连接，用于实现Z向调谐功能；
所述x、y向移动平台控制电缆和z向移动平台控制电缆连接到集成控制器上，实现三维可调谐功能。
2.如权利要求1所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述耐高温托架为一体结构。
3.如权利要求1所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述耐高温托架具有4个支撑脚。
4.如权利要求1所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述耐高温托架由氧化锆陶瓷制备。
5.如权利要求1所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述移动控制系统还包括R弧度平台和T旋转平台。
6.如权利要求5所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述间隙为0.5-2mm。
7.如权利要求6所述的多维可调谐承载装置，其特征在于：所述耐高温托架通过不锈钢卡套接头与XY向移动平台上卡套接口相连。
8.如权利要求1-7之一所述的多维可调谐承载装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，调整试样使试样轴心与耐高温托架中心孔在同一轴线上；
步骤B，调整移动控制系统，使试样处于需要的加热位置；
步骤C，抽真空使得真空压力为10-3Pa至10Pa，通电加热源将试样加热到1400℃至1800℃。
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