CN106769450A - 熔盐环境力学性能测试装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔盐环境力学性能测试装置。该装置包括高温真空环境试验箱、上压头连杆、下压头连杆以及测试模块；上压头连杆、下压头连杆分别贯穿高温真空环境试验箱的顶部、底部并分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部动密封连接；所述测试模块包括上压头、下压头、熔盐储罐、储罐压力系统；其中上压头采用带有竖直挡板的结构，下压头带有阶梯状凹腔和与竖直挡板相适配的插槽，熔盐储罐与熔盐回流凹槽之间通过熔盐导流管连通，储罐压力系统可控制熔盐储罐内部压力。本发明还公开了一种熔盐环境力学性能测试系统及方法。本发明可实现高温熔盐环境下各类材料力学性能的准确测试，同时还具有成本较低、使用方便、安全可靠性高的优点。

Description

熔盐环境力学性能测试装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种力学性能测试装置，尤其涉及一种熔盐环境力学性能测试装置，属于材料测试技术领域。

背景技术

随着熔盐反应堆技术、熔盐集热技术等的发展，熔盐作为能量的储存和转移媒介，越来越受到重视。熔盐环境下材料的性能变化亟待研究。为了了解熔盐环境下材料的机械特性，往往需要在线测定高温及熔盐环境下材料的机械性能。

目前，已经有许多研究人员研制了多种高低温试验箱，能够实现高低温环境力学测定，然而高温熔盐环境下的力学性能测试装置罕有报道。现有的熔盐环境力学性能测试技术需要两个高温罐体，中间需要加热管道和高温阀门。高温阀门的价格比较昂贵，且寿命较短，同时降低了设备的可靠性；此外，由于高温罐体体积较大，单次试验需要更多的熔盐和加热功率，如果设备出问题，熔盐容易堵在高温罐体中，维修十分困难。因此现有的设计不仅复杂、成本高昂，而且可操作性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种熔盐环境力学性能测试装置，与力学试验机相结合，可实现高温熔盐环境下各类材料力学性能的准确测试，同时还具有成本较低、使用方便、安全可靠性高的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

本发明熔盐环境力学性能测试装置，包括高温真空环境试验箱、上压头连杆、下压头连杆以及测试模块；上压头连杆、下压头连杆分别贯穿高温真空环境试验箱的顶部、底部并分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部动密封连接；所述测试模块包括上压头、下压头、熔盐储罐、储罐压力系统；上压头、下压头分别与上压头连杆下端和下压头连杆上端固定连接；上压头的下端中部设置有一凸出部，围绕该凸出部设置有一圈竖直挡板；下压头的上端中部形成有一阶梯状凹腔，阶梯状凹腔的底部中间设置有与上压头的凸出部相对应的垫块，阶梯状凹腔的底部边缘设置有熔盐回流凹槽，下压头的上端围绕所述阶梯状凹腔设置有一圈恰好可容纳所述上压头的竖直挡板的插槽，该插槽的底部与阶梯状凹腔之间设置有可使熔盐从插槽中流入阶梯状凹腔的连通孔道；所述熔盐储罐为一密闭容器，固定于下压头下方，熔盐储罐与熔盐回流凹槽之间通过熔盐导流管连通，所述熔盐导流管的一端与熔盐储罐密封连接，熔盐导流管的另一端经由设置于下压头中上部的通孔进入阶梯状凹腔后插入熔盐回流凹槽的底部；所述储罐压力系统用于控制熔盐储罐内部的压力，其设置于高温真空环境试验箱外部，通过金属管与熔盐储罐密封连接。

为了防止测试后样品碎片落入熔盐回流凹槽，从而堵塞熔盐导流管，作为本发明进一步改进方案，在所述熔盐回流凹槽上覆盖有滤网。

优选地，上压头连杆、下压头连杆分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部通过波纹管动密封连接。

优选地，上压头、下压头分别通过螺纹连接方式与上压头连杆下端和下压头连杆上端固定连接。

优选地，熔盐储罐可拆卸地固定于下压头下方。

优选地，该装置中与熔盐直接接触的部件的材质均为耐熔盐腐蚀的高温镍基合金。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案

一种熔盐环境材料力学性能测试系统，包括力学试验机及以上任一技术方案所述熔盐环境材料力学性能测试装置。

一种熔盐环境材料力学性能测试方法，利用上述熔盐环境材料力学性能测试系统实现，具体包括以下步骤：

步骤1、将上压头连杆的上端与力学试验机的上压头固定连接，将下压头连杆的下端与力学试验机的下压头固定连接，并在熔盐储罐中装入固态熔盐，将待测样品放在垫块上；

步骤2、将高温真空环境试验箱内调整至所需的气氛和温度；

步骤3、通过储罐压力系统增大熔盐储罐内部的压力，使得熔盐储罐中的熔盐经由熔盐导流管流入阶梯状凹腔；

步骤4、恒温一段时间后，控制力学试验机对待测样品进行材料力学性能测试；

步骤5、完成测试后，通过储罐压力系统减小熔盐储罐内部的压力，使得阶梯状凹腔中的熔盐经由熔盐导流管流回熔盐储罐中。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对熔盐储罐的压力控制来实现熔盐的导入和导出，样品放置和测试后样品取出过程中，阶梯状凹腔内没有熔盐，方便样品放样和样品取出，提高了试验的可操作性；利用下压头的阶梯状凹腔提供样品熔盐环境，所需体积较少，较少的熔盐即可试验；熔盐导流管在高温腔中，不需要额外加热，且熔盐导流管中不需要阀门，提高了设备的可靠性，降低了设备的成本；熔盐储罐在高温腔内，且与测试腔密封，可通过两套气路系统，实现样品保护，熔盐转移，不需要额外加热，操作简单方便；上压头包含一个竖直挡板部分，下压头包含一个相适配的插槽，可防止测试过程中，材料破碎后将熔盐飞溅，污染测试腔，腐蚀加热配件，同时可以阻碍熔盐的挥发；在插槽的底部与阶梯状凹腔之间设置有可使熔盐从插槽中流入阶梯状凹腔的连通孔道，可防止飞溅熔盐的溢出，以及熔盐冷却后堵塞插槽，并减少熔盐的损失和扩散，提高设备的稳定性；阶梯状凹腔下部包含熔盐回流凹槽，熔盐导流管插在熔盐回流凹槽里面，且进一步在熔盐回流凹槽上部设置用于碎片过滤的滤网，可防止材料碎片堵塞管道，同时熔盐可全部排尽，可减少熔盐的损失和扩散，同时提高了设备的稳定性。

附图说明

图1为本发明熔盐环境材料力学性能测试系统的整体结构示意图；

图2为测试模块的结构示意图。

图中各标号含义如下：

1、波纹管，2、力学试验机架，3、高温腔外壁，4、保温层，5、上压头连杆，6、加热电阻，7、测试模块，8、下压头连杆，700、下压头，701、真空系统，702、加压系统，703、阀门，704、熔盐储罐，705、垫块，706、样品，707、阶梯状凹腔，708、上压头，709、凸出部， 710、竖直档板，711、插槽，712、熔盐排泄孔，713、阶梯平台，714、滤网，715、熔盐回流凹槽，716、熔盐导流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明熔盐环境材料力学性能测试系统一个具体实施例的整体结构，如图1所示，本发明熔盐环境力学性能测试装置安装于力学试验机架2之中，该装置包括高温真空环境试验箱（包括由内到外的高温腔外壁3、保温层4、加热电阻6，其余的温度控制和气氛控制系统等图中未示出）、上压头连杆5、下压头连杆8以及测试模块7；上压头连杆5、下压头连杆8分别贯穿高温真空环境试验箱的顶部、底部并分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部动密封连接，本实施例中采用波纹管1进行动密封连接。

如图2所示，测试模块包括上压头708、下压头700、熔盐储罐704及储罐压力系统；上压头708、下压头700分别与上压头连杆5下端和下压头连杆8上端固定连接。上压头708的下端中部设置有一凸出部709，围绕该凸出部709设置有一圈竖直挡板710，用于防止测试过程中熔盐飞溅，污染测试腔。如图2所示，下压头700的上端中部形成有一阶梯状凹腔707，阶梯状凹腔707的底部中间设置有与上压头708的凸出部709相对应的垫块705，阶梯状凹腔707的底部边缘设置有熔盐回流凹槽715，下压头700的上端围绕阶梯状凹腔707设置有一圈恰好可容纳竖直挡板710的插槽711，竖直挡板710与插槽711相互配合，可使得测试腔在测试过程中基本处于密闭状态，从而防止熔盐溅出。插槽711的底部与阶梯状凹腔707之间设置有可使熔盐从插槽711中流入阶梯状凹腔707的熔盐排泄孔712，熔盐排泄孔712的方向可以设置为水平或者从插槽711开始斜向下，数量可以是一个或多个，其作用是使得少量溅入插槽711的熔盐迅速流回至阶梯状凹腔707中，从而防止飞溅熔盐的溢出以及熔盐冷却后堵塞插槽，并减少熔盐的损失和扩散，提高设备的稳定性。所述熔盐储罐704为一密闭容器，固定于下压头700下方，熔盐储罐704与熔盐回流凹槽715之间通过熔盐导流管716连通；如图2所示，所述熔盐导流管716的一端与熔盐储罐704密封连接，熔盐导流管716的另一端经由设置于下压头700中上部的通孔（本实施例中该通孔位于阶梯平台713处）进入阶梯状凹腔707后插入熔盐回流凹槽715的底部；为了防止测试后样品碎片落入熔盐回流凹槽715，从而堵塞熔盐导流管716，在所述熔盐回流凹槽715上覆盖有滤网714。

所述储罐压力系统用于控制熔盐储罐704内部的压力，其设置于高温真空环境试验箱外部，通过金属管与熔盐储罐704密封连接。如图2所示，本实施例中的储罐压力系统包括真空系统701和加压系统702以及各自的控制阀门703。

上述测试装置中各部件可采用耐高温的高温合金，其中的上、下压头优选采用高温硬质合金，如钨钼合金，以满足高温下测试对压头变形和稳定性的要求；考虑到高温熔盐的腐蚀性，其中与熔盐直接接触的部件（例如熔盐储罐、熔盐导流管、滤网等）的材质优选采用耐熔盐腐蚀的高温镍基合金，例如美国橡树岭实验室开发的Hastelloy N合金或我国科研单位开发的GH3535合金，这样即可实现最高1600℃温度下的熔盐环境材料力学性能测试。

为了便于熔盐和样品的装填，本实施例中的熔盐储罐通过挂钩的方式可拆卸地固定于下压头下方，例如可在熔盐储罐外表面和下压头下端分别安装挂钩组件，或者在熔盐储罐外表面和下压头连杆上分别安装挂钩组件，这样就可方便地固定和取下熔盐储罐。

优选地，上压头、下压头分别通过螺纹连接方式与上压头连杆下端和下压头连杆上端固定连接。

利用本发明测试系统测试时的流程具体如下：

步骤1、将上压头连杆5的上端与力学试验机的上压头固定连接，将下压头连杆8的下端与力学试验机的下压头固定连接，并在熔盐储罐704中装入固态熔盐，将待测样品706放在垫块705上；

步骤2、将高温真空环境试验箱内调整至所需的气氛和温度；对高温真空环境试验箱进行抽真空、通惰性气体处理，并将炉温升高到熔盐熔点以上的测试温度，此时，熔盐储罐704中的固态熔盐会融化为液态；

步骤3、通过储罐压力系统中的加压系统702增大熔盐储罐704内部的压力，在压力差的作用下，熔盐储罐704中的熔盐经由熔盐导流管716流入阶梯状凹腔707；这样，样品706即处于所需的熔盐环境下；

步骤4、恒温一段时间后，控制力学试验机对待测样品706进行材料力学性能测试；利用力学试验机进行力学性能实验是本领域常用技术手段，此处不再赘述；在测试过程中，竖直挡板710与插槽711相互配合，可使得测试腔在测试过程中基本处于密闭状态，从而防止熔盐溅出；即使有少量熔盐溅入插槽711，也会通过熔盐排泄孔712迅速流回至阶梯状凹腔707中；

步骤5、完成测试后，通过储罐压力系统中的真空系统701减小熔盐储罐内部的压力，同样在压力差的作用下，阶梯状凹腔707中的熔盐经由熔盐导流管716流回熔盐储罐704中；由于熔盐回流凹槽715上覆盖有滤网714，因此测试过程中产生的样品碎片、碎屑等会被滤网714挡住，不会进入熔盐导流管716从而造成堵塞。

待所有熔盐回流至熔盐储罐后，即可停止抽真空，并将炉温缓慢降到室温后，打开高温真空环境试验箱，将测试后样品取出，进行下一轮测试

本发明可实现高温熔盐环境下各类材料（例如炭材料、复合材料、陶瓷、金属等）力学性能的准确测试，同时还具有成本较低、使用方便、安全可靠性高的优点，对于熔盐反应堆技术、熔盐集热技术等具有积极意义。

Claims (8)

1.一种熔盐环境材料力学性能测试装置，其特征在于，包括高温真空环境试验箱、上压头连杆、下压头连杆以及测试模块；上压头连杆、下压头连杆分别贯穿高温真空环境试验箱的顶部、底部并分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部动密封连接；所述测试模块包括上压头、下压头、熔盐储罐、储罐压力系统；上压头、下压头分别与上压头连杆下端和下压头连杆上端固定连接；上压头的下端中部设置有一凸出部，围绕该凸出部设置有一圈竖直挡板；下压头的上端中部形成有一阶梯状凹腔，阶梯状凹腔的底部中间设置有与上压头的凸出部相对应的垫块，阶梯状凹腔的底部边缘设置有熔盐回流凹槽，下压头的上端围绕所述阶梯状凹腔设置有一圈恰好可容纳所述上压头的竖直挡板的插槽，该插槽的底部与阶梯状凹腔之间设置有可使熔盐从插槽中流入阶梯状凹腔的连通孔道；所述熔盐储罐为一密闭容器，固定于下压头下方，熔盐储罐与熔盐回流凹槽之间通过熔盐导流管连通，所述熔盐导流管的一端与熔盐储罐密封连接，熔盐导流管的另一端经由设置于下压头中上部的通孔进入阶梯状凹腔后插入熔盐回流凹槽的底部；所述储罐压力系统用于控制熔盐储罐内部的压力，其设置于高温真空环境试验箱外部，通过金属管与熔盐储罐密封连接。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，在所述熔盐回流凹槽上覆盖有滤网。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，上压头连杆、下压头连杆分别与高温真空环境试验箱的顶部、底部通过波纹管动密封连接。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，上压头、下压头分别通过螺纹连接方式与上压头连杆下端和下压头连杆上端固定连接。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，熔盐储罐可拆卸地固定于下压头下方。

6.如权利要求1～5任一项所述装置，其特征在于，该装置中与熔盐直接接触的部件的材质均为耐熔盐腐蚀的高温镍基合金。

7.一种熔盐环境材料力学性能测试系统，其特征在于，包括力学试验机及如权利要求1～6任一项所述熔盐环境材料力学性能测试装置。

8.一种熔盐环境材料力学性能测试方法，其特征在于，利用如权利要求7所述熔盐环境材料力学性能测试系统实现，具体包括以下步骤：

步骤1、将上压头连杆的上端与力学试验机的上压头固定连接，将下压头连杆的下端与力学试验机的下压头固定连接，并在熔盐储罐中装入固态熔盐，将待测样品放在垫块上；

步骤2、将高温真空环境试验箱内调整至所需的气氛和温度；

步骤3、通过储罐压力系统增大熔盐储罐内部的压力，使得熔盐储罐中的熔盐经由熔盐导流管流入阶梯状凹腔；

步骤4、恒温一段时间后，控制力学试验机对待测样品进行材料力学性能测试；

步骤5、完成测试后，通过储罐压力系统减小熔盐储罐内部的压力，使得阶梯状凹腔中的熔盐经由熔盐导流管流回熔盐储罐中。