CN108132189A - 连续变温下高温原位双轴加载测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续变温下高温原位双轴加载测试装置，属于材料力学性能测试领域。包括双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块，双轴加载模块由电动缸、拉压力传感器、加载主轴等组成，实现装置的双轴拉‑拉、拉‑压、压‑压等多种方式的加载测试；高温加载模块由真空炉体、测温元件、真空系统、水冷系统及高温夹具等组成，实现装置3000℃高温加载；成像模块包括数字散斑测试系统、高速数字摄像机等，完成装置的高温应变测试和实时原位观测。优点在于：整体设计大方合理，结构简单，安全可靠，加载精度高、载荷范围大、测试方法多样化，可完成各种材料在真空高温状态下的多类试验。为材料高温力学行为和服役提供了有效的测试手段。
Description
技术领域
本发明涉及材料原位力学性能测试领域，特别涉及一种在高温双轴加载环境作用下耐高温材料的力学参数的测试方法与装置，尤指一种连续变温下高温原位双轴加载测试装置。用于对耐高温材料在高温双轴加载下的力学性能参数测定。
背景技术
诸如碳/碳复合材料、高温合金、高温陶瓷等耐高温材料能在高温环境及一定应力作用下长期工作，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是航空航天、武器装备等热防护系统设计研制的关键材料，广泛应用支撑各种超高速飞行器的喉衬、隔热环、高压喷管、发动机涡轮引擎等关键功能部件。
耐高温材料的力学参数会随着温度的改变为发生非线性变化，世界各国对用于防热保护的耐高温材料的研究极度重视。早在上世纪九十年代，美国、俄罗斯、日本、法国等国就把复合材料的研究列入先进材料研究计划，许多国家都建立了相关超高温研究机构，对材料在超高温环境下的力学性能进行系统的研究。耐高温材料的力学性能指标评价技术的欠缺制约着我国耐高温材料的发展。同时，美国、俄罗斯等国对我国实行技术封锁，超高温环境下耐高温材料力学性能测试技术和装置进口受限，极大地阻碍了我国耐高温材料力学指标评价体系的建立，我国迫切需要对高温环境下耐高温材料力学性能进行研究。
鉴于耐高温材料大多数长期工作于超高温环境中，在设计耐高温材料及应用进行结构设计时，必须对符合材料及零部件进行系统的试验分析，充分掌握高温环境下耐高温材料在静载荷、动载荷、以及其他复杂载荷作用下的各种性能指标数据，建立耐高温材料结构的失效模型，探索失效机理，为耐高温材料的设计应用提供理论依据，保证耐高温材料应用的可靠性。对耐高温材料在极端高温环境中复杂载荷作用下的力学性能参数进行测定，获得耐高温材料在超高温、复杂载荷作用下的失效模式和机理，为航空航天、国防建设的发展提供理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续变温下高温原位双轴加载测试装置，解决现有技术存在的上述问题，填补我国相关领域的技术空白。本发明是集双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块于一体的多功能精密测试装置，进一步开展高温双轴载荷加载材料力学性能实验研究，加快我国对耐高温材料的研究，打破国外相关行业的技术垄断。本发明结构布局属于立式结构，整体装配于平台支撑模块，立式结构布局以及平台前后开设观测窗口，方便试验过程的操作、温度测量、应变测量、实时原位观测等。本发明以耐高温材料为研究对象，提出的高温环境原位双轴加载测试装置为耐高温材料在高温复杂载荷作用下的力学参数测定提供支撑，对相关产业的发展、填补我国相关领域的技术空白具有重要意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
连续变温下高温原位双轴加载测试装置，包括双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块，所述双轴加载模块、高温加载模块、成像模块分别安装在支撑模块上；双轴加载模块与高温加载模块通过密封波纹管9法兰连接，保证加载过程中密封腔体的真空度要求，双轴加载模块与高温加载模块耦合实现高温双轴加载测试；所述双轴加载模块为立式结构，两加载轴方向与水平或竖直方向成45°角布置，由四个加载主轴实现双轴四个方向载荷加载；所述高温加载模块提供高温环境，实现真空环境下最高3000℃高温加载；所述成像模块，在高温双轴加载测试过程中进行应变测量和实时原位动态观测。
所述的双轴加载模块是：电动缸10通过电动缸法兰3固定在支撑模块的支撑体6，将加载过程中电动缸10提供的推拉力作用在支撑体6上，电动缸拉伸轴33与主轴43法兰连接，拉压力传感器34中心孔内螺纹与主轴43另一端外螺纹连接，对测试过程中的拉压力进行测定，通过螺栓将拉压力传感器34、主轴隔热板42、主轴过渡法兰轴11连接起来，主轴隔热板42使拉压力传感器34处于工作温度范围之内。
所述的高温加载模块包括高温加热炉、测温元件、真空系统、水冷系统及高温夹，所述高温加热炉炉体由前后对称的两部分组成，分别通过炉体固定支撑板25螺栓连接固定在密封腔前门14和密封腔后门8上，随密封腔前、后门的开合一起运动，便于十字形试件44的装夹和拆卸；炉体固定支撑板25外侧附有水冷系统的炉体冷却管路31，通过管路固定座32固定在炉体固定支撑板25上，对高温加热炉外侧进行水冷降温，减少炉体高温向外传递。
所述的高温加热炉采用石墨加热体29电阻加热，为内凹圆柱形电阻加热体。
所述的高温夹具采用钨价钼合金及碳/碳复合材料制作，高温加热炉炉体外部为真空密封腔，真空系统对其进行抽真空操作，使高温双轴试验过程处于真空环境下。
本发明的有益效果在于：整体设计大方合理、结构简单、加载精度高、载荷范围大、安全可靠、测试方法多样化，可完成各种材料在真空高温状态下负载载荷加载测试试验。通过数字散斑、高速相机等数字显微成像系统对测试试件高温环境下的变形、损伤机理进行应变测量和原位观测。本发明可实现耐高温材料在高温单双轴载荷作用下的力学性能测试，为材料的力学行为和服役行为提供有效的测试手段。本发明在材料科学、机械装备、国防军工和航空航天等领域具有重要的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构左视图；
图3为本发明高温炉内部结构示意图；
图4为本发明高温炉外部结构示意图；
图5为本发明加载主轴模块主视图；
图6为本发明十字形试件结构图。
图中：1、基座；2、支撑底座；3、电动缸法兰；4、支撑立柱；5、立柱固定法兰；6、支撑体；7、密封腔主体；8、密封腔后门；9、密封波纹管；10、电动缸；11、主轴过渡法兰轴；12、耐高温玻璃；13、观测窗口法兰；14、密封腔前门；15、密封腔支撑架；16、腔体支撑板；17、滑块；18、导轨；19、导轨支撑座；20、立柱固定底座；21、导轨基座；22、导轨支撑架；23、炉体支撑套筒；24、石墨毡保温层；25、炉体固定支撑板；26、炉体固定螺母；27、炉体固定螺柱；28、炉体底部屏蔽层Ⅰ；29、石墨加热体；30、炉体外壁屏蔽层Ⅱ；31、炉体冷却管路；32、管路固定座；33、电动缸拉伸轴；34、拉压力传感器；35、冷却轴后盖；36、冷却轴套筒；37、上夹具体；38、下夹具体；39冷却轴前盖；40、出水口；41、进水口；42、主轴隔热板；43、主轴；44、十字形试件。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的连续变温下高温原位双轴加载测试装置，整体为立式结构，通过装置支撑模块装配起来。可对碳/碳复合材料、高温合金等耐高温材料在最高3000℃高温环境下进行原位双轴加载测试，获取耐高温材料在高温、复杂应力载荷作用下的失效模式和机理。本发明由双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块组成。其中双轴加载模块由四个加载主轴实现双轴四个方向载荷加载。所述双轴加载模块由电动缸、拉压力传感器、加载主轴等组成，实现装置的双轴拉-拉、拉-压、压-压等多种方式的加载测试；高温加载模块包括高温加热炉体、测温元件、真空系统、水冷系统及高温夹具等，可实现真空环境下最高3000℃高温加载；成像模块包括数字散斑测试系统、高速数字摄像机，在高温双轴加载测试过程中进行应变测量和实时原位动态观测；支撑模块在装置中起到固定支撑的作用。上述各模块耦合实现耐高温材料在高温复杂载荷应力作用下原位力学性能测试。整体设计大方合理，结构简单，安全可靠，加载精度高、载荷范围大、测试方法多样化，可完成各种材料在真空高温状态下的多类试验。为材料高温力学行为和服役提供了有效的测试手段。具体结构包括双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块，所述双轴加载模块、高温加载模块、成像模块分别安装在支撑模块上；双轴加载模块与高温加载模块通过密封波纹管9法兰连接，保证加载过程中密封腔体的真空度要求，双轴加载模块与高温加载模块耦合实现高温双轴加载测试；
所述的双轴加载模块是：电动缸10通过电动缸法兰3固定在支撑模块的支撑体6，将加载过程中电动缸10提供的推拉力作用在支撑体6上，电动缸拉伸轴33与主轴43法兰连接，拉压力传感器34中心孔内螺纹与主轴43另一端外螺纹连接，对测试过程中的拉压力进行测定，通过螺栓将拉压力传感器34、主轴隔热板42、主轴过渡法兰轴11连接起来，主轴隔热板42起到隔热的作用，使拉压力传感器34处于工作温度范围之内。
所述的高温加载模块包括高温加热炉、测温元件、真空系统、水冷系统及高温夹具等，在试验过程中提供高温环境；所述的成像模块包括数字散斑测试系统、高速数字摄像机等，在高温双轴加载测试过程中进行应变测量和实时原位动态观测。所述的支撑模块包括基座1支撑底座2、支撑体6等，在装置中起到固定支撑的作用。
参见图1及图2所示，所述的双轴加载模块为立式结构，两加载轴方向与水平或竖直方向成45°角布置，极大地节省了竖直布置时的空间，使测试装置结构紧凑，便于密封腔支撑架15与密封腔主体7的连接，易于操作人员试验操作。
参见图5及图6所示，所述的双轴加载模块由商业化的电动缸10作为动力源，为双轴加载测试提供动力。电动缸10通过电动缸法兰3螺钉固定在支撑体6上，卸载双轴加载过程中的推拉力以及其自身重力；电动缸拉伸轴33与主轴43连接，将电动缸10的推拉行程与推拉力传递给加载主轴；拉压力传感器34中心孔内螺纹与主轴43另一端外螺纹螺纹连接，对测试过程中的拉压力进行测定，通过螺栓将拉压力传感器34、主轴隔热板42、主轴过渡法兰轴11连接起来，主轴隔热板42起到隔热的作用，使拉压力传感器34处于工作温度范围内；主轴过渡法兰轴11连接高温夹具，通过螺栓将冷却轴后盖35、密封波纹管9连接起来，将动力传递给夹具体，对试件进行双轴加载；冷却轴后盖35、冷却轴套筒36、冷却轴前盖39、进水口41、出水口40等共同组成主轴冷却系统，对加载主轴进行纯水冷却，避免温度过高对装置的影响；下夹具体38固定在冷却轴前盖39上，与上夹具体37配合使用对十字形试件44进行装夹。
参见图1及图3及图4所示，所述的高温加热炉炉体由前后对称的两部分组成，炉体通过其上的炉体固定螺柱27和炉体固定螺母26安装在炉体支撑套筒23上；炉体支撑套筒23与炉体支撑板25焊接在一起，通过炉体固定支撑板25螺栓连接固定在装置的密封腔前门14和密封腔后门8上，随密封腔前后门的开合一起运动，便于十字形试件44的装夹和拆卸。密封腔前后门分别设有观测窗口，窗口外凸，内置凹孔，安装耐高温玻璃12，通过观测窗口法兰13固定，起到密封腔体密封和观测的作用。
参见图3及图4所示，炉体固定支撑板25外侧附有炉体冷却管路31，通过管路固定座32固定在炉体固定支撑板25上，对高温加热炉最外侧进行水冷降温，减少炉体高温向外传递。所述的高温加热炉
采用石墨加热体29电阻加热，首创性提出了内凹圆柱形加热体，该石墨加热体29的受热面积大，升温速度快，方便对十字形试件的中心标距区进行辐射加热。石墨加热体29外置石墨毡保温层24，对石墨加热体进行保温作用，防止热量向外传递；同时炉体底部和外部设计炉体底部屏蔽层Ⅰ28和炉底外部屏蔽层Ⅱ30，起到屏蔽热辐射的作用，上述各部件共同作用实现炉体内部连续升温至最高3000℃高温环境。
参见图1所示，高温夹具根据试验温度要求，采用钨价钼合金及碳/碳复合材料制作，保证高温真空环境下夹具体使用强度。高温加热炉炉体外部为真空密封腔，真空系统对其进行抽真空操作，使高温双轴试验过程处于真空环境下，防止石墨加热体、高温夹具、试件等发生高温氧化。密封腔前后门配置有观测窗，使用观测窗口法兰13、真空焊接耐高温玻璃12及无氧铜密封，密封效果及安全性更高，便于随时观察炉体情况。双轴加载模块与高温加载模块通过密封波纹管9法兰连接，保证加载过程中密封腔体的真空度要求。
采用GOM公司数字散斑对试件在高温环境下的应变进行测量，采用美国PhantomVEO 420高速数字摄像机对试验时试件拉伸和断裂破坏过程进行实时原位观测。
参见图1及图2所示，所述的支撑模块采用架体结构，具体包括基座1、支撑底座2、支撑立柱4、立柱固定法兰5、支撑体6、密封腔支撑架15、腔体支撑板16、导轨18、滑块17、导轨支撑座19、立柱固定底座20、导轨支撑架22、导轨基座21等部分。基座1和导轨基座21为装置的底端，与地面接触，支撑整个装置；支撑力柱4通过立柱固定底座20固定在基座1上，顶端与立柱固定法兰5连接支撑体6，与支撑底座2共同作用对支撑体6进行支撑固定；支撑体6内部、导轨支撑架22上安装导轨支撑座19，真空密封腔通过密封腔支撑架15安装在滑块17上面的腔体支撑板16上，通过导轨18和滑块17配合可使真空密封腔体移出支撑体6内部，便于高温加载模块的拆装以及后期外加功能的拓展。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种连续变温下高温原位双轴加载测试装置，其特征在于：包括双轴加载模块、高温加载模块、成像模块和支撑模块，所述双轴加载模块、高温加载模块、成像模块分别安装在支撑模块上；双轴加载模块与高温加载模块通过密封波纹管（9）法兰连接，保证加载过程中密封腔体的真空度要求，双轴加载模块与高温加载模块耦合实现高温双轴加载测试；所述双轴加载模块为立式结构，两加载轴方向与水平或竖直方向成45°角布置，双轴加载模块由四个加载主轴实现双轴四个方向载荷加载；所述高温加载模块提供高温环境，实现真空环境下最高3000℃高温加载；所述成像模块在高温双轴加载测试过程中进行应变测量和实时原位动态观测。
2.根据权利要求1所述的连续变温下高温原位双轴加载测试装置，其特征在于：所述的双轴加载模块是：电动缸（10）通过电动缸法兰（3）固定在支撑模块的支撑体（6），将加载过程中电动缸（10）提供的推拉力作用在支撑体（6）上，电动缸拉伸轴（33）与主轴（43）法兰连接，拉压力传感器（34）中心孔内螺纹与主轴（43）另一端外螺纹连接，对测试过程中的拉压力进行测定，通过螺栓将拉压力传感器（34）、主轴隔热板（42）、主轴过渡法兰轴（11）连接起来，主轴隔热板（42）使拉压力传感器（34）处于工作温度范围之内。
3.根据权利要求1所述的连续变温下高温原位双轴加载测试装置，其特征在于：所述的高温加载模块包括高温加热炉、测温元件、真空系统、水冷系统及高温夹具，所述高温加热炉炉体由前后对称的两部分组成，分别通过炉体固定支撑板（25）螺栓连接固定在密封腔前门（14）和密封腔后门（8）上，随密封腔前、后门的开合一起运动，便于十字形试件（44）的装夹和拆卸；炉体固定支撑板（25）外侧附有水冷系统的炉体冷却管路（31），通过管路固定座（32）固定在炉体固定支撑板（25）上，对高温加热炉外侧进行水冷降温，减少炉体高温向外传递。
4.根据权利要求3所述的连续变温下高温原位双轴加载测试装置，其特征在于：所述的高温加热炉采用石墨加热体（29）电阻加热，为内凹圆柱形电阻加热体。
5.根据权利要求3所述的连续变温下高温原位双轴加载测试装置，其特征在于：所述的高温夹具采用钨价钼合金及碳/碳复合材料制作，高温加热炉炉体外部为真空密封腔，真空系统对其进行抽真空操作，使高温双轴试验过程处于真空环境下。
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