CN111398053A - 一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置 - Google Patents

一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，目的是为了解决陶瓷基复合材料对缺口敏感而不能使用传统螺纹连接和销钉孔连接的问题，该装置采用自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统可解决这一技术瓶颈问题。具备楔形试样自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统主要包括承力箱体、高温加热炉、半圆形转动夹具和方形空心承力盒等部件。本发明的优点是该高温试验系统可有效降低楔形试样的受载程度，同时具有楔形试样与试验机加载轴的自对中功能，并且可实现楔形试样不同厚度、不同宽度和不同楔形倾斜角等多自由度的稳定、可靠夹持，使用简便、快捷，试验效率高。

Description

一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置
技术领域
本发明公开了一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，用于陶瓷基复合材料在高温条件下的轴向拉伸或持久/蠕变等力学性能测试，属于超高温结构材料力学性能测试技术领域。
背景技术
随着先进航空发动机综合技术的快速发展，尤其是航空发动机高温结构材料的进步，航空发动机热端部件材料由传统的变形高温合金发展为铸造高温合金，铸造高温合金又由等轴晶结构发展到定向晶结构和单晶结构，极大提升了航空发动机热端部件材料的承温能力和抗氧化性能。但随着航空发动机推重比的不断提高，单晶铸造高温合金已不能完全满足航空发动机热端部件(例如涡轮导向器叶片和转子叶片)的研制需求，需要研制更高承温能力和抗氧化性的超高温结构材料。陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有抗热震冲击、耐高温(可达1800℃)、耐腐蚀、抗氧化、抗烧蚀、低密度和热稳定性好的诸多优点，使其成为先进航空发动机设计者密切关注的新型超高温结构材料。目前，世界各国尤其是美国、日本、欧共体等都对陶瓷基复合材料的制备工艺及增韧机制进行了大量的研究，并取得了一些重要科研和应用成果。尤其美国NASA特别重视陶瓷基复合材料的研制，其目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高，从而提高发动机的推重比并延长使用寿命，满足军民航空发动机技术发展的需要。据不完全统计，世界各国已经制备和通过试验验证考核的航空发动机陶瓷基复合材料零部件主要有以下几类：(1)燃烧室内衬套，(2)燃烧室筒，(3)尾喷口调节片，(4)涡轮叶片。
如果要开展航空发动机用陶瓷基复合材料零部件的结构强度计算和分析，离不开其在使用温度下的综合力学性能试验，从而获得试验数据结果，建立设计用曲线和理论方法，用于航空发动机热端部件的结构设计和强度评估。虽然陶瓷基复合材料具有优异的综合力学性能，但由于自身材料组织的固有属性，脆性始终是陶瓷基复合材料研制不可回避的关键问题。尽管世界各国科研人员开展了大量的增韧机理研究，脆性终究是陶瓷基复合材料工程应用的拦路虎。诸多理论和试验结果表明，材料越脆，其缺口敏感性也就越大。在开展高温条件下的力学性能试验时，传统铁基、钴基和镍基高温合金试样的夹持端与力学性能试验设备之间可以采用螺纹连接或销钉孔连接，由于这些材料缺口敏感性差，螺纹连接或销钉孔连接比较稳定、可靠。但对于较脆的陶瓷基复合材料来说，由于脆性较大而导致其对缺口较为敏感，传统的螺纹连接或销钉孔连接已不再适用，容易在具有缺口效应的螺纹端和圆孔处发生断裂失效，从而造成力学性能试验的失败，浪费大量的试验资源。因此，急需设计一种具备较小缺口效应甚或无缺口效应的力学性能高温试验系统，从而开展陶瓷基复合材料的高温力学性能试验研究工作，为陶瓷基复合材料在航空发动机领域的工程应用提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是旨在设计出一种结构简单，操作灵活且采用模块化设计的具备楔形试样自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统，与诸如拉伸试验机或持久/蠕变试验机配合，从而实现陶瓷基复合材料在高温条件下的力学性能试验。采用本发明提出的具备楔形试样自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统能够确保陶瓷基复合材料进行稳定、可靠的力学性能试验，可以获得陶瓷基复合材料的高温力学性能和寿命数据，从而满足航空发动机研制对陶瓷基复合材料力学性能数据的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，所述楔形试样1是一个夹持端呈“楔形”而中间标矩段是具有矩形截面的平板试样，该试验装置包括与试验机加载主轴连接的两个过渡夹具2，其特征在于：过渡夹具2的一端连接试验机的加载主轴，过渡夹具2的另一端通过机械或焊接方式固定连接承力箱体3上，高温加热炉4安装在试验机的支撑主轴上且位于两个过渡夹具2之间，楔形试样1的两端分别夹持在两个承力箱体3内的自动找正机构上，使位于高温加热炉4内的楔形试样1的中间标矩段与高温加热炉4的中轴线重合。
在一种实施中，在承力箱体3的承力底板5上加工有方形通孔6以保证楔形试样1的顺利穿过，方形通孔6的尺寸可根据楔形试样1的夹持端尺寸进行灵活调整，在承力底板5上加工两个方形定位凸台7，在承力箱体3上端中间位置加工一个半圆形定位凸台8，在承力箱体3的两个正方形端面的八个直角处分别加工八个紧固螺纹孔9。
在一种实施中，每一个承力箱体3内的自动找正机构包括两个方形空心承力盒17，每一个方形空心承力盒17的上端面加工一个半圆形定位凹槽26，在方形空心承力盒17的下端面上加工两个方形定位凹槽27,方形空心承力盒17上的半圆形定位凹槽26和方形定位凹槽27分别与承力箱体3的半圆形定位凸台8和方形定位凸台7配合使用，从而确定方形空心承力盒17在承力箱体3内沿着垂直于方形定位凸台7长度方向上的具体位置，在垂直于半圆形定位凹槽26的方形空心承力盒17的端面上加工一个顶针孔28，顶针孔28与定位螺栓14上的圆柱形顶针15配合使用。
在一种实施中，每一个承力箱体3内的自动找正机构包括两个半圆形转动夹具16分别夹持楔形试样1的“楔形”夹持端的两侧，半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17内，并能通过转动对楔形试样1进行自动找正。
在一种实施中，半圆形转动夹具16的两个半圆形侧端面18为平面，两侧面之间为半圆形球面和一个平直面20的组合体，在半圆形转动夹具16两侧面的半圆形侧端面18的圆心位置加工转动通孔19，并设置一个圆柱形长销钉25与转动通孔19相配合以形成转动，在半圆形转动夹具16的平直面20中心位置上加工定位凹槽21，在定位凹槽21的两个侧面上分别加工两个圆柱形销孔22，在该定位凹槽21内配置两块长方体形垫块23用于夹持楔形试样1的“楔形”夹持端，在长方体形垫块23的一端面上加工两个圆柱形销钉24与圆柱形销孔22配合。
在一种实施中，每一个承力箱体3内的自动找正机构包括两个半圆形转动夹具16分别夹持楔形试样1的“楔形”夹持端的两侧，两个半圆形转动夹具16各安装在一个方形空心承力盒17内；
半圆形转动夹具16的两个半圆形侧端面18为平面，两侧面之间为半圆形球面和一个平直面20的组合体，在半圆形转动夹具16两侧面的半圆形侧端面18的圆心位置加工转动通孔19，并设置一个圆柱形长销钉25与转动通孔19相配合以形成转动，在半圆形转动夹具16的平直面20中心位置上加工定位凹槽21，在定位凹槽21的两个侧面上分别加工两个圆柱形销孔22，在该定位凹槽21内配置两块长方体形垫块23用于夹持楔形试样1的“楔形”夹持端，在长方体形垫块23的一端面上加工两个圆柱形销钉24与圆柱形销孔22配合；
半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17的半圆形凹腔29内，圆柱形顶针15能够顶压在半圆形转动夹具16的半圆形球面上以固定其位置；
在半圆形凹腔29的两个端壁上分别加工一个圆柱形通孔30，圆柱形长销钉25穿过方形空心承力盒17的圆柱形通孔30和半圆形转动夹具16的转动通孔19，从而将半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17的半圆形凹腔29内。
在一种实施中，在承力箱体3的两个正方形盖板10上分别加工四个螺纹通孔11，在正方形盖板10的中心位置加工定位螺栓通孔12，四个紧固螺钉13穿过四个螺纹通孔11安装在四个紧固螺纹孔9内，定位螺栓14通过螺纹与定位螺栓通孔12连接，且在定位螺栓14上加工有圆柱形顶针15。
在一种实施中，高温炉4呈长方体形或圆柱形，可采用对开式结构，高温炉4炉体从内到外依次可由耐火层、保温层和不锈钢层三层结构组成，在高温炉4的上下端面31上分别加工与楔形试样1相配合的方形通孔32，并采用密封装置实现楔形试样1与方形通孔32之间的密封。
本发明技术方案的特点及有益效果是：
1.楔形试样与自对中且多自由度可调夹具之间采用楔形面接触连接，确保了接触面面积最大化，将楔形试样所受的轴向力进行分解，降低了楔形试样的受载程度，与传统螺纹连接和销钉孔连接相比，避免了局部受力过大和应力集中导致待测试样的非正常失效和断裂。
2.自对中且多自由度可调夹具将半圆形转动夹具安装在方形空心承力盒内，可以实现半圆形转动夹具的灵活转动，同时采用定位螺栓来准确控制方形空心承力盒在承力箱体内的定位，通过半圆形转动夹具在方形空心承力盒内的微小转动即可实现楔形试样与试验机加载轴的自对中功能。
3.自对中且多自由度可调夹具通过调节长方体形垫块的厚度以及控制方形空心承力盒在承力箱体内的位置，可以实现楔形试样不同厚度、不同楔形倾斜角和不同宽度等多自由度的稳定、可靠夹持，并且自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统采用模块化结构设计方法，各个模块可自由拆卸和更换，使用简便、快捷，试验效率较高。
附图说明
图1为楔形试样结构示意图。
图2为本发明装置的总体结构示意图。
图3为过渡夹具与承力箱体连接方式的结构示意图。
图4为正方形盖板及其安装螺栓结构示意图。
图5为楔形试样与半圆形转动夹具和方形空心承力盒的结构安装示意图。
图6为半圆形转动夹具及其安装零件结构示意图。
图7为方形空心承力盒结构示意图。
图8为高温炉结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明装置作进一步地详述：
参照附图1-图8所示，该种具备楔形试样自对中且多自由度可调夹具的高温试验系统，其特征在于：所述楔形试样1是一个两端呈“楔形”而中间标矩段是具有矩形截面的平板试样。在标矩段安装高温引伸计可以获得陶瓷基复合材料在高温条件下的力学性能数据。过渡夹具2一端连接试验机的加载主轴，另一端通过机械或焊接方式连接承力箱体3上，从而实现试验机载荷向承力箱体的有效传递。高温加热炉4安装在试验机的支撑主轴上，且楔形试样1位于高温加热炉4的中轴线上，且要求楔形试样1的中间标矩段位于高温加热炉4的炉体内，确保楔形试样1的中间标矩段受热均匀。承力箱体3的承力底板5上加工有方形通孔6，方形通孔6的主要作用是保证楔形试样1的顺利穿过，方形通孔6的尺寸可根据楔形试样1的夹持端尺寸进行灵活调整，只要保证楔形试样1与方形通孔6不发生接触干涉即可。在承力底板5上加工两个方形定位凸台7，在承力箱体3上端加工一个半圆形定位凸台8，在承力箱体3的两个正方形端面的八个直角处分别加工八个紧固螺纹孔9。在承力箱体3的两个正方形盖板10上分别加工四个螺纹通孔11，在正方形盖板10的中心位置加工定位螺栓通孔12，四个紧固螺钉13穿过四个螺纹通孔11安装在四个紧固螺纹孔9内，从而实现正方形盖板10与承力箱体3的连接，定位螺栓14通过螺纹与定位螺栓通孔12连接，且在定位螺栓14上加工有圆柱形顶针15。楔形试样1夹持端固定在半圆形转动夹具16上，半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17内，在半圆形转动夹具16的半圆形侧端面18的圆心位置加工转动通孔19，在半圆形转动夹具16的平直面20中心位置上加工定位凹槽21，在定位凹槽21的两个侧面上分别加工两个圆柱形销孔22，在长方体形垫块23的一端面上加工两个圆柱形销钉24，圆柱形销钉24与圆柱形销孔22配合实现长方体形垫块23的固定，长方体形垫块23的宽度依据楔形试样1的厚度而定。加工一个圆柱形长销钉25与转动通孔19相配合，从而实现半圆形转动夹具16与方形空心承力盒17的定位和连接。在方形空心承力盒17的上端面加工一个半圆形定位凹槽26，在方形空心承力盒17的下端面上加工两个方形定位凹槽27,方形空心承力盒17上的半圆形定位凹槽26和方形定位凹槽27分别与承力箱体3的半圆形定位凸台8和方形定位凸台7配合使用，从而确定方形空心承力盒17在承力箱体3内沿着垂直于方形定位凸台7长度方向上的具体位置，具体位置应根据楔形试样1夹持端宽度和倾斜角大小而定。在垂直于半圆形定位凹槽26的方形空心承力盒17的端面上加工一个顶针孔28，顶针孔28与定位螺栓14上的圆柱形顶针15配合使用，从而确定方形空心承力盒17在承力箱体3内沿着方形定位凸台7长度方向上的具体位置，在方形空心承力盒17与加工顶针孔28端面相对的端面上加工与半圆形转动夹具16相配合的半圆形凹腔29，在半圆形凹腔29的两个端壁上分别加工一个圆柱形通孔30，圆柱形长销钉25穿过方形空心承力盒17的圆柱形通孔30和半圆形转动夹具16的转动通孔19，从而将半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17的半圆形凹腔29内。高温炉4呈长方体形或圆柱形，可采用对开式结构，高温炉4炉体从内到外依次可由耐火层、保温层和不锈钢层三层结构组成，在高温炉4的上下端面31上分别加工与楔形试样1相配合的方形通孔32，并采用密封装置实现楔形试样1与方形通孔32之间的密封。
在进行力学性能试验之前，首先，将过渡夹具2一端连接在试验机的加载主轴上，另一端通过机械或焊接方式连接承力箱体3。然后，将长方体形垫块23通过圆柱形销钉24安装在半圆形转动夹具16的定位凹槽21内。接着，将圆柱形长销钉25依次穿过方形空心承力盒17的圆柱形通孔30和半圆形转动夹具16的转动通孔19，从而将半圆形转动夹具16安装在方形空心承力盒17的半圆形凹腔29内。然后，将方形空心承力盒17的半圆形定位凹槽26和方形定位凹槽27与承力箱体3的半圆形定位凸台8和方形定位凸台7相配合，从而确定方形空心承力盒17在承力箱体3内沿着垂直于方形定位凸台7长度方向上的具体位置。其次，通过在紧固螺纹孔9内安装紧固螺钉13实现承力箱体3与正方形盖板10的连接。接着，将定位螺栓14安装在正方形盖板10的定位螺栓通孔12内，并使定位螺栓14的圆柱形顶针15与方形空心承力盒17的顶针孔28相接触。然后，将楔形试样1穿过承力箱体3上的方形通孔6安装在半圆形转动夹具16的定位凹槽21内，通过对称旋进两侧定位螺栓14的长度确保楔形试样1的中轴线与试验机加载主轴对中。最后，将位于试验机支撑主轴上的对开式高温加热炉4移至楔形试样1附近并打开，确保楔形试样1位于高温加热炉4的中轴线上，之后关闭高温炉4，并采用密封装置实现楔形试样1与高温加热炉4的方形通孔32之间的密封。在以上楔形试样1、承力箱体3和高温炉4定位并安装好的基础上，高温炉4温度升到设定温度并保持一定时间后，启动试验机即可开展陶瓷基复合材料在高温条件下的轴向拉伸或持久/蠕变等力学性能测试。

Claims (8)

1.一种具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，所述楔形试样(1)是一个夹持端呈“楔形”而中间标矩段是具有矩形截面的平板试样，该试验装置包括与试验机加载主轴连接的两个过渡夹具(2)，其特征在于：过渡夹具(2)的一端连接试验机的加载主轴，过渡夹具(2)的另一端通过机械或焊接方式固定连接承力箱体(3)上，高温加热炉(4)安装在试验机的支撑主轴上且位于两个过渡夹具(2)之间，楔形试样(1)的两端分别夹持在两个承力箱体(3)内的自动找正机构上，使位于高温加热炉(4)内的楔形试样(1)的中间标矩段与高温加热炉(4)的中轴线重合。
2.根据权利要求1所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：在承力箱体(3)的承力底板(5)上加工有方形通孔(6)以保证楔形试样(1)的顺利穿过，方形通孔(6)的尺寸可根据楔形试样(1)的夹持端尺寸进行灵活调整，在承力底板(5)上加工两个方形定位凸台(7)，在承力箱体(3)上端中间位置加工一个半圆形定位凸台(8)，在承力箱体(3)的两个正方形端面的八个直角处分别加工八个紧固螺纹孔(9)。
3.根据权利要求2所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：每一个承力箱体(3)内的自动找正机构包括两个方形空心承力盒(17)，每一个方形空心承力盒(17)的上端面加工一个半圆形定位凹槽(26)，在方形空心承力盒(17)的下端面上加工两个方形定位凹槽(27),方形空心承力盒(17)上的半圆形定位凹槽(26)和方形定位凹槽(27)分别与承力箱体(3)的半圆形定位凸台(8)和方形定位凸台(7)配合使用，从而确定方形空心承力盒(17)在承力箱体(3)内沿着垂直于方形定位凸台(7)长度方向上的具体位置，在垂直于半圆形定位凹槽(26)的方形空心承力盒(17)的端面上加工一个顶针孔(28)，顶针孔(28)与定位螺栓(14)上的圆柱形顶针(15)配合使用。
4.根据权利1所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：每一个承力箱体(3)内的自动找正机构包括两个半圆形转动夹具(16)分别夹持楔形试样(1)的“楔形”夹持端的两侧，半圆形转动夹具(16)安装在方形空心承力盒(17)内，并能通过转动对楔形试样(1)进行自动找正。
5.根据权利4所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：半圆形转动夹具(16)的两个半圆形侧端面(18)为平面，两侧面之间为半圆形球面和一个平直面(20)的组合体，在半圆形转动夹具(16)两侧面的半圆形侧端面(18)的圆心位置加工转动通孔(19)，并设置一个圆柱形长销钉(25)与转动通孔(19)相配合以形成转动，在半圆形转动夹具(16)的平直面(20)中心位置上加工定位凹槽(21)，在定位凹槽(21)的两个侧面上分别加工两个圆柱形销孔(22)，在该定位凹槽(21)内配置两块长方体形垫块(23)用于夹持楔形试样(1)的“楔形”夹持端，在长方体形垫块(23)的一端面上加工两个圆柱形销钉(24)与圆柱形销孔(22)配合。
6.根据权利要求3所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：每一个承力箱体(3)内的自动找正机构包括两个半圆形转动夹具(16)分别夹持楔形试样(1)的“楔形”夹持端的两侧，两个半圆形转动夹具(16)各安装在一个方形空心承力盒(17)内；
半圆形转动夹具(16)的两个半圆形侧端面(18)为平面，两侧面之间为半圆形球面和一个平直面(20)的组合体，在半圆形转动夹具(16)两侧面的半圆形侧端面(18)的圆心位置加工转动通孔(19)，并设置一个圆柱形长销钉(25)与转动通孔(19)相配合以形成转动，在半圆形转动夹具(16)的平直面(20)中心位置上加工定位凹槽(21)，在定位凹槽(21)的两个侧面上分别加工两个圆柱形销孔(22)，在该定位凹槽(21)内配置两块长方体形垫块(23)用于夹持楔形试样(1)的“楔形”夹持端，在长方体形垫块(23)的一端面上加工两个圆柱形销钉(24)与圆柱形销孔(22)配合；
半圆形转动夹具(16)安装在方形空心承力盒(17)的半圆形凹腔(29)内，圆柱形顶针(15)能够顶压在半圆形转动夹具(16)的半圆形球面上以固定其位置；
在半圆形凹腔(29)的两个端壁上分别加工一个圆柱形通孔(30)，圆柱形长销钉(25)穿过方形空心承力盒(17)的圆柱形通孔(30)和半圆形转动夹具(16)的转动通孔(19)，从而将半圆形转动夹具(16)安装在方形空心承力盒(17)的半圆形凹腔(29)内。
7.根据权利要求2所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：在承力箱体(3)的两个正方形盖板(10)上分别加工四个螺纹通孔(11)，在正方形盖板(10)的中心位置加工定位螺栓通孔(12)，四个紧固螺钉(13)穿过四个螺纹通孔(11)安装在四个紧固螺纹孔(9)内，定位螺栓(14)通过螺纹与定位螺栓通孔(12)连接，且在定位螺栓(14)上加工有圆柱形顶针(15)。
8.根据权利要求1所述的具备楔形试样自对中且多自由度可调的高温试验装置，其特征在于：高温炉(4)呈长方体形或圆柱形，可采用对开式结构，高温炉(4)炉体从内到外依次可由耐火层、保温层和不锈钢层三层结构组成，在高温炉(4)的上下端面(31)上分别加工与楔形试样(1)相配合的方形通孔(32)，并采用密封装置实现楔形试样(1)与方形通孔(32)之间的密封。
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