CN111879687B - 一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料测试装置技术领域，更具体的说是一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，包括温度调节模块、盐雾生成模块和半开放式腐蚀腔，可以通过盐雾生成模块生成盐雾并控制盐雾生成的流速和浓度，温度调节模块调节盐雾生成模块生成盐雾的温度，生成的盐雾经过半开放式腐蚀腔对试样的一侧进行盐雾腐蚀实验，为试样提供温度、流速可调的盐雾环境，且采取半开放式腐蚀腔，在防止盐雾泄漏的同时，可避免盐雾或盐雾凝结的液滴对数字图像相关技术等光测力学方法产生干扰，允许对力学测试过程中的试样表面进行实时观测，采集试样表面形貌、位移、形变等信息数据。

Description

一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置

技术领域

本发明涉及材料测试装置技术领域，更具体的说是一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置。

背景技术

在实际工程应用中，力学加载与环境腐蚀的耦合作用极易造成材料的失效，尤其是在沿海环境中，盐雾的侵蚀会造成材料在较低应力水平的力学加载下发生失效断裂。为了模拟这种实际损伤工况，并研究盐雾对力学加载失效过程的影响机理，需要在试样承受载荷的同时，使用一种原位腐蚀装置为试样提供腐蚀环境，并采取相关技术方法，测量分析试样表面位移形变以及裂纹扩展情况。目前的原位腐蚀装置设计方案的重点在于解决复杂加载条件下的密封问题，以避免腐蚀介质的泄漏，但无法在试验过程中使用数字图像相关技术等光测力学测试方法，故无法采集试样表面形变和损伤情况等参数。以数字图像相关技术这一非接触式光学测量技术为例，该技术具有全场性和实时性等优势，目前已经广泛地应用于材料的力学性能的测试中，但对于盐雾试验，盐雾会在试样表面或腐蚀装置外壳上凝结成液滴，形成凸透镜效应，使数字图像相关技术采集的图像信息产生局部畸变，并且盐雾本身也会对图像采集造成干扰，导致该技术无法应用于盐雾环境下的材料力学试验中。

目前现有的中国专利文献《一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统》，旨在实现盐雾环境中的多轴疲劳试验，并测量裂纹扩展速率等参数。但是该装置的体积庞大，且盐雾腐蚀箱体采取密闭式设计，对数字图像相关技术等测量方法的使用造成不便，无法获取试样表面的应变场信息。《分瓣式腐蚀疲劳试验环境箱》公布了一种适用于轴状试样的盐雾腐蚀疲劳箱，该专利提供的装置对试样形状、尺寸的要求比较严格，不适用于薄板形状的试样，且由于盐雾会凝结于该装置的外壳内壁，导致数字图像相关技术等光测力学方法无法使用，无法采集试样在疲劳试验过程中的裂纹扩展情况和应变场信息等试验参数。《动态盐雾试验系统》公布了一种带有真空镀膜防结霜观察窗的动态盐雾试验系统，虽然能防止观察窗上出现盐雾凝结现象，但是无法避免盐雾在试样上凝结，亦无法避免试样与观察窗之间的盐雾对试验观测造成影响。《一种盐雾腐蚀疲劳试验装置》提出了一种可随疲劳机同步运动的盐雾腐蚀箱，旨在实现疲劳过程中的动态密封，与本发明提出的装置相比，没有针对试验过程中的力学参数测量进行优化设计，无法应对裂纹长度测量及应变场测量的需求，亦无法监测试样处的温度或调节盐雾的流速、温度。《一种用于疲劳性能试样的盐雾环境装置》提出了一种盐雾量大小可调的环境装置，该装置采用虹吸式喷射器生成盐雾，要求储液箱中的液面高于虹吸管的吸液口，且不具有温度调节功能。上述各专利所提出的装置对盐雾流速、温度的控制功能并不全面，且均采取相对密闭的腐蚀腔，盐雾会在装置外壳的内壁或试样表面凝结成液滴，导致无法使用光测力学的方法对试样进行原位观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，可以为试样提供温度、流速可调的盐雾环境，且采取半开放式腐蚀腔，可以使用光测力学的方法对试样进行原位观测。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，包括温度调节模块、盐雾生成模块和半开放式腐蚀腔，所述盐雾生成模块生成盐雾并控制盐雾生成的流速和浓度，温度调节模块调节盐雾生成模块生成盐雾的温度，生成的盐雾经过半开放式腐蚀腔对试样的一侧进行盐雾腐蚀实验。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述温度调节模块包括水浴箱、空气加热管、热电偶、干烧管阵列和温控箱，空气加热管设置在水浴箱内，温控箱采集热电偶的温度信号同时控制水浴箱和干烧管阵列的温度。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述盐雾生成模块包括空气压缩机、储液罐、限压阀、盐雾喷嘴、盐液阀、排水管和导管，空气压缩机连接在水浴箱上，空气压缩机和空气加热管连接，盐雾喷嘴包括喷气端和喷液端，喷气端和空气加热管之间连接有限压阀，喷液端和储液罐之间连接有盐液阀，储液罐上连接有排水管，盐雾喷嘴固定连接在导管内，干烧管阵列连接在导管内。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述半开放式腐蚀腔包括盐雾格栅、隔板、护板、涵道风扇和排气管，试样位于在导管的末端和排气管之间，排气管内设置有涵道风扇，热电偶设置在排气管内，盐雾格栅连接在导管的末端，盐雾格栅内设置有隔板，排气管和导管之间固定连接有两个护板，试样的中部位于两个护板之间。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括疲劳试验机，试样的上、下两端分别穿过两个护板的中心，劳试验机的夹持装置对试样进行装夹。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述空气加热管由波纹管制成，弯折制成回型，并浸没于水浴箱中。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述干烧管阵列由矩形排列的九根干烧管组成，其底部通过一个格栅型隔板固定于导管内壁。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述护板为圆形薄板结构，且其中心位置设置有中空的凸台，使用热缩管与试样相连接并密封，位于下侧护板的边缘设置有凸台。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，所述适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括试验平台，试验平台包括平面光源、工业相机和数字图像相关技术分析设备。

本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置的有益效果为：

本发明一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，可以通过盐雾生成模块生成盐雾并控制盐雾生成的流速和浓度，温度调节模块调节盐雾生成模块生成盐雾的温度，生成的盐雾经过半开放式腐蚀腔对试样的一侧进行盐雾腐蚀实验，为试样提供温度、流速可调的盐雾环境，且采取半开放式腐蚀腔，可以使用光测力学的方法对试样进行原位观测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置结构示意图；

图2是本发明的半开放式原位盐雾腐蚀装置中半开放式腐蚀腔的流场控制原理示意图；

图3是本发明的使用数字图像相关技术对适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置进行力学加载测试进行观测的试验平台示意图。

图中：空气压缩机1；水浴箱2；空气加热管3；储液罐4；限压阀5；盐雾喷嘴6；盐液阀7；排水管8；导管9；盐雾格栅10；隔板11；护板12；试样13；涵道风扇14；热电偶15；干烧管阵列16；温控箱17；排气管18；疲劳试验机19；平面光源20；工业相机21；数字图像相关技术分析设备22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-3说明本实施方式，一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，包括温度调节模块、盐雾生成模块和半开放式腐蚀腔，所述盐雾生成模块生成盐雾并控制盐雾生成的流速和浓度，温度调节模块调节盐雾生成模块生成盐雾的温度，生成的盐雾经过半开放式腐蚀腔对试样13的一侧进行盐雾腐蚀实验。

具体实施方式二：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述温度调节模块包括水浴箱2、空气加热管3、热电偶15、干烧管阵列16和温控箱17，空气加热管3设置在水浴箱2内，温控箱17采集热电偶15的温度信号同时控制水浴箱2和干烧管阵列16的温度；试验时在水浴箱2内加入适量的水，直至浸没空气加热管3，并将热电偶15放置于试样13附近，在温控箱17上设定目标盐雾温度，并使水浴箱2和干烧管阵列16进入加热模式，水浴箱2在盐雾生产的源头，首先提升了盐雾的温度，干烧管阵列16在盐雾流动的过程中对盐雾进行二次加热，使盐雾可以达到更高的温度，并提高控温效果的灵敏度。

具体实施方式三：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述盐雾生成模块包括空气压缩机1、储液罐4、限压阀5、盐雾喷嘴6、盐液阀7、排水管8和导管9，空气压缩机1连接在水浴箱2上，空气压缩机1和空气加热管3连接，盐雾喷嘴6包括喷气端和喷液端，喷气端和空气加热管3之间连接有限压阀5，喷液端和储液罐4之间连接有盐液阀7，储液罐4上连接有排水管8，盐雾喷嘴6固定连接在导管9内，干烧管阵列16连接在导管9内；在储液罐4内加入适量的盐溶液，开启空气压缩机1，开启涵道风扇14；调节与盐雾喷嘴6相连的限压阀5，逐渐增加开启幅度，使盐雾喷嘴6的喷气端的高速气流在喷液端口出处形成低压，将盐液从储液罐4中不断抽出至盐雾喷嘴6的喷液端，并在高速气流的作用下将其雾化，产生盐雾，进一步调节限压阀5，以达到期望的盐雾流速，调节盐液阀7，限制盐雾喷嘴6汲取盐液的速率，以调节盐雾浓度。

具体实施方式四：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述半开放式腐蚀腔包括盐雾格栅10、隔板11、护板12、涵道风扇14和排气管18，试样13位于在导管9的末端和排气管18之间，排气管18内设置有涵道风扇14，热电偶15设置在排气管18内，盐雾格栅10连接在导管9的末端，盐雾格栅10内设置有隔板11，排气管18和导管9之间固定连接有两个护板12，试样13的中部位于两个护板12之间；位于下侧的护板12边缘设置有凸台，以承接试样上凝结的盐溶液，防止其腐蚀疲劳试验机19的夹持装置。如图2所示，调节试样13处的流场，使隔板11一侧盐雾流量较小，隔板11的另一侧盐雾流量较大。盐雾格栅10出口处盐雾流速处处相同，而盐雾流量高的一侧，盐雾的动能更大，由于附壁效应和周围空气的干扰导致的流速衰减现象较为轻微，故该侧的盐雾流速较盐雾流量小的一侧更快，根据伯努利原理，流速高的区域压强低。因此，盐雾流量低的一侧压强高，盐雾流量高的一侧压强低，盐雾自高压处向低压处流动，故从隔板11与试样13之间的缝隙穿过，流至试样13的背面，使试样13正面没有盐雾流动，仅为空气环境。调节隔板11与盐雾格栅10的相对位置，使隔板11将流出的盐雾分为两部分，使隔板11一侧盐雾流量较小，另一侧盐雾流量较大；调节隔板11与试样13之间的位置，使二者之间不发生接触，留有适当的间隙；调节隔板11的角度，使盐雾流量较小一侧的盐雾经试样13与隔板11之间的缝隙汇入流量较大的一侧；值得说明的是，如图2所示，试样13的左侧和试样13背面有盐雾流过，会受到盐雾腐蚀的作用，试样正面不受盐雾影响，表面上看，这种设计降低了腐蚀效果。但是实际工况中，对于航空器等交通工具的蒙皮材料，盐雾主要对材料暴露在外的一侧产生腐蚀效果，而内侧的腐蚀效果比较有限，因此本发明所提供的盐雾环境符合实际工况。且蒙皮多由薄板型材料制成，符合平面应力模型的假设，可以认为试样的应力场分布不随试样的厚度变化而变化，因此在不受腐蚀的试样13正面进行力学行为测量同样具有代表性。

具体实施方式五：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括疲劳试验机19，试样13的上、下两端分别穿过两个护板12的中心，劳试验机19的夹持装置对试样13进行装夹；如图1所示，试样13不需要被密封在某一密闭容器内，因此支持不同形状、尺寸的试样13，且试样13的前后方向无遮挡物，不会对干扰数字图像相关技术等测量方法产生干扰。

具体实施方式六：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述空气加热管3由波纹管制成，弯折制成回型，并浸没于水浴箱2中；波纹管3的外形增加了空气与管道换热系数，弯折的管路增加了换热面积，提高了空气加热管的加热效果。

具体实施方式七：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述干烧管阵列16由矩形排列的九根干烧管组成，其底部通过一个格栅型隔板固定于导管9内壁；提高了加热功率，对盐雾的加热效果明显，避免盐雾在导管9中的流动过程造成大幅降温。

具体实施方式八：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述护板12为圆形薄板结构，且其中心位置设置有中空的凸台，使用热缩管与试样13相连接并密封，位于下侧护板12的边缘设置有凸台；护板12抑制了盐雾在试样13上下方向的扩散，且盐雾在试样13上凝结的小液滴会被位于下侧的护板12收集，避免腐蚀介质泄露。

具体实施方式九：

下面结合图1-3说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括试验平台，试验平台包括平面光源20、工业相机21和数字图像相关技术分析设备22；将工业相机21架设于没有盐雾流过的一侧，调节工业相机21的焦距、光圈等参数，调节平面光源20的亮度和位置，使试样13表面预制的散斑在数字图像相关技术分析设备22中能被清晰地观察到，并在相关性分析中取得良好的精度；如图3所示。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，包括温度调节模块、盐雾生成模块和半开放式腐蚀腔，其特征在于：所述盐雾生成模块生成盐雾并控制盐雾生成的流速和浓度，温度调节模块调节盐雾生成模块生成盐雾的温度，生成的盐雾经过半开放式腐蚀腔对试样(13)的一侧进行盐雾腐蚀实验；

所述温度调节模块包括水浴箱(2)、空气加热管(3)、热电偶(15)、干烧管阵列(16)和温控箱(17)，空气加热管(3)设置在水浴箱(2)内，温控箱(17)采集热电偶(15)的温度信号同时控制水浴箱(2)和干烧管阵列(16)的温度；

所述盐雾生成模块包括空气压缩机(1)、储液罐(4)、限压阀(5)、盐雾喷嘴(6)、盐液阀(7)、排水管(8)和导管(9)，空气压缩机(1)连接在水浴箱(2)上，空气压缩机(1)和空气加热管(3)连接，盐雾喷嘴(6)包括喷气端和喷液端，喷气端和空气加热管(3)之间连接有限压阀(5)，喷液端和储液罐(4)之间连接有盐液阀(7)，储液罐(4)上连接有排水管(8)，盐雾喷嘴(6)固定连接在导管(9)内，干烧管阵列(16)连接在导管(9)内；

所述半开放式腐蚀腔包括盐雾格栅(10)、隔板(11)、护板(12)、涵道风扇(14)和排气管(18)，试样(13)位于在导管(9)的末端和排气管(18)之间，排气管(18)内设置有涵道风扇(14)，热电偶(15)设置在排气管(18)内，盐雾格栅(10)连接在导管(9)的末端，盐雾格栅(10)内设置有隔板(11)，排气管(18)和导管(9)之间固定连接有两个护板(12)，试样(13)的中部位于两个护板(12)之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，其特征在于：适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括疲劳试验机(19)，试样(13)的上、下两端分别穿过两个护板(12)的中心，疲 劳试验机(19)的夹持装置对试样(13)进行装夹。

3.根据权利要求1所述的一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，其特征在于：所述空气加热管(3)由波纹管制成，弯折制成回型，并浸没于水浴箱(2)中。

4.根据权利要求1所述的一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，其特征在于：所述干烧管阵列(16)由矩形排列的九根干烧管组成，其底部通过一个格栅型隔板固定于导管(9)内壁。

5.根据权利要求1所述的一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，其特征在于：所述护板(12)为圆形薄板结构，且其中心位置设置有中空的凸台，使用热缩管与试样(13)相连接并密封，位于下侧护板(12)的边缘设置有凸台。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置，其特征在于：所述适用于光测力学的半开放式原位盐雾腐蚀装置还包括试验平台，试验平台包括平面光源(20)、工业相机(21)和数字图像相关技术分析设备(22)。

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