CN115508188A - 一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，包括蠕变疲劳试验主机、超高温环境装置、夹具、真空系统、气路系统、数据采集及控制系统、数字图像分析系统、控制柜和冷却系统，将试样安装到夹具处，然后将真空室的前门和后门关闭，采用真空机组对真空室进行抽真空操作，打开控制柜上的加热控制部分，待温度与真空度达到试验要求后，启动蠕变疲劳主机对试样施加载荷，最后打开数字图像分析系统，完成可视化的超高温真空或充气环境下的材料蠕变疲劳试验测试。本发明用于完成在超高温300℃～2200℃之间、真空或充气环境下，实现可视化对材料进行蠕变疲劳性能测试。

Description

一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统

技术领域

本发明涉及蠕变疲劳性能测试技术领域，特别是涉及一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统。

背景技术

高超声速飞行器被视为现代化高端军事能力建设的重要核心，在世界军事强国中不断加大重视程度与投入力量。在高超声速飞行器巡航过程中，一些关键部件所处的温度可以达到2000℃以上，对用于制造2000℃以上超高温服役环境下的结构材料面临着巨大挑战。未来面向更高、更快、可重复使用的高超声速飞行器的研究与应用，加大对超高温材料的研制是我国无法回避的问题。然而由于超音速飞行器处于超高温、复杂机械载荷的苛刻环境中运行，高温结构材料的蠕变疲劳性能是影响结构服役安全的关键。由于在此严苛服役环境下对材料力学性能测试的敏感性，国外一直对我国实行严格限制。目前，国内尚无可视化的2200℃超高温真空或充气环境下材料蠕变疲劳性能测试系统，致使超高温真空或充气环境中材料蠕变疲劳性能测试数据严重缺失，开展此工况下材料蠕变疲劳性能测试系统尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，以解决上述现有技术存在的问题，以完成在300～2200℃超高温环境下对小试样或标准试样的可视化蠕变疲劳性能测试。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，包括

蠕变疲劳试验主机，超高温环境装置设置在所述蠕变疲劳试验主机的滑台上；

超高温环境装置，所述超高温环境装置包括大真空室和小真空室，所述大真空室的大真空室门上设置有前加热炉，所述大真空室的内部设置有后加热炉；所述大真空室的上端设置有上密封，上拉杆的下端穿过所述上密封后与夹具的上夹头相连；所述小真空室密封连接于所述大真空室的底部，所述小真空室的下端设置有下密封，下拉杆的上端穿过所述下密封后与夹具的下夹头相连；所述大真空室上设有大观察窗，所述小真空室上设有小观察窗；

夹具，包括上拉杆、上夹头、上卡环、下卡环、左侧引伸杆、右侧引伸杆、下夹头、下拉杆、左侧引伸计和右侧引伸计组成，试样夹持在所述上夹头与下夹头之间，试样上从上至下顺次设置有所述上卡环和下卡环，所述上卡环的第一端与所述左侧引伸杆的上端相连，所述左侧引伸杆的下端与所述左侧引伸计相连；所述下卡环的第二端与所述右侧引伸杆相连，所述右侧引伸杆的下端与所述右侧引伸计相连；所述左侧引伸计和右侧引伸计分别位于所述下拉杆的两侧，且所述左侧引伸计和右侧引伸计位于所述小真空室内；所述上拉杆和下拉杆分别与所述蠕变疲劳试验主机的上下施力端相连；

真空系统，所述大真空室上设置有抽气口，所述抽气口与所述真空系统相连接，

气路系统，所述大真空室上设置有充气口，所述充气口通过充气管路与所述气路系统相连接，

冷却系统，所述冷却系统包括冷水机及分水器，所述冷水机输出的冷却水经过所述分水器分配成多路冷却后分别流经所述大真空室、小真空室、上拉杆和下拉杆再回流；

数字图像分析系统，所述数字图像分析系统用于在线实时分析试样在复杂载荷下材料蠕变疲劳力学行为；

数据采集及控制系统，所述数据采集及控制系统、数字图像分析系统均与所述超高温环境装置连接，所述数据采集及控制系统用于对超高温环境装置中的数据采集与分析；

控制柜，所述蠕变疲劳试验主机、超高温环境装置、夹具、真空系统、气路系统、冷却系统、数字图像分析系统和数据采集及控制系统均与所述控制柜电信号联接。

在其中一个实施例中，所述蠕变疲劳主机的作动器采用直线电机；在所述蠕变疲劳主机的台面上设置移动滑轨，所述真空室的连接板用于将所述超高温环境装置装配在所述蠕变疲劳主机的滑轨上。

在其中一个实施例中，所述前加热炉和后加热炉的发热元件采用难熔金属材质或石墨材质制造；所述前加热炉和后加热炉，在发热元件的外层布置有多层隔热层。

在其中一个实施例中，多层所述隔热层设置为多层金属材质；其中，靠近所述发热元件位置的隔热层采用难熔金属材质制造，远离所述发热元件位置的隔热层采用不锈钢材质制造。

在其中一个实施例中，所述大真空室和大真空室门通过大室折页相连，小真空室门和所述小真空室采用小室折页相连；所述小真空室的上端设置环形密封槽和螺栓连接孔，所述小真空室利用螺栓连接孔与所述大真空室室的下端连接在一起；试验中将大真空室门与小真空室门分别处于密闭状态。

在其中一个实施例中，所述大真空室的壳体为双层金属材质，双层金属材质之间设置有水冷结构，水冷结构通过管路与所述冷却系统相连。

在其中一个实施例中，所述小真空室和小真空室的室门均采用双层金属材质制造，所述小真空室和小真空室的室门内部均设置水冷环槽，所述水冷环槽与所述冷却系统通过管路相连。

在其中一个实施例中，所述试样采用哑铃状，且所述试样上设置两个环形阶梯，所述上卡环和下卡环分别连接在所述试样的两个环形阶梯上。

在其中一个实施例中，所述数字图像分析系统采用数字相干图像法获得试样的在线实时监测试样的受力状态；所述试样外表面涂覆散斑材料。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明中的可视化超感温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，包括蠕变疲劳试验主机、超高温环境装置、夹具、真空系统、气路系统、数据采集及控制系统、数字图像分析系统、控制柜和冷却系统，将试样安装到夹具处，然后将真空室的前门和后门关闭，采用真空机组对真空室进行抽真空操作，打开控制柜上的加热控制部分，待温度与真空度达到试验要求后，启动蠕变疲劳主机对试样施加载荷，最后打开数字图像分析系统，完成可视化的超高温真空或充气环境下的材料蠕变疲劳试验测试。本发明用于完成在超高温300℃～2200℃之间、真空或充气环境下，实现可视化对材料进行蠕变疲劳性能测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超高温真空或充气环境下可视化测试材料蠕变疲劳性能试验系统；

图2为超高温环境装置结构示意图；

图3为真空室的结构示意图；

图4为夹具结构示意图；

图5为小真空室结构示意图；

其中，1数据采集及控制系统；2气路系统；3真空系统；

4超感温环境装置；41下拉杆；42小波纹管；43夹具；431上夹头；432上卡环；433下卡环；434左侧引伸杆；435右侧引伸杆；436下夹头；437左侧托架；438右侧托架；439左侧引伸计；4310右侧引伸计；44充气口；45抽气口；46后加热炉；47放气阀；48上波纹管；49上拉杆；410大真空室；411大室折页；412大真空室门；413前加热炉；414小真空室门；415小室折页；416小真空室；417连接板；418冷却水入口；419冷却水出口；420大观察窗；421小观察窗；422密封垫；423连接螺栓孔；

5数字图像分析系统；6控制柜；7冷却系统；8蠕变疲劳试验主机；9试样。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，以解决上述现有技术存在的问题，以完成在300～2200℃超高温环境下对小试样或标准试样的可视化蠕变疲劳性能测试。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，本发明提供一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，包括：蠕变疲劳试验主机8、超高温环境装置4、真空系统3、气路系统2、数据采集及控制系统1、数字图像分析系统5、控制柜6和冷却系统7，超高温环境装置4固定在蠕变疲劳主机8的滑台上；真空系统3、气路系统2与超高温环境装置4相连通；数据采集及控制系统1、数字图像分析系统5与超高温环境装置4连接，用于数据采集与分析，数字图像分析系统5用于在线实时分析试样9在复杂载荷下材料蠕变疲劳力学行为。

蠕变疲劳试验主机8的作动器采用直线电机，在蠕变疲劳试验主机8的台面上设置移动滑轨，真空室的连接板417用于将超高温环境装置4固定在蠕变疲劳试验主机8移动滑台之上，便于试样9的安装与调整；超高温环境装置4与真空系统3、气路系统2、数据采集及控制系统1、数字图像分析系统5、控制柜6、冷却系统7分别相连。蠕变疲劳试验主机8可以为多种形式，例如5吨机械式疲劳试验机等，本发明对此不做限定。

在其中一个实施例中，超高温2200℃是通过超高温环境装置4的前加热炉413和后加热炉46实现，将前加热炉413固定在大真空室门412上，将后加热炉46固定在大真空室410上，试验中将大真空室门412闭合在大真空室410上，这样使得前后加热炉呈闭合状态，同时形成密闭的环境，可实现真空或充气环境。前加热炉413、后加热炉46，主要由加热元件和保温层组成，加热元件采用钨片等材质，保温层采用难熔金属薄板与不锈钢薄板材质，其中与高温较近的位置选用难熔金属材质，远离高温部分选择不锈钢材质。

真空室主要由上拉杆49、上密封、放气阀47、冷却水入口418、冷却水出口419、大真空室410、大真空室门412、小真空室门414、小真空室416、抽气口45、充气口44、连接板417、下密封和下拉杆41组成；其中上拉杆49、下拉杆41、上密封、下密封，采用螺钉连接，并且在上拉杆49和上密封通过螺钉固定在一起，下拉杆41和下密封通过螺钉固定在一起，上拉杆49与下拉杆41、上密封与下密封分别设置水冷槽，此槽内流经冷却水，用于保护连接位置的密封垫。

于本实施例中，上拉杆49和大真空室410之间设置密封连接结构，密封结构可以是柔性波纹管，也可以是非金属密封垫；例如，上密封采用大波纹管48，下密封采用小波纹管42.

如图2所示的超高温环境装置4中，将前加热炉413固定在大真空室前门上，后加热炉46固定在大真空室410上，试验时将大真空室门412关闭，使得前后加热炉呈闭合状态；真空室左侧设置抽气口45用于与真空系统3相连接，同时在又设置了充气口44与充气管路2相连接。

具体来说，在大真空室410上端与上密封相连接，上密封与上拉杆49相连，上拉杆49穿过上密封与夹具43的上夹头431相连；在小真空室416下端，下密封与小真空室416下端相连接，下拉杆41与下密封相连，下拉杆41穿过下密封与下夹头436相连。

在其中一个实施例中，超高温环境装置4中加热炉发热元件可以为难熔金属材质或石墨材质制造，通过合理布置发热元件的形状，实现热负荷加载过程中温度的均匀性；前后加热炉在加热元件外层布置多层隔热层，考虑试验对真空度的需求，将隔热层设置为多层金属材质，与高温热源较为接近的位置采用难熔金属材质制造，距离高温热源较远的位置采用不锈钢材质制造。

进一步地，大真空室410上带有大观察窗420，小真空室416上设置小观察窗421，大观察窗420用于通过从此窗口，利用数字图像分析系统5观察在复杂载荷作用下试样9的表面形貌，小观察窗421用于观测测试过程中变形位移计的移动位置与相对运行状态；连接板417用于将整个超高温环境装置4固定在蠕变疲劳试验主机8的滑台之上，便于超高温环境装置4的方位调整；将大真空室门412利用大室折页411固定在大真空室410上，小真空室门414利用小室折页415固定在小真空室416上，大真空室410与小真空室416中间的设置密封结构。

在其中一个实施例中，大真空室410的壳体为双层金属材质，双层材质之间设置水冷结构，用于保证在超高温环境下金属材质的耐温性，同时在大真空室410上设置充气口44和抽气口45，充气口44用于提供大真空室410内气氛环境试验，抽气口45用于在大真空室410内形成真空环境，用于完成真空试验。通过充气口44实现对大真空室410内通入特地介质，在超高温环境下特定介质一般为惰性气体。

在其中一个实施例中，小真空室416、小真空室门414均采用双层金属材质制造，内部设置水冷环槽，试验中在小真空室416和小真空室门414上通入冷却水，形成水冷保护，达到不影响变形引伸计的工作温度。

大真空室410与小真空室416之间密封结构，此密封结构的安装螺钉位于内部，密封垫422设置在环向螺钉的外部，这种方案能够很好的保证了真空密封性，是本发明的一个重要发明点；小真空室416的上端设置环形密封槽和螺栓连接孔423，密封垫422位于环形密封槽内，利用螺钉穿过螺栓连接孔423与大真空室410下端连接在一起，从而确保了高温状态下的密封.

在其中一个实施例中，真空系统3，用于提供试验中的真空环境；气路系统2用于实现试验过程中气氛环境下的测试试验，而真空系统3与气路系统2通过控制柜6可实现不同真空度环境下的测试试验。

数字图像分析系统5，用于在线实时观测试样9在复杂载荷下材料的蠕变疲劳力学行为，通过在试样9表面设置散斑，在大真空室410上的大观察窗420观测试样表面力学行为。数字图像分析系统5采用数字相干图像法获得试件的在线实时监测试样9的受力状态，采用的是将试样9外表面涂覆散斑材料，便于获取试样9变形前后的数字图像，通过对图片信息的处理获取试件的全场应变信息。

在其中一个实施例中，冷却系统7包括冷水机冷水套、冷水槽、流量开关、分水器、管路等，通过冷水机输出冷却水，经过分水器分配成多路冷却后分别流经真空室、上拉杆49、下拉杆41等位置，流量开关监控冷却水流通情况，一旦发生冷却水断流，则中断试验。

在其中一个实施例中，如4所示的夹具43，包括上夹头431、上卡环432、下卡环433、左侧引伸杆434、右侧引伸杆435、下夹头436、下拉杆41、左侧托架437、右侧托架438、左侧引伸计439和右侧引伸计4310组成，引伸杆采用非金属石墨制造，上夹头431与下夹头436采用难熔金属制造，试验过程中通过双侧引伸计的双侧变形然后取平均值的方式来试验对试样9的变形精确测量。夹具43上的引伸杆与变形引伸计相连接，置于小真空室416内部。

具体来说，试样9采用哑铃状，并且试样9上设置环形阶梯，用于与上下卡环连接，夹具43的各部分均采用耐高温材料制作而成，以克服此高温环境下试样无法夹持的缺点。

试验时，将试样9安装至夹具43处，然后将真空室的前门和后门关闭，采用真空机组对真空室进行抽真空操作，打开控制柜6上的加热控制部分，待温度与真空度达到试验要求后，启动蠕变疲劳试验主机8对试样9施加载荷，最后打开数字图像分析系统5，完成可视化的超高温真空或充气环境下的材料蠕变疲劳试验测试，此处不再赘述。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：包括

蠕变疲劳试验主机，超高温环境装置设置在所述蠕变疲劳试验主机的滑台上；

超高温环境装置，所述超高温环境装置包括大真空室和小真空室，所述大真空室的大真空室门上设置有前加热炉，所述大真空室的内部设置有后加热炉；所述大真空室的上端设置有上密封，上拉杆的下端穿过所述上密封后与夹具的上夹头相连；所述小真空室密封连接于所述大真空室的底部，所述小真空室的下端设置有下密封，下拉杆的上端穿过所述下密封后与夹具的下夹头相连；所述大真空室上设有大观察窗，所述小真空室上设有小观察窗；

夹具，包括上拉杆、上夹头、上卡环、下卡环、左侧引伸杆、右侧引伸杆、下夹头、下拉杆、左侧引伸计和右侧引伸计组成，试样夹持在所述上夹头与下夹头之间，试样上从上至下顺次设置有所述上卡环和下卡环，所述上卡环的第一端与所述左侧引伸杆的上端相连，所述左侧引伸杆的下端与所述左侧引伸计相连；所述下卡环的第二端与所述右侧引伸杆相连，所述右侧引伸杆的下端与所述右侧引伸计相连；所述左侧引伸计和右侧引伸计分别位于所述下拉杆的两侧，且所述左侧引伸计和右侧引伸计位于所述小真空室内；所述上拉杆和下拉杆分别与所述蠕变疲劳试验主机的上下施力端相连；

真空系统，所述大真空室上设置有抽气口，所述抽气口与所述真空系统相连接，

气路系统，所述大真空室上设置有充气口，所述充气口通过充气管路与所述气路系统相连接，

冷却系统，所述冷却系统包括冷水机及分水器，所述冷水机输出的冷却水经过所述分水器分配成多路冷却后分别流经所述大真空室、小真空室、上拉杆和下拉杆再回流；

数字图像分析系统，所述数字图像分析系统用于在线实时分析试样在复杂载荷下材料蠕变疲劳力学行为；

数据采集及控制系统，所述数据采集及控制系统、数字图像分析系统均与所述超高温环境装置连接，所述数据采集及控制系统用于对超高温环境装置中的数据采集与分析；

控制柜，所述蠕变疲劳试验主机、超高温环境装置、夹具、真空系统、气路系统、冷却系统、数字图像分析系统和数据采集及控制系统均与所述控制柜电信号联接。

2.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述蠕变疲劳主机的作动器采用直线电机；在所述蠕变疲劳主机的台面上设置移动滑轨，所述真空室的连接板用于将所述超高温环境装置装配在所述蠕变疲劳主机的滑轨上。

3.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述前加热炉和后加热炉的发热元件采用难熔金属材质或石墨材质制造；所述前加热炉和后加热炉，在发热元件的外层布置有多层隔热层。

4.根据权利要求3所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：多层所述隔热层设置为多层金属材质；其中，靠近所述发热元件位置的隔热层采用难熔金属材质制造，远离所述发热元件位置的隔热层采用不锈钢材质制造。

5.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述大真空室和大真空室门通过大室折页相连，小真空室门和所述小真空室采用小室折页相连；所述小真空室的上端设置环形密封槽和螺栓连接孔，所述小真空室利用螺栓连接孔与所述大真空室室的下端连接在一起；试验中将大真空室门与小真空室门分别处于密闭状态。

6.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述大真空室的壳体为双层金属材质，双层金属材质之间设置有水冷结构，水冷结构通过管路与所述冷却系统相连。

7.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述小真空室和小真空室的室门均采用双层金属材质制造，所述小真空室和小真空室的室门内部均设置水冷环槽，所述水冷环槽与所述冷却系统通过管路相连。

8.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述试样采用哑铃状，且所述试样上设置两个环形阶梯，所述上卡环和下卡环分别连接在所述试样的两个环形阶梯上。

9.根据权利要求1所述的可视化超高温环境下材料蠕变疲劳性能试验系统，其特征在于：所述数字图像分析系统采用数字相干图像法获得试样的在线实时监测试样的受力状态；所述试样外表面涂覆散斑材料。

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