CN213337142U - 一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离心力‑高温耦合环境下的材料性能测试系统。包括挂杯、加热装置、保温装置和承力装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有保温装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。本实用新型解决高速旋转部件性能测试面临的设备难题，可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能测试，能最大限度模拟试样的工况环境，操作方便且安全可靠。

Description

一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统

技术领域

本实用新型涉及了材料性能测试技术领域的一种材料性能测试系统，尤其涉及一种高转速产生的离心力-高温耦合环境下的材料力学性能测试系统。

背景技术

叶片类机械是航天航空、冶金、能源行业的关键设备，如航空发动机、压缩机、汽轮机、水轮机等，这类机械的设计、运行、维护关系到重大工程项目的安全稳定，对国民经济，国家安全有着重大的意义。

涡轮工作叶片作为航空发动机高温燃气做功的核心部件，通常设计为变截面、强扭面(扭曲度超60度)、薄壁曲面(缘头最薄处不足3mm)、复杂拓扑形状的几何结构。特殊的几何结构和复杂的工况环境使涡轮工作叶片成为航空发动机热端部件中可靠性最低、故障率较高的部件。虽然叶片-轮盘系统属于圆周循环对称结构，但由于加工误差、装配、工作时磨损不均匀等因素，导致该系统周期性对称结构失谐，使叶片模态振型不能沿圆周方向均匀地传递到所有叶片上，而是将振动能量集中在几个叶片上，使它们的振幅及应力显著大于其他叶片，从而发生严重的振动模态局部化现象，极易诱发叶片的高周疲劳断裂。美国军方统计数据表明，近20年来，涡轮叶片引发的航空发动机事故占总事故的44.3％，其中56％的事故与涡轮叶片高周疲劳断裂有关。

目前现有的材料力学性能测试装置主要集中在1g下的标准试样的性能测试上。虽然标准试样力学性能数据在一定程度上能为高速旋转类部件强度设计提供实验依据，但与实际工况相比，标准试样在性能测试过程中无法综合反映高速旋转类部件几何特征相关的凝固组织和应力分布不均、薄壁效应、加工工艺等耦合作用对其动态疲劳性能的影响，因而严重制约了我国高速旋转类部件可靠性设计水平。

因此，通过现有标准试验机测试，获得的材料性能数据，仅能反应材料本身的性能，无法全面反应材料服役环境、部件几何结构、加工、部件装配工艺等多因素耦合作用对其服役性能的影响。

实用新型内容

针对高速旋转部件性能测试装置无法进行高通量测试的设备难题，本实用新型提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高，在超重力环境下单次实验能够实现多种性能同时测试的试验机系统。

本实用新型采用的技术方案：

本实用新型包括挂杯、加热装置、保温装置和承力装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有承力装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

所述的保温装置包括保护壳、上段气凝胶层、上段陶瓷纤维层、上段绝缘环、上固定环隔热层、中段气凝胶层、中段陶瓷纤维层、下段绝缘环、下固定环隔热层、下段气凝胶层、下段陶瓷纤维层、隔热支撑座、保温盖、炉顶气凝胶层、上进线安装环道、上出线安装孔、下进线安装环道、下出线安装孔、上环形间隔和下环形间隔。

保护壳固定放置在挂杯底部，保护壳的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层，下段气凝胶层和中段气凝胶层之间设有下环形间隔，下环形间隔处布置下段加热结构的下段固定环；中段气凝胶层和上段气凝胶层之间设有上环形间隔，上环形间隔处布置上段加热结构的上段固定环；下段气凝胶层所在的保护壳中央固定有隔热支撑座，隔热支撑座和下段气凝胶层之间填充有下段陶瓷纤维层；

下段陶瓷纤维层之上的上段气凝胶层和中段气凝胶层的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层，中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层分别位于紧贴中段气凝胶层和上段气凝胶层的内周壁；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层之间设有下固定环隔热层，上段气凝胶层和中段陶瓷纤维层之间设有上固定环隔热层。

中段陶瓷纤维层和下固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道和下出线安装环道，下进线安装环道布置下段进电接线环，下出线安装环道布置下段出电接电环，下进线安装环道和下出线安装环道之间通过下段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层和上固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道和上出线安装环道，上进线安装环道布置上段进电接线环，上出线安装环道布置上段出电接电环，上进线安装环道和上出线安装环道之间通过上段绝缘环隔绝。

上段陶瓷纤维层上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖，在保护壳上端口安装炉顶气凝胶层，炉顶气凝胶层底面紧贴于保温盖和上段陶瓷纤维层的顶面；下段陶瓷纤维层之上的中段陶瓷纤维层内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体。

所述的加热装置包括加热腔体、上段发热体、下段发热体、上段进电接线环、上段出电接电环、下段进电接线环、下段出电接电环、上段固定环、下段固定环和陶瓷盖；加热腔体内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖，加热腔体中心设有筒状空腔，加热腔体筒状空腔中安装承力装置和试样；筒状空腔周围的加热腔体上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽，每个上段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽均安装有一个上段发热体；筒状空腔和上段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有上段辐射孔，上段发热体产生的热量透过上段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体上半段的筒状空腔中；加热腔体中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽，每个下段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽均安装有一个下段发热体；筒状空腔和下段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有下段辐射孔，下段发热体产生的热量透过下段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体下半段的筒状空腔中；加热腔体顶端周围设有上段进电接线环和上段出电接电环和上段固定环，上段发热体与上段进电接线环、上段出电接电环并联电连接，上段进电接线环和上段出电接电环再连接到地面供电系统；上段进电接线环和上段出电接电环外周围还设有上段固定环，上段固定环布置于保温装置结构内；加热腔体底端周围设有下段进电接线环和下段出电接电环和下段固定环，下段发热体与下段进电接线环、下段出电接电环并联电连接，下段进电接线环和下段出电接电环再连接到地面供电系统；下段进电接线环和下段出电接电环外周围还设有下段固定环，下段固定环布置于保温装置结构内。

所述的承力装置包括承力架、高温拉杆和缓冲体；承力架安装在挂杯顶端口，整体为上凸弧形结构，承力架的底面内圈边缘设有凸边，凸边嵌装配合于挂杯顶端口内壁；高温拉杆上端部通过螺栓固定连接在承力架的中心孔处，高温拉杆下端向下穿过保温装置的保温盖和炉顶气凝胶层后伸入到加热装置的加热腔体筒状空腔中，高温拉杆下端部和试样上端连接，高温拉杆和试样同轴且位于加热腔体筒状空腔的中心轴线位置；缓冲体位于试样正下方且固定于保温装置的隔热支撑座上，缓冲体包括筒体壳、第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板，筒体壳底端固定于隔热支撑座顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔，第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板通过螺纹配合套装在螺纹孔中，第一层缓冲挡板位于第二层缓冲挡板上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔，以减轻缓冲体的重量；所述的高温拉杆下端面开设有试样卡槽，试样从上到下分为卡头、工作段和面力加载块，卡头、工作段和面力加载块同轴成一体，卡头加工成和试样卡槽相吻合、能嵌装入试样卡槽的形状和尺寸，面力加载块位于缓冲体的上方。

所述的上段固定环、下段固定环和加热腔体均为氧化铝陶瓷，上段固定环和加热腔体之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层隔热，下段固定环和加热腔体之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层分隔。

所述的保护壳顶部和底部外壁面均设有多个护栏，多个护栏沿圆周间隔均布用于保护壳放入和取出挂杯。

所述的保护壳的上半部分的壳壁开设有散热孔。

所述的陶瓷盖盖在加热腔体的顶端，陶瓷盖底面中心固定设有凸台，凸台位于加热腔体的筒状空腔内；凸台两侧的陶瓷盖开设有竖直的热电偶孔，热电偶孔中插装热电偶，通过热电偶控温。

所述的加热腔体采用空心球氧化铝陶瓷等。

还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样工作段的不同部位，引线沿高温拉杆引出到挂杯外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样工作段的动态应力-应变曲线。

本实用新型的装置能在抗高温环境、特殊气氛环境和超重力耦合作用下有效进行材料性能测试过程，高强度轻量化，结构模块化设计，实验准备周期短，实验过程安全可靠，实验参数可控可调。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的材料性能测试系统在离心超重力环境下通过提供稳定梯度加热、均匀加热、动态梯度加热等实验条件，与环境气氛配合如真空、腐蚀性气氛、大气等，可以更加真实模拟诸如发动机实际的工况环境，使材料性能测试条件更加接近实际应用，克服了1g下实验测试条件远远偏离材料实际应用工况环境的不足，使获得的材料服役性能更加真实。也可以利用超重力-高温耦合环境加速原子扩散的原理，给样品进行热处理，缩短样品热处理时间，提高热处理效率。

本实用新型针对解决高速旋转部件性能测试面临的设备难题，通过搭载高温加热装置，可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能的高通量测试。根据发热体类型，加热装置最高可以实现1650℃。

本实用新型通过设计试样形状和面力加载块重量，可以给试样施加均匀应力梯度、不均匀应力梯度，以最大限度模拟试样的工况环境。

本实用新型系统能使用的最大转速为10万转/分钟，或离心加速度为10⁵g (g＝9.8m/s²)。装置结构简单，操作方便且安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型材料性能测试系统的整体结构剖视图；

图2是挂杯的结构剖视图；

图3是机载装置为臂式离心机时挂杯的布置示意图；

图4是机载装置为鼓式离心机时挂杯的布置示意图；

图5是保温装置的整体结构剖视图；

图6是保护壳的俯视图；

图7是保护壳的侧视图；

图8是加热装置的整体结构剖视图；

图9是加热腔体的俯视图；

图10是加热腔体的侧视图；

图11是陶瓷盖的仰视图；

图12是陶瓷盖的侧视图；

图13是承力装置的整体结构剖视图；

图14是承力架的俯视图；

图15是高温拉杆的结构图；

图16是试样的各种结构示意图；

图17是试样卡槽的各种形状示意图；

图18是缓冲体结构示意图。

附图中的附图标记如下：

挂杯61：吊耳61-1。

加热装置62：加热腔体62-1、上段发热体62-2、下段发热体62-3、上段进电接线环62-4、上段出电接电环62-5、下段进电接线环62-6、下段出电接电环 62-7、上段固定环62-8、下段固定环62-9、陶瓷盖62-10；上段发热体安装槽62-1-1、下段发热体安装槽62-1-2、上段辐射孔62-1-3、下段辐射孔62-1-4；热电偶孔 62-10-1、凸台62-10-2。

保温装置63：保护壳63-1、上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上段绝缘环63-4、上固定环隔热层63-5、中段气凝胶层63-6、中段陶瓷纤维层63-7、下段绝缘环63-8、下固定环隔热层63-9、下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层 63-11、隔热支撑座63-12、保温盖63-13、炉顶气凝胶层63-14、上进线安装环道63-15，上出线安装孔63-16，下进线安装环道63-17，下出线安装孔63-18，上环形间隔63-19，下环形间隔63-20；护栏63-1-1、散热孔63-1-2。

承力装置64：承力架64-1、高温拉杆64-2、试样64-3、缓冲体64-4；凸边64-1-3；试样卡槽64-2-1；卡头64-3-1、工作段64-3-2、面力加载块64-3-3；第一层缓冲挡板64-4-1、第二层缓冲挡板64-4-2、螺纹孔64-4-3、减重孔64-4-4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，具体实施的系统包括挂杯61、加热装置62、保温装置63和承力装置64；挂杯61为上端开口的杯状结构，挂杯61中安装保温装置64，保温装置64中装有加热装置62，加热装置62中装有承力装置64，如图2所示，挂杯61顶部两侧设有吊耳61-1，挂杯61通过两侧的吊耳61-1铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。

具体实施中，挂杯61中安装加热装置62、保温装置63和承力装置64，采用钛合金、高强钢等材料整体锻造加工而成，内表面采用电抛光处理，同时能够承受高速旋转产生的离心应力，具有很高强高温强度和刚度。

实验过程中为了保持动平衡，对于臂式离心机，需采用2个挂杯61同时做实验(如图3)；对于鼓式离心机，需采用圆周对称结构做实验时，采用挂杯61 的数量为偶数，具体挂杯数量取决于鼓式离心机的有效载荷和空间体积(如图4)。挂杯61能承受的最高转速为10万转/分钟，或离心加速度为10⁵g(g＝9.8m/s²)。

保温装置63的功能是维持加热装置62的高温环境，防止热量散失。

如图5所示，保温装置63包括保护壳63-1、上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上段绝缘环63-4、上固定环隔热层63-5、中段气凝胶层63-6、中段陶瓷纤维层63-7、下段绝缘环63-8、下固定环隔热层63-9、下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层63-11、隔热支撑座63-12、保温盖63-13、炉顶气凝胶层63-14、上进线安装环道63-15、上出线安装孔63-16、下进线安装环道63-17、下出线安装孔63-18、上环形间隔63-19和下环形间隔63-20；

保护壳63-1固定放置在挂杯61底部，用于安装加热装置62、保温装置63 和承力装置64，保护壳63-1的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层63-10、中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2，下段气凝胶层63-10和中段气凝胶层63-6之间设有下环形间隔63-20，下环形间隔63-20处布置下段加热结构的下段固定环62-9；中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2之间设有上环形间隔63-19，上环形间隔63-19处布置上段加热结构的上段固定环62-8；下段气凝胶层63-10所在水平空间的保护壳63-1中央固定有隔热支撑座63-12，隔热支撑座63-12和下段气凝胶层63-10之间填充有下段陶瓷纤维层63-11；隔热支撑座63-12、下段陶瓷纤维层63-11顶面和下段气凝胶层63-10的顶面平齐位于同一水平面；

下段陶瓷纤维层63-11之上的上段气凝胶层63-2和中段气凝胶层63-6的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层63-7和上段陶瓷纤维层63-3，中段陶瓷纤维层63-7和上段陶瓷纤维层 63-3分别位于紧贴中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2的内周壁；

中段陶瓷纤维层63-7和下段陶瓷纤维层63-13之间设有下固定环隔热层 63-9，上段气凝胶层63-2和中段陶瓷纤维层63-7之间设有上固定环隔热层63-5；

中段陶瓷纤维层63-7和下固定环隔热层63-9之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道63-17和下出线安装环道63-23，下进线安装环道63-17布置下段进电接线环62-6，下出线安装环道63-23布置下段出电接电环62-7，下进线安装环道63-17和下出线安装环道63-23之间通过下段绝缘环63-8隔绝，使得下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7之间通过下段绝缘环63-8绝缘；上段陶瓷纤维层63-3和上固定环隔热层63-5之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道63-15和上出线安装环道63-16，上进线安装环道63-15布置上段进电接线环62-4，上出线安装环道63-16布置上段出电接电环62-5，上进线安装环道63-15和上出线安装环道63-16之间通过上段绝缘环63-4隔绝，使得上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5之间通过上段绝缘环63-4绝缘；

上段陶瓷纤维层63-3上端口形成上端大下端小的阶梯口，阶梯口安装保温盖63-13，在保护壳63-1上端口安装炉顶气凝胶层63-14，保温盖63-13和上段陶瓷纤维层63-3的顶面平齐位于同一水平面，炉顶气凝胶层63-14底面紧贴于保温盖63-13和上段陶瓷纤维层63-3的顶面，炉顶气凝胶层63-14顶面和保护壳63-1端口平齐；下段陶瓷纤维层63-11之上的中段陶瓷纤维层63-7内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体62-1；

上段固定环62-8、下段固定环62-9和加热腔体62-1均为氧化铝陶瓷，上段固定环62-8和加热腔体62-1之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层63-5 隔热，下段固定环62-9和加热腔体62-1之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层63-9分隔隔热，且防止超重力下陶瓷破裂。

上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上固定环隔热层63-5、保温盖 63-13和炉顶气凝胶层63-14给加热装置62组成一个上段保温层。上段气凝胶层 63-2直接与保护壳63-1内壁接触，上段陶瓷纤维层63-3安装在保温盖63-13和上段气凝胶层63-2之间。

中段气凝胶层63-6和中段陶瓷纤维层63-7给加热装置62组成一个中段保温层，中段气凝胶层63-6安装在保护壳63-1的内壁，中段陶瓷纤维层63-7安装在中段气凝胶层63-6和加热腔体62-1之间。

下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层63-11和隔热支撑座63-12给加热装置62组成一个下段保温层，下段气凝胶层63-10安装在保护壳63-1的内壁，下段陶瓷纤维层63-11安装在下段气凝胶层63-10和隔热支撑座63-12之间。

炉顶气凝胶层63-14安装在上段陶瓷纤维层63-3和保温盖63-13上面，防止热量向外散失。由于陶瓷纤维层具有一定的韧性，在超重力下可以吸收部分能量，防止实验过程中陶瓷保温盖63-13在外力作用下破坏。由于陶瓷纤维隔热性能好，且具有弹性，上段陶瓷纤维层63-3和上固定环隔热层63-5直接安装在加热腔体62-1的外壁，起到隔热保温和保护作用。

隔热支撑座63-12对整个加热装置62起支撑作用。试验过程中，隔热支撑座63-12为最主要的承力部件，每次实验前仔细检查或应该经常更换。

保护壳63-1采用高强合金钢制备，比如镍基高温合金等，具有很高的熔点和强度。

如图6和图7所示，保护壳63-1顶部和底部外壁面均设有多个护栏63-1-1，多个护栏63-1-1沿圆周间隔均布用于保护壳63-1放入和取出挂杯61；将保护壳 63-1向挂杯61中安装时，利用具有六个推杆的动力装置顶住六个护栏63-1-1，把保护壳63-1推到其底部与挂杯61的底部接触；实验结束后，从挂杯61中取出保护壳63-1时，利用具有六个拉杆的动力装置抓住六个护栏63-1-1，把保护壳63-1从挂杯61中取出。

如图7所示，保护壳63-1的上半部分的壳壁开设有散热孔63-1-2。当保温装置64出现异常，造成保护壳63-1壳体温度剧增，通过散热孔63-1-2散热，降低保护壳63-1壳体温度，否则高温降低保护壳63-1强度，威胁实验安全，同时散热孔63-1-2也可以减轻保护壳63-1的重量。

加热装置62的主要功能是在离心超重力环境下给实验试样施加热载荷。

如图8所示，加热装置62包括加热腔体62-1、上段发热体62-2、下段发热体62-3、上段进电接线环62-4、上段出电接电环62-5、下段进电接线环62-6、下段出电接电环62-7、上段固定环62-8、下段固定环62-9和陶瓷盖62-10；加热腔体62-1内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖62-13，加热腔体62-1中心设有筒状空腔，加热腔体62-1筒状空腔中安装承力装置64和试样64-3；

如图9和图10所示，筒状空腔周围的加热腔体62-1上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽62-1-1，每个上段发热体安装槽 62-1-1呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽62-1-1均安装有一个上段发热体 62-2，上段发热体62-2固定于上段发热体安装槽62-1-1内并防止发热体在超重力下移动；筒状空腔和上段发热体安装槽62-1-1之间的加热腔体62-1侧壁开设有上段辐射孔62-1-3，上段发热体62-2产生的热量透过上段辐射孔62-1-3通过热辐射加热到整个加热腔体62-1上半段的筒状空腔中；

加热腔体62-1安装发热体，加热腔体62-1中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体62-1下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽62-1-2，每个下段发热体安装槽62-1-2呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽62-1-2均安装有一个下段发热体62-3，下段发热体62-3固定于下段发热体安装槽62-1-2内并防止发热体在超重力下移动；筒状空腔和下段发热体安装槽62-1-2之间的加热腔体62-1侧壁开设有下段辐射孔62-1-4，下段发热体62-3 产生的热量透过下段辐射孔62-1-4通过热辐射加热到整个加热腔体62-1下半段的筒状空腔中；

通过加热腔体62-1上半部分和下半部分的加热结构在加热腔体62-1内部营造一个均匀的温度场。具体实施根据最高工作温度、真空环境和超重力环境等因素，确定上段发热体62-2和下段发热体62-3类型。

设置上段发热体62-2和下段发热体62-3的材料类型，以使加热腔体62-1 的上段和下段升温速率、温度不同，并且加热装置62采用加热腔体62-1上半部分和下半部分进行分体加热，通过多点控温在加热腔体62-1内形成更加均匀的温度场。

加热腔体62-1顶端周围设有上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5 和上段固定环62-8，上段发热体62-2与上段进电接线环62-4、上段出电接电环 62-5通过内部布设的绝热电线或者直接焊接并联电连接，上段进电接线环62-4 和上段出电接电环62-5通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5与地面供电系统连接形成闭环为上段发热体62-2供电，地面供电系统连接温控系统；上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5外周围还设有上段固定环62-8，上段固定环62-8布置于保温装置64结构内；加热腔体62-1底端周围设有下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7和下段固定环62-9，下段发热体62-3与下段进电接线环62-6、下段出电接电环62-7通过内部布设的绝热电线或者直接焊接并联电连接，下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7与地面供电系统连接形成闭环为下段发热体62-3供电，地面供电系统连接温控系统；下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7外周围还设有下段固定环62-9，下段固定环 62-9布置于保温装置64结构内；

连接线、发热体与地面电源并联连接，防止个别发热体损伤造成整个线路断路而影响实验。上下进出接线环采用GH4169等金属材料制备，具有强度、抗氧化性能和导电性性能。

通过加热腔体62-1内部周围结构的设置，一方面以加热腔体62-1外壁防止热量向炉外散失，二来通过上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔62-1-4联通，最大限度将上段发热体62-2、下段发热体62-3产生的热量通过超重力产生的热对流，在加热腔体62-1内部形成一个稳定的恒温区，从而形成一个完整的上段加热过程。

超重力的热对流下，加热管内圈内保温装置63周围的温度低的气流向加热装置62底部流动，加热管内圈内保温装置63周围的温度高的气流向加热装置 62顶部流动；然后加热装置62底部后的气流经上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔 62-1-4向加热装置62顶部流动，进而经陶瓷盖62-10接触冷却后形成温度低的气流，再透过上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔62-1-4到加热管内圈内向加热装置62底部流动，形成热对流循环。

如图11和图12所示，陶瓷盖62-10盖在加热腔体62-1的顶端，防止热端散失；陶瓷盖62-10底面中心固定设有凸台62-10-2，凸台62-10-2位于加热腔体 62-1的筒状空腔内，保温并形成台阶防止陶瓷盖62-10在超重力下下沉，同时防止加热腔在超重力下左右摇晃；凸台62-10-2两侧的陶瓷盖62-10开设有竖直的热电偶孔62-10-1，热电偶孔62-10-1中插装热电偶，通过热电偶控温，防止超重力环境下热电偶损坏。上段固定环62-8和下段固定环62-9分布安装在加热腔体62-1的上部和下部，增加加热腔体62-1的刚度，防止它在超重力下晃动和变形。固定环和陶瓷盖62-10材料具有耐高温压缩性能良好的氧化铝制备。

加热腔体62-1采用高性能陶瓷材料制备，如空心球氧化铝陶瓷等，确保超重力下的安全。

承力装置64的主要功能是在高速旋转过程中给试样施加离心应力。

如图13所示，承力装置64包括承力架64-1、高温拉杆64-2和缓冲体64-4；承力架64-1安装在挂杯61顶端口，整体为上凸弧形结构，如图14所示，承力架64-1的端面沿圆周间隔开设有镂空槽，以减轻重量并加固动态承力；承力架 64-1的底面内圈边缘设有凸边64-1-3，凸边64-1-3嵌装配合于挂杯61顶端口内壁，使得凸边64-1-3的外侧周面与挂杯61内壁面接触，用来确保实验过程中承力架64-1不径向移动，并将高速旋转产生的离心力传递到挂杯61，以降低承力架64-1的应力水平；高温拉杆64-2上端部通过螺栓固定连接在承力架64-1的中心孔处，高温拉杆64-2下端向下穿过保温装置63的保温盖63-13和炉顶气凝胶层63-14后伸入到加热装置62的加热腔体62-1筒状空腔中，高温拉杆64-2 下端部和试样64-3上端连接，高温拉杆64-2和试样64-3同轴且位于加热腔体 62-1筒状空腔的中心轴线位置；

如图18所示，缓冲体64-4位于试样64-3正下方且固定于保温装置63的隔热支撑座63-12上，缓冲体64-4包括筒体壳、第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2，筒体壳底端固定于隔热支撑座63-12顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔64-4-3，第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2 通过螺纹配合套装在螺纹孔64-4-3中，第一层缓冲挡板64-4-1位于第二层缓冲挡板64-4-2上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔64-4-4，以减轻缓冲体64-4的重量。

承力架64-1主要用来安装高温拉杆64-2，采用轻质高强钛合金制备减轻重量。承力架64-1设计为整体弧形结构，增加强度，表面时效氮化处理，加强其硬度及强度，能承受高温和超重力，能防止受力变形。高温拉杆64-2为最重要的受力机构，采用单晶高温合金制备，如DD5。

如图15所示，高温拉杆64-2下端面开设有试样卡槽64-2-1，如图16所示，试样64-3从上到下分为卡头64-3-1、工作段64-3-2和面力加载块64-3-3，卡头 64-3-1、工作段64-3-2和面力加载块64-3-3同轴成一体，卡头64-3-1加工成和试样卡槽64-2-1相吻合、能嵌装入试样卡槽64-2-1的形状和尺寸，面力加载块 64-3-3位于缓冲体64-4的上方。试样64-3在高温下高速旋转时，试样64-3自身产生的离心应力与面力加载块64-3-3产生的面力共同作用在工作段64-3-2。实验过程中，可以根据需要，通过改变面力加载块64-3-3的重量改变施加在工作段64-3-2上的面力，通过改变转速改变施加在工作段64-3-2上的离心应力。

通过试样卡槽64-2-1和卡头64-3-1的配合安装将试样64-3安装在高温拉杆 64-2上，并使试样64-3处于加热装置62的均温区中心位置。根据试样大小、重量、应力水平和温度，选择高温拉杆64-2的材料、尺寸和长度，但高温拉杆64-2 的长度务必确保试样64-3处于加热装置的均温区中心位置。

如图16和图17所示，试样卡槽64-2-1根据试样形状加工成不同形状的卡槽，如燕尾槽形状和半工字形状等。实验前，卡头64-3-1结构需要根据试样卡槽64-2-1的结构进行加工。

如图18所示，工作段64-3-2加工成规格的圆柱形、板状等，能使工作段 64-3-2获得均匀的离心力梯度；工作段64-3-2加工成不规格的圆柱形、板状等，能使工作段64-3-2获得不均匀的离心力梯度。

实验前首先，根据实验温度、转速、预施加的离心力和面力，计算卡头64-3-2 承受的最大应力F，F＝m×r×ω²，其中m为试样64-3的重量，r为试样64-3质量重心距离转轴的距离，ω为转速；

然后，在计算获得F值之后，根据安全系数n，计算卡头64-3-2的最大承受应力F_eff，F_eff＝F×n，n不能低于2；

接着，根据F_eff确定卡头64-3-2的结构和尺寸，然后根据预施加在工作段 64-3-2上的应力水平(不能高于(0.5-0.8)×F_eff)确定面力加载块64-3-3的重量和尺寸，然后一次性加工成试样64-3。

对于缓冲体64-4在实验过程中，如果工作段64-3-2发生断裂，断裂试样和面力加载块64-3-3在离心力作用下，首先撞向第一层缓冲挡板64-4-1；如果第一层缓冲挡板64-4-1发生断裂，断裂试样和面力加载块64-3-3继续撞向第二层缓冲挡板64-4-2，直到试样完全停止；且将第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2预留足够的距离，使第一层缓冲挡板64-4-1有足够的变形距离；这样能最大限度释放断裂试样和面力加载块64-3-3对缓冲挡板的撞击力，并最大限度减缓断裂试样和面力加载块64-3-3的撞击速度。

实施实验中首先计算断裂试样和面力加载块64-3-3撞击力F的公式：

F＝m×r×ω/t

其中，m为断裂试样和面力加载块64-3-3的总重量，r为断裂试样和面力加载块64-3-3质量重心距离转轴的距离，ω为转速，t为断裂试样和面力加载块 64-3-3撞击缓冲挡板的时间。根据撞击力F的大小，分别确定第一层缓冲挡板 64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2的材料、厚度、间距。

第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2为耗材，每次实验前可以进行方便更换。

还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样64-3工作段64-3-2的不同部位，引线沿高温拉杆64-2引出到挂杯61外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样64-3工作段64-3-2的动态应力-应变曲线。

本实用新型系统下进行样品性能测试的具体方法过程如下：

第一步：根据实验温度，确定上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型。

如果实验温度恒定，上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型相同，通过地面控制系统，在实验腔62-1中形成一个均温区。

如果在实验腔62-1内形成一个平行于离心应力梯度方向的温度梯度如果上段发热体62-2加热温度高于下段发热体62-3的加热温度，成从上至下部的温度梯度；反之亦然，使上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型不同，根据实验设定的温度梯度要求，通过地面控制系统分别控制通过上段发热体62-2和下段发热体62-3各自的电流大小，通过Q＝I²×R×T(其中，I为通过发热体的电流，单位安培；R为发热体的电阻，单位欧姆，T为加热时间，单位秒)产生的热量来加热样品，从而在实验腔62-1中形成一个预先设定好的温度梯度。实验过程中，如果控制通过上段发热体62-2和下段发热体62-3各自电流不变，形成一个稳定稳定梯度；也可以通过控制通过上段发热体62-2和下段发热体62-3各自电流动态变化，形成一个动态的温度梯度，以真实模拟诸如发动机实际的工况环境，使材料性能测试条件更加接近实际应用。

第二步：根据试样64-3的重量和实验应力(包括离心应力和面力)，确定试样卡槽64-2-1的形状和尺寸，根据试样卡槽64-2-1的形状确定卡头64-3-1的形状。

工作段64-3-2为圆柱状、板状等形状，能给试样施加均匀的应力梯度，

工作段64-3-2为具有一定锥度的圆柱状、板状等形状，能给试样施加不均匀的应力梯度，

根据预施加的离心应力，结合高温拉伸64-2的长度，确定转速；根据预施加的面力，结合高温拉伸64-2的长度和转速，确定面力加载块64-3-3的重量和形状。

等确定上述情况后，再加工试样。

第三步：确定了转速、试样64-3的重量后，假设试样断裂，计算最大撞击力，确定第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2的材料类型、厚度和间距。

第四步：根据实验温度确定发热体类型，组装加热装置62。

第五步：根据确定的应力水平和试样形状，组装承力装置64。

第六步：在缓冲体64-4上安装第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板 64-4-2。

第七步：在保护壳63-1内依次安装缓冲体64-4、加热装置62和承力装置 64。

第八步：将保护壳63-1安装到挂杯61中。

第九步：将挂杯61安装在离心主机上。

第十步：将加热装置62的电线与地面供电系统连接，将热电偶控制线与地面控温系统相连，将应力-应变测试系统与地面测控系统相连。

第十一步：进行离心机动平衡测试。

第十二步：启动加热装置：实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器通过滑环与地面测控中心连接，从而获得实验过程中温度-时间曲线。

第十三步：到达预定温度后，启动离心主机。

实验过程中，应力-应变信号实时传给信号采集器，信号采集器通过滑环与地面测控中心连接，从而获得实验过程中应力-应变曲线。

第十四步：实验结束后，关闭电源和离心机电源。

第十五步：从离心机上取下挂杯61，从挂杯61从取出保护壳63-1，最后从承力装置64中取出试样。

Claims (7)

1.一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：

包括挂杯(61)、加热装置(62)、保温装置(63)和承力装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(63)，保温装置(63)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有承力装置(64)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上；

所述的保温装置(63)包括保护壳(63-1)、上段气凝胶层(63-2)、上段陶瓷纤维层(63-3)、上段绝缘环(63-4)、上固定环隔热层(63-5)、中段气凝胶层(63-6)、中段陶瓷纤维层(63-7)、下段绝缘环(63-8)、下固定环隔热层(63-9)、下段气凝胶层(63-10)、下段陶瓷纤维层(63-11)、隔热支撑座(63-12)、保温盖(63-13)、炉顶气凝胶层(63-14)、上进线安装环道(63-15)、上出线安装孔(63-16)、下进线安装环道(63-17)、下出线安装孔(63-18)、上环形间隔(63-19)和下环形间隔(63-20)；保护壳(63-1)固定放置在挂杯(61)底部，保护壳(63-1)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层(63-10)、中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)，下段气凝胶层(63-10)和中段气凝胶层(63-6)之间设有下环形间隔(63-20)，下环形间隔(63-20)处布置下段加热结构的下段固定环(62-9)；中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)之间设有上环形间隔(63-19)，上环形间隔(63-19)处布置上段加热结构的上段固定环(62-8)；下段气凝胶层(63-10)所在的保护壳(63-1)中央固定有隔热支撑座(63-12)，隔热支撑座(63-12)和下段气凝胶层(63-10)之间填充有下段陶瓷纤维层(63-11)；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的上段气凝胶层(63-2)和中段气凝胶层(63-6)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)，中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)分别位于紧贴中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)的内周壁；中段陶瓷纤维层(63-7)和下段陶瓷纤维层(63-11)之间设有下固定环隔热层(63-9)，上段气凝胶层(63-2)和中段陶瓷纤维层(63-7)之间设有上固定环隔热层(63-5)；中段陶瓷纤维层(63-7)和下固定环隔热层(63-9)之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)，下进线安装环道(63-17)布置下段进电接线环(62-6)，下出线安装环道(63-23)布置下段出电接电环(62-7)，下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)之间通过下段绝缘环(63-8)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3) 和上固定环隔热层(63-5)之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道(63-15)和上出线安装孔(63-16)，上进线安装环道(63-15)布置上段进电接线环(62-4)，上出线安装孔(63-16)布置上段出电接电环(62-5)，上进线安装环道(63-15)和上出线安装孔(63-16)之间通过上段绝缘环(63-4)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3)上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖(63-13)，在保护壳(63-1)上端口安装炉顶气凝胶层(63-14)，炉顶气凝胶层(63-14)底面紧贴于保温盖(63-13)和上段陶瓷纤维层(63-3)的顶面；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的中段陶瓷纤维层(63-7)内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体(62-1)；

所述的加热装置(62)包括加热腔体(62-1)、上段发热体(62-2)、下段发热体(62-3)、上段进电接线环(62-4)、上段出电接电环(62-5)、下段进电接线环(62-6)、下段出电接电环(62-7)、上段固定环(62-8)、下段固定环(62-9)和陶瓷盖(62-10)；加热腔体(62-1)内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖(62-10)，加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，加热腔体(62-1)筒状空腔中安装承力装置(64)和试样(64-3)；筒状空腔周围的加热腔体(62-1)上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽(62-1-1)，每个上段发热体安装槽(62-1-1)呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽(62-1-1)均安装有一个上段发热体(62-2)；筒状空腔和上段发热体安装槽(62-1-1)之间的加热腔体(62-1)侧壁开设有上段辐射孔(62-1-3)，上段发热体(62-2)产生的热量透过上段辐射孔(62-1-3)通过热辐射加热到整个加热腔体(62-1)上半段的筒状空腔中；加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体(62-1)下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽(62-1-2)，每个下段发热体安装槽(62-1-2)呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽(62-1-2)均安装有一个下段发热体(62-3)；筒状空腔和下段发热体安装槽(62-1-2)之间的加热腔体(62-1)侧壁开设有下段辐射孔(62-1-4)，下段发热体(62-3)产生的热量透过下段辐射孔(62-1-4)通过热辐射加热到整个加热腔体(62-1)下半段的筒状空腔中；加热腔体(62-1)顶端周围设有上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)和上段固定环(62-8)，上段发热体(62-2)与上段进电接线环(62-4)、上段出电接电环(62-5)并联电连接，上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)再连接到地面供电系统；上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)外周围还设有上段固定环(62-8)，上段固定环(62-8)布置于保温装置(63)结构内；加热腔体(62-1)底端周围设有下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)和下段固定环(62-9)，下段发热体(62-3)与下段进电接线环(62-6)、下段出电接电环(62-7)并联电连接，下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)再连接到地面供电系统；下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)外周围还设有下段固定环(62-9)，下段固定环(62-9)布置于保温装置(63)结构内；

所述的承力装置(64)包括承力架(64-1)、高温拉杆(64-2)和缓冲体(64-4)；承力架(64-1)安装在挂杯(61)顶端口，整体为上凸弧形结构，承力架(64-1)的底面内圈边缘设有凸边(64-1-3)，凸边(64-1-3)嵌装配合于挂杯(61)顶端口内壁；高温拉杆(64-2)上端部通过螺栓固定连接在承力架(64-1)的中心孔处，高温拉杆(64-2)下端向下穿过保温装置(63)的保温盖(63-13)和炉顶气凝胶层(63-14)后伸入到加热装置(62)的加热腔体(62-1)筒状空腔中，高温拉杆(64-2)下端部和试样(64-3)上端连接，高温拉杆(64-2)和试样(64-3)同轴且位于加热腔体(62-1)筒状空腔的中心轴线位置；缓冲体(64-4)位于试样(64-3)正下方且固定于保温装置(63)的隔热支撑座(63-12)上，缓冲体(64-4)包括筒体壳、第一层缓冲挡板(64-4-1)和第二层缓冲挡板(64-4-2)，筒体壳底端固定于隔热支撑座(63-12)顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔(64-4-3)，第一层缓冲挡板(64-4-1)和第二层缓冲挡板(64-4-2)通过螺纹配合套装在螺纹孔(64-4-3)中，第一层缓冲挡板(64-4-1)位于第二层缓冲挡板(64-4-2)上方且第一层缓冲挡板(64-4-1)与第二层缓冲挡板(64-4-2)之间间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔(64-4-4)，以减轻缓冲体(64-4)的重量；高温拉杆(64-2)下端面开设有试样卡槽(64-2-1)，试样(64-3)从上到下分为卡头(64-3-1)、工作段(64-3-2)和面力加载块(64-3-3)，卡头(64-3-1)、工作段(64-3-2)和面力加载块(64-3-3)同轴成一体，卡头(64-3-1)加工成和试样卡槽(64-2-1)相吻合、能嵌装入试样卡槽(64-2-1)的形状和尺寸，面力加载块(64-3-3)位于缓冲体(64-4)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：所述的上段固定环(62-8)、下段固定环(62-9)和加热腔体(62-1)均为氧化铝陶瓷，上段固定环(62-8)和加热腔体(62-1)之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层(63-5)隔热，下段固定环(62-9)和加热腔体(62-1)之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层(63-9)分隔。

3.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：所述的保护壳(63-1)顶部和底部外壁面均设有多个护栏(63-1-1)，多个护栏(63-1-1)沿圆周间隔均布用于保护壳(63-1)放入和取出挂杯(61)。

4.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：所述的保护壳(63-1)的上半部分的壳壁开设有散热孔(63-1-2)。

5.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：所述的陶瓷盖(62-10)盖在加热腔体(62-1)的顶端，陶瓷盖(62-10)底面中心固定设有凸台(62-10-2)，凸台(62-10-2)位于加热腔体(62-1)的筒状空腔内；凸台(62-10-2)两侧的陶瓷盖(62-10)开设有竖直的热电偶孔(62-10-1)，热电偶孔(62-10-1)中插装热电偶，通过热电偶控温。

6.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：所述的加热腔体(62-1)采用空心球氧化铝陶瓷。

7.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样(64-3)工作段(64-3-2)的不同部位，引线沿高温拉杆(64-2)引出到挂杯(61)外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样(64-3)工作段(64-3-2)的动态应力-应变曲线。

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