一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統及方法
2023-04-25 16:26:11
一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統及方法
【專利摘要】一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統及方法屬於材料測試儀器領域。系統包括樣品臺，感應加熱裝置，吹氣冷卻裝置以及紅外測溫裝置；樣品放置於樣品臺上，感應加熱裝置的感應圈套在樣品臺和樣品外面；樣品表面正對著安放一個紅外測溫裝置，樣品表面還要安裝吹氣冷卻裝置；上述這些組件全都置於真空室的內部。利用感應加熱裝置對樣品進行加熱升溫，使樣品表面溫度達到預設高溫值；停止感應加熱，同時通過吹氣冷卻裝置向樣品表面吹噴惰性氣體，使樣品表面冷卻至預設低溫值；重複上述加熱和冷卻步驟使表面發生熱疲勞效應。該發明適用於測試核聚變內壁表面、發動機內壁表面等服役過程中經受循環溫度變化的表面熱疲勞性能。
【專利說明】 一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料測試儀器領域，涉及一種利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統及方法，該發明適用於測試核聚變內壁表面、發動機內壁表面等服役過程中經受循環溫度變化的表面熱疲勞性能。
【背景技術】
[0002]在核聚變裝置中，內壁的面對等離子體材料表面不僅要經受高熱衝擊、高劑量輻照，而且還存在著持續的溫度波動，使壁表面產生熱疲勞效應，即產生表面熱疲勞裂紋。在發動機內壁，同樣存在著熱疲勞現象。表面熱疲勞裂紋的產生嚴重影響著材料的服役狀況，縮短材料的使用壽命。研究材料表面的熱疲勞行為並提高其熱疲勞性能是相關應用領域的重要內容。
[0003]對材料表面的熱疲勞性能進行測試分析是此類研究的基本條件。目前人們已經採用的熱疲勞測試方法主要是採用能量束加熱然後用水冷間接傳熱降溫的方式，即利用雷射束、電子束以及離子束等方式對樣品表面進行加熱，然後利用水冷臺對樣品冷卻。這些方法存在問題是不同材料對能量束的反射變化很大，例如鑰表面對雷射反射率很大，其加熱效果受到很大限制，並且溫度可控性較差；另外，用水冷臺對樣品降溫的速度也受到限制，因為熱量是從樣品背面傳走，並且傳熱途徑中還有一個界面障礙；同時，每次樣品與水冷臺的界面接觸情況很難一致，因此每次試驗的冷卻速度的一致性很難保證，可比性較低。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統及方法。這種方法不僅可以提高試驗過程中的溫度控制精度，而且可提高材料表面的冷卻速度，增大表層溫度梯度，從而可減少熱疲勞試驗中的熱循環次數。同時，這種測試系統在結構上相對簡單，成本上也大大低於雷射束、電子束等方式的系統成本。
[0005]一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統，其特徵在於:
[0006]系統包括樣品臺，感應加熱裝置，吹氣冷卻裝置以及紅外測溫裝置；樣品放置於樣品臺上，感應加熱裝置的感應圈套在樣品臺和樣品外面；樣品表面正對著安放一個紅外測溫裝置，樣品表面還要安裝吹氣冷卻裝置；上述這些組件全都置於真空室的內部。
[0007]應用所述系統進行材料表面熱疲勞試驗的方法，其特徵在於步驟如下:
[0008]將熱疲勞測試樣品放置在樣品臺上，然後通過紅外測溫儀監測樣品表面的溫度，利用感應加熱裝置對樣品進行加熱升溫，使樣品表面溫度達到預設高溫值；
[0009]停止感應加熱，同時通過吹氣冷卻裝置向樣品表面吹噴惰性氣體,使樣品表面冷卻至預設低溫值；
[0010]重複上述加熱和冷卻步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫間反覆變溫，使表面發生熱疲勞效應。
[0011]為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案是將樣品放置於樣品臺上，通過紅外測溫裝置精確監測樣品表面溫度，利用高頻或中頻感應加熱樣品，利用惰性氣體吹樣品表面，實現樣品表面的快速加熱和冷卻。這樣不僅可以實現高溫和低溫的溫度精確控制，而且可以達到很高的溫度梯度的循環變化。
[0012]本發明的原理在於:樣品的試驗表面利用感應加熱結合紅外測溫，可以精確控制樣品的表面溫度並且加熱迅速；利用惰性氣體直接吹樣品表面，可以實現迅速降溫。
[0013]相比與目前已有的能量束加熱、水冷臺冷卻樣品的熱疲勞系統及方法，本發明的優點在於:
[0014](I)利用惰性氣體直接吹樣品表面，可以實現迅速降溫；樣品採用感應加熱，升溫迅速。這樣獲得的溫度梯度大，減少熱疲勞試驗中發生疲勞效應所需的熱循環次數，縮短試驗時間。
[0015](2)感應加熱和紅外測溫結合起來，獲得的測試數據更加精準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是材料表面熱疲勞試驗系統的不意圖；
[0017]圖中:1.真空室；2.氣體嗔嘴；3.紅外測溫探頭；4.感應圈；5.樣品；6.樣品臺。【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明採用的表面熱疲勞測試系統及試驗步驟進一步說明。
[0019]利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統及方法，如圖1所示，所述的熱疲勞試驗系統是由真空室1、氣體噴嘴2、紅外測溫探頭3、感應圈4、樣品5、樣品臺6組成。樣品5放置於樣品臺6上，感應圈4套在樣品臺6和樣品5外面。樣品5表面正對著安放一個紅外探頭3,用於監控樣品5的表面溫度。樣品表面還要安裝一個氣體噴嘴2，可以噴出惰性氣體，用於吹噴樣品5的表面，使樣品表面快速降溫。上述這些組件全都置於真空室I的內部，真空室I應可以通過常規充氣方法向氣體噴嘴2充入氣體。其中氣體噴嘴2的製作材料須是絕緣並且耐高溫的材料，如石英、陶瓷等。
[0020]利用所述熱疲勞試驗系統，首先將樣品5放置於樣品臺6上，然後將真空室I抽真空。抽完真空後，根據樣品的抗氧化性能情況，先充入一定量的氬氣進行保護，也可以不充氬氣。在感應圈4上施加高頻或中頻交流電，頻率範圍在IkHz至30MHz，使樣品升溫。利用紅外測溫探頭3測控樣品溫度。當樣品表面溫度達到預定溫度後，通過氣體噴嘴2向樣品5表面直接吹惰性氣體,使樣品表面迅速降溫；
[0021]進一步，重複上述步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫之間反覆快速變溫，使樣品表面發生熱疲勞效應，產生熱疲勞裂紋。記錄溫度循環的次數，以衡量樣品的耐熱疲勞性能。以下用三個實施例來進一步介紹。
[0022]實施例1:
[0023]對鎢材料進行熱疲勞試驗，樣品為鎢材料；試驗預設高溫和低溫分別為700°C和100°C。樣品臺採用Al2O3陶瓷製作，將鎢樣品放置於樣品臺上，然後抽真空，當真空度達到5X 10_5Pa時，充入氬氣作為保護氣體。對感應圈施加30MHz的高頻電流，功率為1.5kW。利用紅外測溫探頭監測樣品鎢的表面溫度；當溫度達到700°C時，停止感應電流，同時向樣品表面吹氬氣，使樣品表面降溫。當紅外測溫探頭監測到樣品溫度已經降至100°c，停止吹氣。然後，再次向感應圈施加高頻電流，加熱樣品至700°c ;循環重複上述步驟。當溫度循環次數達到380次時，鎢樣品表面出現裂紋。
[0024]實施例2:
[0025]對鑰材料進行熱疲勞試驗，樣品為鑰材料；試驗預設高溫和低溫分別為600°C和100°C。樣品臺採用石英製作，將鑰樣品放置於樣品臺上，然後抽真空，當真空度達到7X IO^4Pa時，充入氬氣作為保護氣體。對感應圈施加IkHz的中頻交流電流，功率為3kW。利用紅外測溫探頭監測樣品鑰的表面溫度；當溫度達到600°C時，停止感應電流，同時向樣品表面吹氦氣，使樣品表面降溫。當紅外測溫探頭監測到樣品溫度已經降至100°C，停止吹氣。然後，再次向感應圈施加中頻電流，加熱樣品至600°C ;循環重複上述步驟。當溫度循環次數達到650次時，鑰樣品表面出現裂紋。
[0026]實施例3:
[0027]對銅材料進行熱疲勞試驗，樣品為銅材料；試驗預設高溫和低溫分別為400°C和50°C。樣品臺採用石英製作，將銅樣品放置於樣品臺上，然後將真空室抽至lX10_3Pa。對感應圈施加6.78MHz的高頻交流電流，功率為0.3kW。利用紅外測溫探頭監測樣品銅的表面溫度； 探頭監測到樣品溫度已經降至50°C，停止吹氣。然後，再次向感應圈施加高頻電流，加熱樣品至400°C ;循環重複上述步驟。當溫度循環次數達到110次時，銅樣品表面出現裂紋。
【權利要求】
1.一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統，其特徵在於: 系統包括樣品臺，感應加熱裝置，吹氣冷卻裝置以及紅外測溫裝置；樣品放置於樣品臺上，感應加熱裝置的感應圈套在樣品臺和樣品外面；樣品表面正對著安放一個紅外測溫裝置，樣品表面還要安裝吹氣冷卻裝置；上述這些組件全都置於真空室的內部。
2.應用權利要求1所述系統進行材料表面熱疲勞試驗的方法，其特徵在於步驟如下: 將熱疲勞測試樣品放置在樣品臺上，然後通過紅外測溫儀監測樣品表面的溫度，利用感應加熱裝置對樣品進行加熱升溫，使樣品表面溫度達到預設高溫值； 停止感應加熱，同時通過吹氣冷卻裝置向樣品表面吹噴惰性氣體，使樣品表面冷卻至預設低溫值； 重複上述加熱和冷卻步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫間反覆變溫，使表面發生熱疲勞效應。
【文檔編號】G01N3/60GK103926163SQ201410140905
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】王波, 胡德志, 嚴輝, 王如志, 張銘, 宋雪梅, 侯育冬, 朱滿康, 劉晶冰, 汪浩 申請人:北京工業大學