真空环境下的高温微纳米压痕测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，属于机电一体化精密仪器领域。测试装置集精密驱动、温度加载、信号检测技术为一体，可应用于真空环境下，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点，操作简便，测量精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、生物工程、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景，本实用新型将丰富材料微观力学性能测试的理论与技术体系。

背景技术：

各类材料及其制品在服役期间的工作条件都十分复杂，其力学性能通常会随物理场的复杂作用而改变。如近年来在微电子、航空航天、光电子和纳米工程等领域应用日益广泛的高温合金、陶瓷等材料，其实际工作温度很高，传统的材料力学性能测试方法在测试精度和测试能力方面已经无法满足实际要求，不仅如此，一些常规材料在高温环境下也会有力学行为的变化，也需要在高温环境下对其进行力学性能测试实验，以得出温度对其力学性能的影响规律，以此指导材料及其制品设计制造，以免造成的事故或损失将难以估量。此外，国内尚无商业化的微纳米压痕仪，所用测试仪器依赖国外进口，并且存在价格昂贵、耗时长、高端技术封锁的现象，导致国内在相关领域的研究一直处于跟踪状态，原创成果很少。因此，研制一台集精密驱动、检测、温度控制、信号采集与处理等技术为一体的，具备我国自主知识产权的超高温微纳米压痕测试仪迫在眉睫。

目前，国内外的高温压痕仪器大多数是通过加热平台提供温度场的，但由于加热平台提供的是开放式加热环境，而且加热方式是接触式加热，这样不仅无法给试件和压头提供高达1600℃这样一个超高温度的加热环境，而且无法保证压头和试件二者之间温差足够小，这样一旦二者接触就会有热量传递，由此将会引起二者膨胀和收缩，最终将造成位移和力的测量信号有漂移现象发生，这将导致测量数据不准确，需要后期对实验数据进行校核处理，以消除热温漂带来的误差，因为高温压痕实验的难点之一就在于解决压头和试件之间由于温差导致的温漂问题，所以上述问题急需解决。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型是集精密驱动、检测、温度控制、信号采集与处理等技术为一体的高温微纳米压痕测试装置。测试装置可应用于真空环境下，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获取材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点，操作简便，测量精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、生物工程、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景，本实用新型将丰富材料微观力学性能测试的理论与技术体系。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，包括Z向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块、加热模块和偏心换点机构，Z向宏观调整模块装配在大理石基体5上，压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架19安装在Z向宏观调整模块上，由压电叠堆21推动柔性铰链20使其下部结构产生精密位移，从而实现压痕的精密加载；压痕测试模块中，电容式位移传感器测量端7通过微动平台10固定在宏观调整平台18上，并通过位移测量板23的位移来实现位移信号的检测；力传感器22串联在柔性铰链20与水冷杆24之间，实现载荷信号的检测；加热模块由加热炉4、温度控制系统50以及热电偶51组成，通过在温度控制系统50中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制，加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左、右支腿32、2上，加热炉左、右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上；热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号；所述偏心换点机构的偏心换点机构电机39通过传动轴轴承端盖47固定在偏心换点机构支撑板31上，其产生的动力经偏心换点机构传动轴38、小齿轮36、大齿轮29传递给偏心换点机构冷却轴28，进而带动氧化铝耐热平台27、氧化铝耐热载物台26实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换；偏心换点机构冷却轴28下部通过旋转接头连接法兰33与旋转接头34转子相连，旋转接头34定子经旋转接头固定架35固定在加热炉左支腿32上。

所述的加热模块是：加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左、右支腿32、2上，加热炉左、右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上；热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号。

所述的偏心换点机构是：偏心换点机构电机39通过螺纹连接固定在传动轴轴承端盖47上，并通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，小齿轮36通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，所述偏心换点机构传动轴38上安装在传动轴轴承45上，所述传动轴轴承45安装在偏心换点机构支承板31上，并用小齿轮轴套37、传动轴圆螺母46、传动轴轴承端盖47进行定位，大齿轮29与小齿轮36啮合，并通过键连接在偏心换点机构冷却轴28上，氧化铝耐热平台27通过顶丝安装在偏心换点机构冷却轴28上；氧化铝耐热载物台26通过螺纹连接在氧化铝耐热平台27，其上表面通过高温胶固定试件；偏心换点机构冷却轴28安装在冷却轴轴承42上，并通过大齿轮轴套30、冷却轴圆螺母43、冷却轴轴承端盖44进行定位，所述冷却轴轴承42安装在偏心换点机构支承板31上，所述冷却轴轴承端盖44和传动轴轴承端盖47用螺钉连接在偏心换点机构支承板31上，所述偏心换点机构支承板31通过螺钉连接在加热炉左、右支腿32、2上；旋转接头连接法兰33通过销连接在偏心换点机构冷却轴28上，旋转接头34转子通过螺钉连接在旋转接头连接法兰33上，旋转接头34定子用螺钉固定在旋转接头固定架35上，所述旋转接头固定架35用螺钉连接在加热炉左支腿32上；O型圈48安装在偏心换点机构冷却轴28的O型槽中并夹在偏心换点机构冷却轴28的下端面与旋转接头34转子上端面之间，以实现流道的密封。

所述的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置的主体通过大理石底座1固定在真空室系统49内。

本实用新型的有益效果在于：本测试装置采用的是加热炉对压头和试件进行同步非接触式加热，使两者温差趋近于0，加热温度准确、稳定、可控，可以形成一个恒温区，极大的减小由温度梯度引起的实验误差以及外界因素的干扰，减少了温漂对实验数据采集的影响，并且具有变温范围大、升温快的优点，这些优点是市场上大部分高温压痕仪器存在的不足，本测试装置将这类问题有效克服，为进行准确高效的高温压痕实验提供了可靠的设备。本测试装置为了兼容高温炉，和大部分压痕仪器的直线平移换点方式不同，采用的是偏心换点方式，利用旋转接头和齿轮传动的偏心换点机构有效地避免了偏心换点电机直接驱动偏心换点机构冷却轴换点时水冷管缠绕的现象。由于本测试装置可以进行高达1600℃的高温环境下的压痕实验，为了避免由于热传导引起的电器元件损坏，本测试装置在力传感器与耐热压杆之间通过水冷杆相连，在偏心换点机构的主轴内部预设水冷通道，当进行高温实验时，给水冷杆和主轴内部水冷通道通入循环冷却水，从而将压头和试件传递过来的热量带走，保证力传感器、电机等电器元件正常工作。改进的电容式位移传感器夹持装置，可用垫片调整电容式位移传感器测量端与位移测量板的平行度，减小测量误差。测试装置同时兼容于真空室系统，可应用于真空环境，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获得材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构的演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。测试装置结构紧凑、具有模块化的结构特点、操作简便，测试精度高，应用范围广，在材料科学、装备制造、钢铁冶金、生物工程、国防军事和航空航天等领域具备广阔的应用前景，本实用新型将丰富材料微观力学性能测试的理论和技术体系。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为为本实用新型的整体结构集成在真空室系统中的示意图；

图3为本实用新型的Z向宏观调整模块示意图；

图4为本实用新型的压痕精密加载模块和压痕测试模块示意图；

图5为本实用新型的偏心换点机构示意图；

图6为本实用新型的偏心换点机构局部放大示意图；

图7为本实用新型的加热模块示意图。

图中：1、大理石底座；2、加热炉右支腿；3、加热炉支板；4、加热炉；5、大理石基体；6、位移传感器夹持板；7、电容式位移传感器测量端；8、位移传感器夹持架；9、位移传感器连接板；10、微动平台；11、导轨滑块；12、丝杠螺母副；13、导轨架；14、丝杠支撑块；15、联轴器；16、宏观电机连接法兰；17、宏观电机；18、宏观调整平台；19、柔性铰链连接架；20、柔性铰链；21、压电叠堆；22、力传感器；23、位移测量板；24、水冷杆；25、水冷杆连接件；26、氧化铝耐热载物台；27、氧化铝耐热平台；28、偏心换点机构冷却轴；29、大齿轮；30、大齿轮轴套；31、偏心换点机构支承板；32、加热炉左支腿；33、旋转接头连接法兰；34、旋转接头；35、旋转接头固定架；36、小齿轮；37、小齿轮轴套；38、偏心换点机构传动轴；39、偏心换点机构电机；40、耐热压杆；41、压头；42、冷却轴轴承；43、冷却轴圆螺母；44、冷却轴轴承端盖；45、传动轴轴承；46、传动轴圆螺母；47、传动轴轴承端盖；48、O型圈；49、真空室系统；50、温度控制系统；51、热电偶。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1及图2所示，本实用新型的真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，主要由机架、Z向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块、加热模块和偏心换点机构六部分组成。装置体积小，易于集成在真空室系统，防止压头和试件氧化，从而提高测试温度。装置主体通过大理石底座1固定在真空室系统49内。Z向宏观调整模块装配在大理石基体5上。压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架19安装在Z向宏观调整模块上，主要由压电叠堆21推动柔性铰链20使其下部结构产生精密位移，从而实现压痕的精密加载；

压痕测试模块中，电容式位移传感器测量端7通过微动平台10固定在宏观调整平台18上，并通过测量与位移测量板23之间的相对位移来实现位移信号的检测；力传感器22串联在柔性铰链20与水冷杆24之间，实现载荷信号的检测。加热模块由加热炉4、温度控制系统50以及热电偶51组成，通过在温度控制系统中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制，加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左右支腿32、2，加热炉左右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上。热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号。偏心换点机构电机39通过传动轴轴承端盖47固定在偏心换点机构支撑板31上，其产生的动力经偏心换点机构传动轴38、小齿轮36、大齿轮29传递给偏心换点机构冷却轴28，进而带动氧化铝耐热平台27、氧化铝耐热载物台26实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换。偏心换点机构冷却轴28下部通过旋转接头连接法兰33与旋转接头34转子相连，旋转接头34定子经旋转接头固定架35固定在加热炉左支腿32上。

参见图1所示，测试装置主体通过大理石底座1固定在真空室系统49内，真空室系统49为其他加载模块提供防护性真空氛围，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获得材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构的演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。参见图3所示，Z向宏观调整模块包括宏观电机17、宏观电机连接法兰16、联轴器15、丝杠支撑块14、丝杠螺母副12、导轨滑块11、导轨架13和宏观调整平台18、柔性铰链连接架19。宏观电机17通过螺钉固定在宏观电机连接法兰16上，并通过联轴器15与丝杠螺母副12连接，丝杠螺母副12安装在丝杠支撑块14上，丝杠支撑块14、导轨滑块11和宏观电机连接法兰16通过螺钉连接在导轨架13上，宏观调整平台18通过螺钉连接在导轨滑块11和丝杠螺母副12上，柔性铰链连接架19通过螺钉连接在宏观调整平台18上。宏观电机17产生的动力经联轴器15和丝杠螺母副12传递给宏观调整平台18并经由导轨滑块11导向，实现宏观调整平台18和柔性铰链连接架19Z向的宏观运动，从而宏观调整压头41的初始位置。Z向宏观调整模块通过螺钉装配在大理石基体5上。

参见图4所示，压痕精密加载模块通过柔性铰链连接架19用螺钉安装在Z向宏观调整模块上，其包括柔性铰链20、压电叠堆21、力传感器22、水冷杆24、水冷杆连接件25、耐热压杆40、压头41，柔性铰链20通过螺钉固定在柔性铰链连接架19上，其凹槽内嵌入压电叠堆21，力传感器22通过螺纹连接在柔性铰链20下端和水冷杆24上端，水冷杆分体设计，包括水冷杆24和水冷杆连接件25，两部分用螺纹连接，便于安装和更换,对力传感器有保护作用；当需要更换压头的时候，只需要将水冷杆连接件拆卸下来即可，不需要拆卸与力传感器相连的水冷杆，可以减少力传感器损坏的概率。水冷杆24内部通冷却水，防止传感器内工作温度过高，保证其测量精度。冷杆连接件25和耐热压杆40采用高温胶胶粘固连的方法，避免温度过高时材料因热膨胀造成水冷杆连接件25与耐热压杆40的连接松动，压头41通过高温胶粘接在耐热压杆40下端。压电叠堆21在电压信号的激励下输出位移，带动柔性铰链20和其下方的力传感器22、水冷杆24、水冷杆连接件25、耐热压杆40和压头41，实现压痕测试中z向的精密驱动加载。

参见图4所示，压痕测试模块的测试部分包括位移信号检测单元和载荷信号检测单元。位移信号检测单元包括位移传感器夹持板6、电容式位移传感器测量端7、测量板23、位移传感器夹持架8、位移传感器连接板9和微动平台10。微动平台10通过螺钉固定在宏观调整平台18上，位移传感器连接板9通过螺钉连接在微动平台10和位移传感器夹持架8之间，位移传感器夹持板6用螺钉连接在位移传感器夹持架8上并夹紧电容式位移传感器测量端7，测量板23夹紧在力传感器22和水冷杆24之间。位移信号检测单元通过测量电容式位移传感器测量端7与位移测量板23之间的相对位移来实现位移信号的检测。改进位移传感器夹持装置，在位移传感器夹持架8和位移传感器连接板9之间放入调整垫片保证电容式位移传感器测量端7与其测量板23平行，减小测量误差。载荷信号检测单元包括力传感器22，所述的力传感器22串联在柔性铰链20与水冷杆24之间，上下端均通过螺纹连接，实现载荷信号的实时检测。

参见图7所示，加热模块由加热炉4、温度控制系统50以及热电偶51组成。通过在温度控制系统中设定温度加载模式来实现加热炉内炉温的加载，并通过加热炉中的热电偶实时将测量的炉温反馈给温度控制系统从而实现炉温的闭环控制；加热炉4通过加热炉支板3固定在加热炉左右支腿32、2上，加热炉左右支腿32、2通过螺钉连接在大理石底座1上。热电偶51的测量端放置在加热炉4炉腔中，另一端通过导线与温度控制系统50相连，实时进行温度反馈，温度控制系统50与加热炉4之间通过导线传输温控信号。目前，国内外的高温压痕仪器大多数是通过加热平台提供温度场的，但由于加热平台提供的是开放式加热环境，而且加热方式是接触式加热，这样不仅无法给试件和压头提供高达1600℃这样一个超高温度的加热环境，而且无法保证压头和试件二者之间温差足够小，这样一旦二者接触就会有热量传递，由此将会引起二者膨胀和收缩，最终将造成位移和力的测量信号有漂移现象发生，这将导致测量数据不准确，需要后期对实验数据进行校核处理，以消除热温漂带来的误差，因为高温压痕实验的难点之一就在于解决压头和试件之间由于温差导致的温漂问题，所以上述问题很难急需解决；本装置采用的是加热炉4可对压头41和试件进行同步非接触式加热，使两者温差趋近于0，极大的减小由温度梯度引起的实验误差以及外界因素的干扰，加热温度准确、稳定、可控，可以形成一个恒温区，并且具有变温范围大、升温快的优点，这些优点是市场上大部分高温压痕仪器存在的不足，本装置将这类问题有效克服，为进行准确高效的高温压痕实验提供了可靠的设备。

参见图5、图6所示，偏心换点机构包括氧化铝耐热载物台26、氧化铝耐热平台27、偏心换点机构冷却轴28、大齿轮29、大齿轮轴套30、偏心换点机构支承板31、旋转接头连接法兰33、旋转接头34、小齿轮36、小齿轮轴套37、偏心换点机构传动轴38、偏心换点机构电机39、冷却轴轴承42、冷却轴圆螺母43、冷却轴轴承端盖44、传动轴轴承45、传动轴圆螺母46、传动轴轴承端盖47和O型圈48。偏心换点机构电机39通过螺纹连接固定在传动轴轴承端盖47上，并通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，小齿轮36也通过键连接在偏心换点机构传动轴38上，所述偏心换点机构传动轴38上安装在传动轴轴承45上，所述的传动轴轴承45安装在偏心换点机构支承板31上，并用小齿轮轴套37、传动轴圆螺母46、传动轴轴承端盖47进行定位，大齿轮29与小齿轮36啮合，并通过键连接在偏心换点机构冷却轴28上，氧化铝耐热平台27通过顶丝安装在偏心换点机构冷却轴28上。氧化铝耐热载物台26通过螺纹连接在氧化铝耐热平台27，其上表面可通过高温胶固定试件。偏心换点机构冷却轴28安装在冷却轴轴承42上，并通过大齿轮轴套30、冷却轴圆螺母43、冷却轴轴承端盖44进行定位，所述冷却轴轴承42安装在偏心换点机构支承板31上，所述冷却轴轴承端盖44和传动轴轴承端盖47用螺钉连接在偏心换点机构支承板31上，所述偏心换点机构支承板31通过螺钉连接在加热炉左右支腿32、2上。旋转接头连接法兰33通过销连接在偏心换点机构冷却轴28上，旋转接头34转子通过螺钉连接在旋转接头连接法兰33上，旋转接头34定子用螺钉固定在旋转接头固定架35上，所述的旋转接头固定架35用螺钉连接在加热炉左支腿32上。O型圈安装在偏心换点机构冷却轴28O型槽中并夹在偏心换点机构冷却轴28的下端面与旋转接头34转子上端面之间，以实现流道的密封。所述旋转接头34有效的避免了换点时水冷管缠绕现象的产生。由于压头和试件都处于密闭高温炉舱内，而且相应的连接件和承接件也和高温炉有固定的相对位置关系，所以无法实现类似传统的X、Y方向直线换点，于是本文设计了偏心换点机构，同时由于此装置最高加热温度高达1600℃，为了防止氧化铝耐热载物台26将热量传递给其下部的轴承以及电机等元器件，本装置在偏心换点机构冷却轴28内部加工出流道，在进行高温试验时，在流道里面通入循环水，以便将由高温炉内传递下来的多余热量带走，保证各元器件处于理想工作温度范围内；偏心换点机构电机39产生的动力经偏心换点机构传动轴38、小齿轮36、大齿轮29传递给偏心换点机构冷却轴28，进而带动氧化铝耐热平台27、氧化铝耐热载物台26实现压痕测试过程中不同压入位置点的更换。为了防止由于旋转换点导致水冷管子缠绕现象发生，本装置在冷却轴28下端串联了旋转接头机构，冷却水管的入口和出口分别与旋转接头34定子流道入口和出口相连，旋转接头34转子和冷却轴28端面相接，而且流道相通，转子随着冷却轴转动的同时又能给其提供循环冷却水，避免了管子缠绕现象。整个偏心换点机构采用了偏心换点的方式进行换点，操作简易，换点过程中，试件受热均匀。

测试装置兼容真空室系统，测试装置主体通过大理石底座1固定在真空室系统49内，可应用于真空环境，防止高温环境造成对压头和试件样品的氧化，并削弱因空气流动对被测样品加热效果的影响，保障被测样品加热温度稳定，进而开展对试件样品微观力学性能的测试分析，基于微纳米压痕测试技术获得材料的硬度、弹性模量、蠕变特性以及力热耦合作用的特性参数等，以研究变温和高温环境作用对材料微观力学行为、变形损伤机制和微观组织结构的演化的影响规律，用以指导材料及其制品设计制造、及其制品的寿命预测和可靠性评估，同时为研究材料的高温蠕变特性提供有效的技术手段。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。