一种基于卤素灯共聚焦加热技术的梯度热冲击试验装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种基于卤素灯共聚焦加热技术的梯度热冲击试验装置，尤其适用于薄膜基底系统的热失配性能评价，较传统的燃气热冲击试验装置或热循环试验装置具有经济、安全、清洁、安静和高效的优点，属于力学实验领域特殊服役环境下的模拟装置。
【背景技术】
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[0002]在过去的几十年中，薄膜基底系统的研究已经成为材料科学与工程领域发展中的主题之一，固态薄膜已成功应用于电子、信息、航天航天、医药等诸多领域的多种工程系统，并实现了多种功能。例如集成电路中的薄膜器件、柔性微机电系统中的薄膜传感器、高温热端部件表面的隔热涂层以及摩擦磨损零件表面的耐磨涂层。然而，薄膜基底系统中薄膜材料与基底材料自身材料属性的不匹配，往往会导致薄膜产生足够大的内应力，造成薄膜的脱层、断裂，甚至失效。对于以热障涂层为代表的高温隔热涂层而言，热失配引起的内应力是导致涂层系统剥离失效的主要原因之一，热冲击性能是评价高温隔热涂层服役性能的主要实验手段。
[0003]目前，高温隔热涂层热冲击性能大多通过燃气热冲击试验装置或者等温热循环试验装置完成。燃气热冲击试验装置的基本原理是利用高温火焰喷枪产生高温高速火焰直接加热被测试样，同时利用压缩空气对试样的背面进行冷却，保持一段时间后停止加热，继续利用压缩空气使被测试样降至常温，完成一次热冲击，然后以此循环，实现温度梯度环境下的热冲击测试。然而，以热障涂层为例，在燃气加热1250°C、保温5min、压缩空气强制冷却至常温以及表面剥离15%认定为失效的情况下，其热冲击寿命往往可达8000次以上，一次完整的实验往往需要耗费数月，这对实验操作的可行性及可重复性带来了巨大困难。总体来说，传统的热冲击性能评价方式存在以下5个方面的问题:
[0004]1、燃料的需求量非常大，成本居高不下；
[0005]2、以氢-氧焰或氧-乙炔焰为主的燃气加热方式存在巨大的安全隐患；
[0006]3、燃气加热方式易产生有害的污染性气体，且噪音污染严重；
[0007]4、耗时太长，效率低下；
[0008]5、损伤状态观测需要人工长时间实时跟踪，不便于操作。
[0009]等温热循环试验是不同于燃气热冲击试验的另一种热冲击性能评价手段，它的原理是将被测试样直接放入等温的高温环境中，保温一段时间，然后快速取出，以压缩空气进行吹气冷却或投入水中进行水淬冷却。较之于燃气热冲击试验装置，等温热循环试验装置不存在燃料需求大、安全隐患和噪音污染，在采取水淬冷却的情况下，其效率也大大提高。但是，工作于真实服役环境下的高温隔热涂层，由于涂层自身的隔热作用和气膜冷却作用，其外表面温度往往可达1200°C-1700°C，而涂层与基底接触的内表面温度只有800-900°C。这导致300-500μπι的隔热涂层内部沿厚度方向产生了300-900 °C的温度梯度，最新的研究表明，温度梯度对高温隔热涂层的服役性能有着至关重要的影响。然而，等温热循环试验装置并不能实现考虑温度梯度的热冲击测试。
[0010]目前还未见到研制成功既能克服燃气热冲击试验装置的诸多缺点又能实现温度梯度下的热冲击测试的试验装置。综上所述，开发一套经济、安全、清洁、安静和高效的梯度热冲击试验装置装置十分必要。
【发明内容】
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[0011 ]为了解决上述问题，本发明提供了一种基于卤素灯共聚焦加热技术的梯度热冲击试验装置。
[0012]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0013]—种基于卤素灯共聚焦加热技术的梯度热冲击试验装置，包括试验装置基座、可滑动旋转夹持系统、卤素灯共聚焦加热系统、冷却系统、测温系统、数字图像采集系统以及集成控制系统;其中，
[0014]可滑动旋转夹持系统、卤素灯共聚焦加热系统、测温系统、数字图像采集系统以及集成控制系统均安装在不锈钢试验装置基座上；
[0015]可滑动旋转夹持系统包括移动滑块导轨、设置在移动滑块导轨上的滑块连接轴、固定在滑块连接轴上且能够随其移动的移动滑块、设置在移动滑块上的小型电机以及通过水平设置的金属转轴与小型电机的输出轴相连的陶瓷夹持盘，陶瓷夹持盘用来夹持试样；
[0016]卤素灯共聚焦加热系统用来对夹持在陶瓷夹持盘上的试样进行加热；
[0017]冷却系统用来对夹持在陶瓷夹持盘上的试样背部进行冷却；
[0018]测温系统用来对夹持在陶瓷夹持盘上的试样正面和背面进行测温，并将测温结果传输给集成控制器；
[0019]数字图像采集系统用来对夹持在陶瓷夹持盘上的试样表面损伤信息的捕捉，并将图像数据传输给集成控制器的存储器中。
[0020]本发明进一步的改进在于，不锈钢试验装置基座采用不锈钢金属架制成。
[0021]本发明进一步的改进在于，卤素灯共聚焦加热系统包括配套使用的卤素灯和凹面反射镜，且卤素灯设置在凹面反射镜的一个焦点上，卤素灯发出的光束通过凹面反射作用汇聚到另一个焦点上。
[0022]本发明进一步的改进在于，冷却系统包括冷却水栗、冷却水箱、空气压缩机、高温合金喷嘴、冷却水管/气管、分流水管/气管、水管以及气管;其中，当采用水冷模式时，冷却水栗将冷却水箱中的冷却水通过水管及冷却水管/气管输送到分流水管/气管，并最终送到高温合金喷嘴处，实现对被测试样的背部冷却，当采用气冷模式时，将冷却水管/气管与空气压缩机上的气管相连接。
[0023]本发明进一步的改进在于，冷却系统还包括环形支架，温合金喷嘴共有4个，对应着4个被测试样的背部，通过环形支架相连接，并固定在移动滑块上，与小型电机、陶瓷夹持盘及试样共同运动。
[0024]本发明进一步的改进在于，测温系统包括双色红外测温仪以及红外线透过窗口，双色红外测温仪共有4个，各有2个通过红外线透过窗口分别实现被测试样前面和背面的测温O
[0025]本发明进一步的改进在于，数字图像采集系统为高分辨率高速相机，共有2个，分别设置在试样的前面和背面。
[0026]本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果:
[0027]1、采用电控卤素灯共聚焦加热方式的功耗低，较之于传统使用燃气加热的方式大大节约了实验成本；
[0028]2、电控加热方式安全性高，杜绝了以氢-氧焰或氧-乙炔焰为主的传统燃气加热方式的安全隐患；
[0029]3、卤素灯共聚焦加热方式属于远程非接触式加热，其原理是将电能输入转换为红外线放射的高效率热源，因此具有安静、清洁的优点；
[0030]4、基于卤素灯加热的热冲击试验装置无需频繁更换燃料，可按加热需求设定程序，自动控制，大大提尚了效率；
[0031]5、同时集成了压缩空气冷却和循环水冷却两种降温冷却方式，提供了更多的实验选择。
[0032]6、根据被测试样前后面(加热面与冷却面)的温差自动感知失效与否，并自动记录热冲击次数；
[0033]7、自动利用高速相机定期采集被测试样表面形貌信息，间隔周期可人工设定。
[0034]综上所述，本发明利用卤素灯共聚焦加热技术，取代传统的高温火焰加热方法，对被测试样进行远程非接触式加热，克服了传统燃气热冲击实验装置运行成本高、噪音污染大、安全性低以及传统等温热循环试验装置无法实现梯度热冲击的缺点。同时，还可