一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置的制作方法

本发明涉及机械工程领域，具体涉及一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置。

背景技术：

在工程实际生产过程中，有许多零部件不可避免的处于氧化/还原气氛及工作在高温环境下，并且伴随有剧烈的温度变化，由此带来的零部件热冲击/疲劳损失破坏是热端零部件失效的主要形式。为保障其安全性，需要测试其在不同气氛环境下的热冲击/疲劳性能，经多年技术发展，已形成较完善的疲劳性能测试标准，传统热冲击/疲劳试验装置多采用火焰、电感、电阻等传统加热方式对试件进行加热，这使得高周热疲劳的实现需要付出高昂的时间、资金成本。并且不易实现真空以及不同氧化还原气氛环境下的热冲击和热疲劳性能测试。另一方面，材料的热疲劳裂纹扩展阻力作为评价材料热疲劳性能好坏的重要指标，在工程实际设计中具有重要的指导意义，然而，传统热冲击/疲劳试验装置均不能实现对裂纹扩展的实时监测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是传统热冲击/疲劳试验装置，实验周期长、真空及氧化/还原气氛环境不易实现以及裂纹扩展不可实时监测的缺点，目的在于提供一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，能够使实验周期短，同时能实现真空及不同氧化/还原气氛环境下的性能测试，并且对裂纹的扩展进行实时的监测以研究材料在热疲劳过程中的裂纹扩展性质。

本发明通过下述技术方案实现：

一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，其特征在于，包括气氛箱，气氛箱与真空装置或持压泄压阀相连，所述气氛箱内设有样品夹持装置、激光加热装置和冷却装置，气氛箱壁上开设有高温透可见光玻璃窗口，高温透可见光玻璃窗口外设有裂纹扩展实时监测装置；气氛箱壁上还开设有高温透红外波玻璃窗口，高温透红外波玻璃窗口外设有红外测温装置；所述激光加热装置、冷却装置、裂纹扩展实时监测装置、红外测温装置均与控制装置相连。

本发明的试验装置，采用激光加热装置替代传统的火焰、电感、电阻等加热方式，利用了激光能量密度大的优点，可以对待测样品进行快速的加热，缩短了试验周期；通过在气氛箱内进行热冲击/疲劳试验，可以实现在真空或者不同氧化/还原气氛环境下的样品的测试，对于传统热冲击/疲劳实验装置，像使用火焰作为加热方式的实验装置不能实现真空环境下的试验；对于某些在真空环境下服役的零部件，若在空气条件下进行试验，样品易在高温下发生氧化等反应，从而影响试验数据；此外，在化学工业、能源动力等领域有不少零部件不仅需要耐受高温还需经历周围不同性质气氛环境的腐蚀，这些条件在传统热冲击/疲劳试验装置中都是极难实现的。因此，本发明将激光加热装置和气氛装置相结合，不仅能够加快试验周期，同时还能提高测试数据的准确性，还能模拟真空或者不同氧化/还原气氛环境下材料的热冲击、疲劳过程；气氛箱壁上开设有高温透可见光玻璃窗口，高温透可见光玻璃窗口外设有裂纹扩展实时监测装置，能为热疲劳试验提供裂纹扩展的监测条件；红外测温装置通过高温透红外波玻璃窗口能够对待测样品表面的温度进行探测，控制装置接收到温度信息后，能够控制激光加热装置与冷却装置的工作。可在同一装置上实现热冲击与热疲劳，利用真空系统和持压泄压阀，可实现真空条件和不同气氛环境下的热冲击/疲劳试验，具有可控性好，自动化程度高，低能耗，实验周期短的优点。

所述激光加热装置包括激光器和光束整形装置，所述激光器与控制装置相连，激光器的开启和关闭由控制装置控制，激光器输出的激光首先经过由一组透镜组成的光束整形装置调整光束直径以满足试验样品尺寸要求，最终垂直照射于样品表面，对测试样品进行加热，对于传统的加热方式，不能调节受热面积的大小，如采用火焰加热，若是测试样品较小，虽然可通过将火焰调小，但是此时加热效率就会大大的降低，而激光加热装置，通过光束整形装置调整光束直径可以控制加热区域的面积大小，同时不会影响激光的加热功率，这样本装置不仅能够对整个样品进行快速加热，还能实现对某块区域甚至是某个点进行局部加热进行试验；并且采用激光加热，激光聚热性好，同时还能限制激光范围，不易对其他的装置造成高温损坏，增强了装置的使用寿命。

所述冷却装置包括冷却管和流量控制阀，流量控制阀与控制装置相连，可通过向冷却管中通入不同性质的气体介质对加热结束后的测试样品进行冷却，流量控制阀可实现对冷却介质流量大小的精确控制。此外，不同性质的气体可为本装置提供不同条件(氧化/还原)的气氛环境。

所述裂纹扩展实时监测装置包括光学显微镜和图像采集装置，光学显微镜透过高温透可见光玻璃窗口可以对热疲劳试验过程中样品表面裂纹扩展过程进行监测，并通过图像采集装置对其进行收集。

所述真空装置包括真空泵和设置在气氛箱壁上的真空阀门，在需要真空环境下进行试验时，只需打开真空阀门启动真空泵就行。

此外，整个真空系统可方便拆卸更换为持压泄压阀，当需要气氛(氧化/还原)环境热冲击/疲劳试验条件时，通过将真空装置更换为可调持压泄压阀并在冷却系统中通以和气氛内相同的冷却气体来实现。

气氛箱内壁和样品夹持装置表面喷涂有氧化锆陶瓷涂层，防止气氛箱和样品夹持装置在高温试验过程中发生腐蚀氧化。

所述激光器为CO₂气体激光器，有比较大的功率和高的能量转换效率。

所述样品夹持装置、激光加热装置与气氛箱的内壁之间采用螺栓连接，方便维修与置换。

气氛箱采用不锈钢，使得试验设备寿命长，安全性能高。

所述控制装置包括PC机，NI/AO卡，NI/TC卡和NI卡槽，所述NI/AO卡与激光加热装置相连，NI/TC卡与红外测温装置相连，对于热冲击试验来说，可以设定冲击温度和冷却介质流量，对于热疲劳试验，可以设定循环次数、加热时间、冷却介质流量、冷却时间和热疲劳上/下限温度，PC机上可以实时显示待测样品的表面温度以及表面热疲劳裂纹扩展过程的情况。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，采用激光加热装置替代传统的火焰、电感、电阻等加热方式，利用了激光能量密度大的优点，可以对待测样品进行快速的加热，缩短了试验周期，为高周热疲劳实验提供了可靠的实验平台，通过光束整形装置调整光束直径可以调节激光的加热区域面积大小，同时不会影响激光的加热功率，这样本装置不仅能够对整个样品进行快速加热，还能实现对某块区域甚至是某个点进行局部加热进行试验；并且采用激光加热，激光聚热性好，同时还能限制激光范围，不易对其他的装置造成高温损坏，增强了装置的使用寿命；

2、本发明一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，在气氛箱内进行热冲击/疲劳试验，可以实现在不同气氛(氧化/还原)或者真空环境下的样品的测试，从而尽可能真实的模拟了待测样品的实际服役环境，提高测试数据的准确性；

3、本发明一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，气氛箱壁上开设有高温透可见光玻璃窗口，高温透可见光玻璃窗口外设有裂纹扩展实时监测装置，这样能为热疲劳试验提供裂纹扩展的监测条件。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明工作流程图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-气氛箱，2-样品夹持装置，3-激光加热装置，4-高温透可见光玻璃窗口，5-高温透红外玻璃窗口，6-红外测温装置，7-控制装置，8-激光器，9-光束整形装置，10-冷却管，11-流量控制阀门，12-光学显微镜，13-图像采集器，14-真空阀门，15-真空泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种气氛激光加热原位热冲击/疲劳试验装置，包括气氛箱1，气氛箱与真空装置或持压泄压阀相连，所述真空装置包括真空泵15和设置在气氛箱壁上的真空阀门14，所述气氛箱内底部设有样品夹持装置2，在气氛箱顶部内壁设有激光加热装置3，激光加热装置包括激光器8和设置在激光器下方的光束整形装置9，气氛箱侧面和底面适当位置均开有直径为60mm圆孔，并分别镶嵌有高温透红外玻璃窗口5和高温透可见光玻璃窗口4，将光学显微镜12和图像采集器13放置在高温透可见光玻璃窗口下方，使光学显微镜的镜头正对着待测样品的下表面，将红外测温装置6设在高温透红外玻璃窗口外，使其位于待测样品的斜上方；气氛箱内侧壁上还设有冷却管10，冷却管一端连接有流量控制阀门11，另一端对准样品表面，激光加热装置、冷却装置、裂纹扩展实时监测装置、红外测温装置均与控制装置7相连，控制装置7连接在气氛箱的上方。

本发明的试验装置，气氛箱的上盖可打开，方便试验时放置待测样品，将待测样品通过样品夹持装置固定在气氛箱的底部后，激光器输出的激光在经过光束整形装置后垂直照射于样品表面从而对样品进行加热，对于不同的样品可以根据样品尺寸大小利用光束整形装置对照射于样品表面激光束直径大小进行调节，以使整个样品表面都进行加热；红外测温装置为一高分辨率红外热像仪，红外热像仪将探测到的样品温度数据传输显示在PC机，并传输给NI/TC卡，NI/AO卡可以控制激光器与流量控制阀门，从而实现对样品的加热与冷却；若需要在真空环境下进行试验，则打开真空阀门启动真空泵以气氛箱内保持真空环境；类似的氧化/还原气氛的实现需要将真空系统更换为可调式持压泄压阀，调节持压泄压阀可以在气氛箱内保持稳定的气氛(氧化/还原)压力，并在冷却装置中通以一样的气体作为冷却介质。

在上述技术方案中，本发明在试验时具有时间控制和温度控制两种模式，其控制流程如图2所示。时间控制模式，通过控制装置设定加热时间和冷却时间，在每一个热疲劳循环过程中当加热时间达到设定值后，激光器停止工作，可调流量控制阀门打开对测试样品进行冷却；温度控制模式，通过控制装置设定加热温度和冷却时间，在每一个热疲劳循环过程中当红外测温装置测到的温度达到设定温度后，激光器停止工作，流量控制阀门打开对待测样品进行冷却。

试验开始前选择激光器输出功率以控制升温速率，设置冷却介质流量以及循环周次，设定热疲劳上限温度和下限温度，当红外测温装置监测到样品表面温度超过设定的热疲劳上限温度时，控制系统将自动关闭激光器同时打开流量控制阀对样品进行冷却，当红外测温装置监测到样品表面温度低于设定的热疲劳下限温度时，控制系统将自动关闭流量控制阀同时打开激光器对样品进行加热。如此不断的循环往复，直至到达设定的循环周次。整个试验过程均是在PC机的自动控制下完成，可实现对热疲劳循环次数、热疲劳上下限温度、加热时间、冷却时间、冷却介质流量的调节，还将对裂纹扩展过程进行视频录像。

优选的，气氛箱内壁和样品夹持装置表面喷涂有氧化锆陶瓷涂层，防止气氛箱和样品夹持装置在高温试验过程中发生腐蚀氧化。

优选的，所述激光器为CO₂气体激光器，有比较大的功率和高的能量转换效率。

优选的，所述样品夹持装置、激光加热装置与气氛箱的内壁之间采用螺栓连接，方便维修与置换。

气氛箱采用不锈钢，使得试验设备寿命长，安全性能高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。