一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，包括主体试验箱等，主体试验箱上设置有石英观测窗和红外窗口；机械加载模块包括两个同轴心设置的机械加载轴，分别与万能试验机的主轴及试样夹持装置相连；多场服役环境模块设置在主体试验箱外，包括红外激光快速加热设备、X射线辐射设备、腐蚀气箱及冷却系统，分别用于实现加热、辐照、腐蚀和冷却环境；损伤在线监测/观测模块包括设置在主体试验箱外的表面/界面应变实时观测系统、原位断裂行为观测系统、损伤信号收集系统和红外测温仪，以及设置在被测试样上下两端的损伤信号探测器，分别用于捕实时捉应变、原位断裂图像、损伤及温度信息，并通过同步控制系统实现同步运行。
【专利说明】
一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统
技术领域
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[0001]本发明涉及一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，尤其适用于抗高温陶瓷涂层、高分子聚合物等功能材料与结构，在热-力-腐蚀-辐射等极端多物理场耦合环境下的实时力学性能表征及损伤在线监测/观测，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]随着航空航天及能源动力技术的高速发展，应用于超高温、腐蚀、冲蚀、磨损、辐射等极端多场耦合服役环境的新型功能材料与结构得到了广泛的关注，相关研究也得到了极大的推动。以热障涂层为例:新一代J级先进重型燃机的进口燃气温度已经接近1700°C，这对燃机热端部件即涡轮叶片的热防护技术提出了更高的要求。燃机叶片的热防护主要通过以下三个方面实现:1.提高叶片自身材料的使用极限温度，2.采用冷却气膜技术，3.热障涂层技术。然而，目前叶片用最先进的镍基单晶高温合金的长期服役温度也仅为1150°C，且从近60年来高温合金的研究发展来看，通过材料研制提升燃机入口温度的周期是相对缓慢的。气膜冷却技术虽然可以在一定程度上降低热端部件表面温度，但同时也会显著降低燃机的热转化效率。热障涂层系统，是一种多层功能结构材料，由于其具有较强的可设计性，被认为是实现更高热防护目标最切实可行的技术路线。热障涂层系统一般由起隔热、抗冲蚀/腐蚀作用的陶瓷层，承受机械载荷的基底层，介于陶瓷层和基底层之前起抗氧化、缓冲及粘结作用的金属粘结层，以及在服役期间于金属粘结层和基底层之间形成的热生长氧化层构成。
[0003]热障涂层是一种典型的应用于极端多场耦合服役环境下的新型功能材料与结构，在真实服役过程中，热障涂层承受着机械载荷、热载荷以及化学载荷等多重极端载荷环境。机械载荷主要包括叶片高速旋转时所产生的向心力、燃气中大颗粒的高速冲蚀、燃气中小颗粒物的冲蚀以及外来物冲击;热载荷主要包括热膨胀系数不匹配导致的热失配应力;化学载荷主要包括涂层长时间在高温环境下产生的相变/烧结导致的体积膨胀和孔隙率降低、氧气穿透陶瓷涂层并与粘结层反应生成的热生长氧化物(TGO)增厚导致的界面脱粘，以及玻璃态物质(Ca0-Mg0-A1203-Si02，CMAS)对陶瓷涂层的侵蚀等。这些极端多场环境在热障涂层的真实服役过程中同时存在并相互耦合，共同形成了热障涂层恶劣而又复杂的服役环境，导致热障涂层在涂层材料及界面处发生退化，并逐渐在涂层内产生内聚及界面裂纹，导致涂层的剥离和失效。
[0004]对于以热障涂层为代表的用于极端多场耦合环境下的功能材料与结构部件的设计，了解其在极端多场耦合服役条件下的基本力学性能和失效行为，是保障构件服役安全性必不可少的基本要求，对其在极端多物理场耦合环境下的性能进行实时测试和在线监测/观测是功能材料、结构与装备性能评估和寿命预测的基础，对保障国家航天航空及能源工业关键器件的可靠性和安全设计具有举足轻重的意义。
[0005]目前，国内外针对多场耦合环境下功能材料与结构的性能评估多采用忽略次要因素，将真实多物理场服役环境简化为单一或部分物理场模拟环境，如力-热耦合实验台、力-化耦合实验台、力-辐射耦合实验台，进而对功能材料与结构在多场耦合环境下的性能进行预测。经过对现有技术文献的检索发现，功能材料与结构多物理场耦合环境实验系统尚未见报道。基于材料与结构在单一或部分物理场的性能对多场耦合性能进行预测，通常需要两套或以上的实验装置才能完成相关实验，不仅耗费更多的人力、物力，而且无法模拟不同物理场之间的耦合关系，不利于深入理解功能材料与结构的性能演变及失效机理。
[0006]与此同时，性能测试过程中的在线监测/观测可为分析多物理场耦合环境下功能材料与结构的失效模式及寿命预测提供重要数据支撑。为了定量测试和分析功能材料与结构在模拟服役环境下的破坏过程和性能演变，除了需要考虑多场加载外，还要考虑高温环境下强光辐射、气流扰动和氧化烧蚀等复杂环境下的测量方法及其影响。此外，当前存在的多场耦合实验台大多关注于多物理场环境的实现，往往缺乏对损伤的实时在线监测/观测，仅有的部分无损检测手段也多与实验装置分别使用，无法提供多物理场耦合环境下功能材料与结构的原位断裂行为、损伤演化及破坏模式等信息，无法开展实时耦合环境下材料的原位失效研究及寿命预测。
[0007]综上所述，将多物理场耦合环境、实时力学性能测试及损伤在线监测/观测三大功能集成的实验系统十分必要，需要开发一套多物理场耦合环境下实时力学性能测试及损伤在线监测/观测系统。
【发明内容】
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[0008]为了解决上述问题，本发明提供一种功能材料与结构在力、热、化学、辐射等的多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统。
[0009 ]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0010]—种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，包括主体试验箱、机械加载模块、多场服役环境模块、损伤在线监测/观测模块以及试样夹持装置;其中，
[0011]主体试验箱包括具有密封腔体的金属箱体，设置在金属箱体侧壁上的石英观测窗，设置在石英观测窗上的一个红外窗口，以及设置在石英观测窗相对的金属箱体侧壁上的另一个红外窗口 ；
[0012]机械加载模块包括两个在垂直方向上同轴心设置的机械加载轴，每个机械加载轴均能够与金属箱体之间相对转动;两个机械加载轴伸出金属箱体外的部分分别与万能试验机的上下主轴相连，两个机械加载轴伸入金属箱体内的部分分别与试样夹持装置的两端相连，试样夹持装置用于固定被测热障涂层试样；
[0013]多场服役环境模块设置在主体试验箱外，包括红外激光快速加热设备，用于对被测热障涂层试样的正面进行加热;X射线辐射设备，用于对被测热障涂层试样的正面进行辐照;冷却系统，其通过冷却气体橡胶导管连接到被测热障涂层试样的背部，用于根据所需测试环境对被测热障涂层试样进行冷却；
[0014]损伤在线监测/观测模块包括设置在主体试验箱外的表面/界面应变实时观测系统、原位断裂行为观测系统、损伤信号收集系统、同步控制系统和红外测温仪，以及设置在被测热障涂层试样上下两端的损伤信号探测器;其中，表面/界面应变实时观测系统用于捕捉被测热障涂层试样表面的应变信息，原位断裂行为观测系统捕捉被测热障涂层试样表面的原位断裂行为，损伤信号探测器通过导线与损伤信号收集系统相连接，表面/界面应变实时观测系统、原位断裂行为观测系统以及损伤信号收集系统均连接至同步控制系统，用于实现三种无损在线监测/观测系统的同步运行和记录，红外测温仪用于通过红外窗口对被测热障涂层试样的表面及背面温度的实时监测和反馈。
[0015]本发明进一步的改进在于，主体试验箱还包括若干橡胶密封圈，X射线辐射设备设置在石英观测窗上，若干橡胶密封圈用于增加X射线辐射设备与石英观测窗之间的密封性以及冷却气体橡胶导管与主体试验箱侧壁之间的密封性。
[0016]本发明进一步的改进在于，多场服役环境模块还包括腐蚀气体储存箱，其通过腐蚀气体金属导管与金属箱体相连通，且腐蚀气体金属导管上设置有进/出气阀门。
[0017]本发明进一步的改进在于，多场服役环境模块还包括真空栗，其通过真空系统抽气管与金属箱体相连通，且真空系统抽气管上设置有进/出气阀门。
[0018]本发明进一步的改进在于，损伤在线监测/观测模块还包括设置在主体试验箱外的补光照明系统，用于对被测热障涂层试样的表面区域和侧面区域进行补光，以便于在线观测系统的图像采集。
[0019]本发明进一步的改进在于，试样夹持装置包括基体，基体的上下两端分别与两个机械加载轴伸入金属箱体内的部分相连，被测热障涂层试样固定在基体的中部，其表面为热障涂层，基体上还开设有若干冷却通道孔，冷却通道孔通过高温合金管与冷却气体橡胶导管相连通。
[0020]本发明进一步的改进在于，基体的上下两端均开设有螺栓通孔，且基体的上下两端通过穿过螺栓通孔的螺栓以及螺母分别与两个机械加载轴伸入金属箱体内的部分相连。[0021 ]本发明进一步的改进在于，红外激光快速加热设备采用日本Crystal公司生产的10K-HR-1型红外加热设备，其最高使用温度及常规使用温度分别为2473K和2073K，升温速率为 lOOK/s;
[0022]X射线辐射设备采用功率为200KV、射线管焦点为2.0\2.0臟的日本理学20(^6-12系列工业X射线辐射设备；
[0023]冷却系统采用循环水冷模式，通过控制冷却水箱上的流量阀来调节冷却水的流速，通过冷水机保持循环水的低温状态。
[0024]本发明进一步的改进在于，表面/界面应变实时观测系统采用德国GOM公司生产的ARAMIS非接触式光学三维应变测量系统；
[0025]原位断裂行为观测系统采用图像采集频率可达到12，500帧/秒的日本Photron公司生产的FASTCAM SA-X型高速相机，且高速相机镜头前安装滤光片；
[0026]损伤信号探测器采用美国物理声学公司生产的PC1-2型声发射系统；
[0027]红外测温仪采用河南宏博测控技术有限公司生产的HB-DS100型双色红外测温仪，其测温范围根据实验条件选择800°C-1600°C和1000°C-2000°C两个温度段，单色响应波长为0.95-1.I，双色响应波长为0.85-1.1/0.95-1.I，温度分辨率为1°C。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优点及突出性效果:
[0029]本发明提供的多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，可以实现多物理场耦合环境，模拟材料真实服役过程中的机械载荷、高低温梯度温度场、化学腐蚀及辐射等复杂加载条件，可以模拟功能材料与结构在机械载荷、高温、化学腐蚀、辐射等实际服役环境，同时集成了多种无损检测系统。实时力学测试部分包含但不限于材料在多物理场耦合加载过程中材料的实时应力应变曲线，为分析材料在多物理场复杂加载条件下的力学行为提供基础。损伤在线监测/观测部分包含但不限于耦合环境下功能材料与结构的温度场、应变场、表面形貌、损伤演化、断裂行为及破坏模式等信息，为强度分析及寿命预测提供支撑。具体来说，本发明具有如下的优点:
[0030]1、本发明所述的红外激光快速加热设备，具有升降温速率快(ΙΟΟΚ/s)、极限温度高(2473K)、升温/保温/降温过程可控等优点，相对于传统的燃气加热方式也更加安全、便捷、节省成本。可用于模拟地面燃气轮机叶片、航空发动机叶片等多种关键结构与材料的复杂服役热环境；
[0031]2、本发明所述的同步控制装置可以将三套无损监测/检测设备同步集成，实现了多种无损评价手段的同步记录，相对于传统的单一手段的评价，本发明更加全面、智能；
[0032]3、本发明所述的高温数字散斑技术(ARAMIS系统)和带有滤光功能的高速摄像技术实现了极端高温下的实时变形及断裂动态过程的实时/原位捕捉；
[0033]4、本发明所述的主体试验箱的正面和侧面均集成有无损检测装置，可以同时对表面破坏和内部损伤进行直接观测，与传统的仅从表面观测断裂形貌的专利相比，本发明实现了表面/内部的同步演化观测；
[0034]5、本发明所述的主体试验箱内的真空环境提高了在高温下采集图像的精度，解决了传统实验设备在高温环境下的气流扰动问题；
[0035]6、本发明所述的机械加载方式可以根据试验结构及材料的真实服役工况进行调节，可以实现拉伸、压缩、弯曲等多种不同的机械加载方式；
[0036]综上所述，本发明可模拟力学、热学、化学、辐射等多物理场耦合环境，尤其是实现了极端高温、恶劣腐蚀环境、同步辐射环境与机械加载的耦合；另外，本发明集成了多种在线无损检测/观测手段，实现了极端多场耦合环境下的高精度的表面/截面应变实时观测、原位断裂行为观测及损伤在线监测。
【附图说明】
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[0037]图1为本发明的主视图。
[0038]图2为本发明的左视图。
[0039]图3为试件及夹持装置图(以热障涂层平板试件的拉伸加载为例)。
[0040]图中标号:1-主体试验箱，101-金属箱体，102-石英观测窗，103-红外窗口，104-橡胶密封圈；
[0041 ] 2-机械加载模块，201-机械加载轴；
[0042]3-多场服役环境模块，301-红外激光快速加热设备，302-X射线辐射设备，303-腐蚀气体储存箱，304-真空栗，305-冷却系统，306-冷却气体橡胶导管，307-腐蚀气体金属导管，308-真空系统抽/送气管，309-进/出气阀门；
[0043]4-损伤在线监测/观测模块，401-表面/界面应变实时观测系统，402-原位断裂行为观测系统，403-损伤信号探测器，404-损伤信号收集系统，405-同步控制系统，406-红外测温仪，407-补光照明系统；
[0044]5-试样夹持装置，501-基体，502-热障涂层，503-冷却通道孔，504-螺栓通孔，505-高温合金短管，506-螺母，507-螺栓。
【具体实施方式】
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[0045]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0046]如图1至图3所示，本发明一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，包括主体试验箱1、机械加载模块2、多场服役环境模块3、实时损伤监测/观测模块4，以及试样夹持装置5。
[0047]主体试验箱I由可开启的金属箱体101、石英观测窗102、可透过红外线的红外窗口103及起密封作用的橡胶密封圈104组成。石英观测窗102共2块，分别镶嵌在主体试验箱101的前方及侧面;可透过红外线的红外窗口 103共2个，分别安装在主体试验箱的前方及后方；所有与主体试验箱体连通的装置，在交接处安装橡胶密封圈104，保证试验箱的密封性。
[0048]机械加载模块2主要由机械加载轴201和试样夹持装置5(后文将以热障涂层平板试件的拉伸加载为例详细阐述)构成。机械加载轴201的两个外端分别与外部提供机械载荷的万能试验机的上下主轴连接，试样夹持装置5与机械加载轴201的两个内端连接。试样夹持装置可以根据需要的机械加载方式调整，可以实现拉伸、压缩、弯曲及扭转等多种机械加载方式。
[0049]多场服役环境模块3中的红外激光快速加热设备301安装在位于主体试验箱I前方的石英观测窗102的正前方，并保证激光光路恰好正对着被测热障涂层试样表面，加热区域面积可以通过调节红外激光快速加热设备301到主体试验箱I的距离实现。
[0050]多场服役环境模块3中的X射线辐射源302安装在红外窗口103的下方，调节其辐射路径，使其恰好辐照到被测热障涂层试样的表面。
[0051 ]多场服役环境模块3中的腐蚀气体储存箱303通过腐蚀气体金属导管307，连接到金属箱体101的上方，并通过进/出气阀门309控制气体的流量和开闭。
[0052]多场服役环境模块3中的真空栗304通过真空系统抽气管308，连接到金属箱体101的下方，并通过进/出气阀门309控制开闭。
[0053]多场服役环境模块3中的冷却系统305通过冷却气体橡胶导管306连接到被测热障涂层试样的背部，可以根据所需测试环境决定是否开启冷却系统305:如果需要梯度温度服役环境，则开启冷却系统305，与试样前方的红外激光快速加热设备301共同作用产生梯度温度环境;如果需要等温服役环境，则关闭冷却系统305。
[0054]损伤在线监测/观测模块4中的表面/界面应变实时观测系统401安装在主体试验箱I的前方，位置略高于红外激光快速加热设备301。表面/界面应变实时观测系统401有2个CCD相机组成，调节其光路使之透过石英玻璃观测窗102，并刚好能捕捉到被测热障涂层试样表面的应变信息。
[0055]损伤在线监测/检测模块4中的原位断裂行为观测系统402安装在主体试验箱I的前方，位置略低于红外激光快速加热设备301，调节其光路使之透过石英玻璃观测窗102，并刚好能捕捉到被测热障涂层试样的原位断裂行为。
[0056]损伤在线监测/检测模块4中的损伤信号探测器403安装在被测热障涂层试样的上下两端(以热障涂层平板试件的拉伸加载为例)，并通过导线与损伤信号收集系统404相连接。
[0057]损伤在线监测/检测模块4中的表面/界面应变实时观测系统401、原位断裂行为观测系统402以及损伤信号收集系统404，均连接至同步控制系统405，以实现三种无损在线监测/观测系统的同步运行和记录。
[0058]损伤在线监测/检测模块4中的红外测温仪406共有2个，分别位于主体试验箱I的前后方，调节其光路，使之分别透过主体试验箱I前后面安装的2个红外窗口 103，并照射到被测热障涂层试样的表面及背面，实现表面和背面温度的实时监测和反馈。
[0059]损伤在线监测/检测模块4中的补光照明系统407共有2套，分别位于主体试验箱I的前方及侧面，调节其光路，使之分别照射到被测热障涂层试样的表面和侧面，对被测热障涂层试样的表面区域和侧面区域进行补光，以便于在线观测系统的图像采集。
[0060]试样夹持装置5包括基体501，基体501的上下两端分别与两个机械加载轴201伸入金属箱体101内的部分相连，被测热障涂层试样固定在基体501的中部，其表面为热障涂层502，基体501上还开设有若干冷却通道孔503，冷却通道孔503通过高温合金管505与冷却气体橡胶导管306相连通，此外，基体501的上下两端均开设有螺栓通孔503，且基体501的上下两端通过穿过螺栓通孔503的螺栓507以及螺母506分别与两个机械加载轴201伸入金属箱体101内的部分相连。
[0061]进一步的，所述金属箱体采用不锈钢材质，作为放置试样及进行具体实验的主要区域。
[0062]所述石英观测窗采用石英材质，用于透过起加热作用的红外激光、起补充照明作用的LED白光，以及捕捉试样变形/断裂过程的工业CCD相机光路。石英观测窗镶嵌在金属箱体上，并在交接处用密封圈密封处理。
[0063]所述红外窗口采用波长为8?12μηι、红外线透过率大于92%的长波红外窗口，用于透过红外测温仪发射的红外线，实现高温环境下的远程无损精确测温。
[0064]所述机械加载轴采用不锈钢材质，用于传递机械载荷，实现准静态或动态加载。
[0065]所述试样夹持装置采用Ιη738高温合金材质，用于机械载荷方式的转换(拉伸载荷、压缩载荷或弯曲载荷)和被测热障涂层试样的夹持。
[0066]所述红外激光快速加热设备采用日本Crystal公司生产的10K-HR-1型红外加热设备，其最高使用温度及常规使用温度分别为2473K和2073K，升温速率为lOOK/s，加热过程可编程控制。该加热设备放置于主体试验箱的前方，并透过石英玻璃窗口对内部试样进行快速红外加热。
[0067]所述X射线辐射设备采用功率为200KV、射线管焦点为2.0X2.0mm的日本理学200EG-M2系列工业X射线，用于提供辐射环境，对被测的功能结构与材料进行X射线辐照。该设备放置于主体试验箱的前方，并透过石英玻璃窗口对内部试样进行辐照处理。
[0068]所述腐蚀气体储存箱采用不锈钢材质，主要用于发生腐蚀反应产生并存储腐蚀气体。
[0069]所述真空栗采用美国Airtech公司生产的HP-140V型无油真空栗，其功率为540W，极限真空度为-700mmHg。主要用于预先对金属箱进行抽真空，保证在热-力-辐射耦合实验(不含腐蚀气体的情况下)的图像采集过程中不受气流扰动的影响，以获得更精确真实的变形及断裂行为数据。
[0070]所述背部冷却系统采用循环水冷模式，通过控制冷却水箱上的流量阀来调节冷却水的流速，通过冷水机保持循环水的低温状态。该系统可以同时根据实验所需条件开启或关闭:当试样件需要梯度加热环境时，开启背部冷却系统；当试样件需要等温加热环境时，关闭背部冷却系统。
[0071]所述表面/截面应变实时观测系统采用德国GOM公司生产的ARAMIS非接触式光学三维应变测量系统。该系统采用多个CCD相机对负载状态下的样件进行测量，根据测量得到的每个阶段晶格片坐标值(3D)，可以计算出样件表面各个位置的位移和应变，以及形状，并且具有极高的精度和分辨率。测量数据可以实时传递给试验设备自带的数据采集系统，利用实时获得的信息，对试验过程进行在线控制。该ARAMIS系统共2套，分别置于主体试验箱的石英玻璃窗口的前方和侧面，并透过石英玻璃窗口对内部试样表面和截面的变形进行在线观测。
[0072]所述原位断裂行为观测系统采用图像采集频率可达到12，500帧/秒的日本Photron公司生产的FASTCAM SA-X型高速相机，相机镜头前安装滤光片，以避免拍摄时在高温下的产生的黑体辐射的影响。该种高速相机共2套，分别置于主体试验箱的前方和侧面，并透过石英玻璃窗口实时采集试样表面和截面的断裂情况，从而得到被测热障涂层试样在多场耦合环境下表面和内部断裂行为的实时演化。
[0073]所述损伤在线监测系统采用美国物理声学公司(PAC)生产的PC1-2型声发射系统。该系统装有8个可选参数通道，该通道有16位的A/D转换器，速度为10000个/秒，1ΚΗζ-3ΜΗζ频率范围，并具有独特的波形流数据存储功能，可将声发射波形以每秒10兆采样点的速率连续不断地存入数据硬盘。该种声发射系统，通过与被测热障涂层试样连接得到试样在多场耦合加载环境下内部裂纹的萌生及扩展信息，实现被测材料内部损伤的在线监测。
[0074]所述同步控制系统通过将表面/截面应变实时观测系统、原位断裂行为观测系统和损伤在线监测系统的自身的控制装置集成，实现三种在线观测系统的同步运行，得到任意特定加载进程中三种在线监测/观测装置的同步测试数据。
[0075]所述红外测温仪采用河南宏博测控技术有限公司生产的HB-DS100型双色红外测温仪，其测温范围根据实验条件选择800°C—1600°C和1000°C-2000°C两个温度段，单色响应波长0.95-1.1，双色响应波长0.85-1.1/0.95-1.1，温度分辨率为1°C。该类红外测温仪共2套，分别置于主体试验箱的前后，用于测试并反馈试样表面及背面的实时温度，调节温度梯度参数(梯度加热环境下)。
[0076]所述补光照明系统采用深圳鸿域光电科技有限公司生产的HY-SG005型80W白光LED聚光灯，用于实验测试区域的补光照明。该补光照明装置共4个，其中2个置于主体试验箱的正前方，另外2个置于主体试验箱的侧面，分别对这两个方位的在线监测/观测系统进行补光照明。
[0077]使用所述实验系统对试样进行测试的操作步骤如下(以热障涂层平板试件在梯度高温及辐射环境下的拉伸加载为例):
[0078]步骤一、制备涂层试样，并将损伤信号探测器403分别安装到试样的两端。开启金属箱体101放入被测热障涂层试样，并与夹持装置和冷却管相连接。关闭金属箱体101，确保从石英观测窗102中能直接观测到试件的表面及侧面；
[0079]步骤二、连接实验系统涉及到的各模块，开启总电源及各设备开关。分别调节红外激光快速加热设备301、X射线辐射源302、红外测温仪406，补光照明系统407的位置，使之光路恰好能照射到被测试件的表面及侧面；
[0080]步骤三、除补光照明系统外，关闭步骤二中打开的其他设备。陆续开启2套表面/界面应变实时观测系统401、2套原位断裂行为观测系统402，调节其位置，使被测区域分别恰好位于试样的表面及侧面；
[0081]步骤四、打开与真空栗304相连的气体阀门309并开启真空栗304，待真空度达到预定目标后关闭气体阀门309，并保持主体试验箱I内的真空；
[0082]步骤五、分别开启步骤三中关闭或未开启的设备:红外激光快速加热设备301、X射线辐射源302、红外测温仪406，损伤信号收集系统404、同步控制系统405和背部的冷却系统305；
[0083]步骤六、开启红外激光快速加热设备301后，被测热障涂层试样的表面快速升温，同时，冷却系统305开始工作。被测热障涂层试样的陶瓷涂层表面到高温合金基底背面形成温度梯度。此时，观察2个红外测温仪406的示数，根据反馈的温度来调节红外激光快速加热设备301的发射功率和冷却系统305的气体流量，以实现预定的表面和背部温度。达到预定的表面和背部温度(即预定的温度梯度)后，保持红外激光快速加热设备301的功率和冷却系统305的气体流量不变；
[0084]步骤七、开启机械加载系统的运行按钮，与此同时，打开同步控制系统的计时按钮，从而实现梯度高温、辐射和机械载荷的同步加载，以及表面/界面实时应变、原位断裂行为观和损伤信号收集的同步观测/监测。
[0085]本例中不含腐蚀，因为腐蚀环境和真空环境不可共存。在进行腐蚀环境加载的实验时，关闭抽真空栗即可，其他步骤与上述实例基本类似。
[0086]以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。
【主权项】
1.一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，包括主体试验箱(I)、机械加载模块(2)、多场服役环境模块(3)、损伤在线监测/观测模块(4)以及试样夹持装置(5);其中， 主体试验箱(I)包括具有密封腔体的金属箱体(101)，设置在金属箱体(101)侧壁上的石英观测窗(102)，设置在石英观测窗(102)上的一个红外窗口(103)，以及设置在石英观测窗(102)相对的金属箱体(101)侧壁上的另一个红外窗口(103); 机械加载模块(2)包括两个在垂直方向上同轴心设置的机械加载轴(201)，每个机械加载轴(201)均能够与金属箱体(101)之间相对转动；两个机械加载轴(201)伸出金属箱体(101)外的部分分别与万能试验机的上下主轴相连，两个机械加载轴(201)伸入金属箱体(101)内的部分分别与试样夹持装置(5)的两端相连，试样夹持装置(5)用于固定被测热障涂层试样； 多场服役环境模块(3)设置在主体试验箱(I)外，包括红外激光快速加热设备(301)，用于对被测热障涂层试样的正面进行加热;X射线辐射设备(302)，用于对被测热障涂层试样的正面进行辐照;冷却系统(305)，其通过冷却气体橡胶导管(306)连接到被测热障涂层试样的背部，用于根据所需测试环境对被测热障涂层试样进行冷却； 损伤在线监测/观测模块(4)包括设置在主体试验箱(I)外的表面/界面应变实时观测系统(401)、原位断裂行为观测系统(402)、损伤信号收集系统(404)、同步控制系统(405)和红外测温仪(406)，以及设置在被测热障涂层试样上下两端的损伤信号探测器(403);其中，表面/界面应变实时观测系统(401)用于捕捉被测热障涂层试样表面的应变信息，原位断裂行为观测系统(402)捕捉被测热障涂层试样表面的原位断裂行为，损伤信号探测器(403)通过导线与损伤信号收集系统(404)相连接，表面/界面应变实时观测系统(401)、原位断裂行为观测系统(402)以及损伤信号收集系统(404)均连接至同步控制系统(405)，用于实现三种无损在线监测/观测系统的同步运行和记录，红外测温仪(406)用于通过红外窗口(103)对被测热障涂层试样的表面及背面温度的实时监测和反馈。2.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，主体试验箱(I)还包括若干橡胶密封圈(104)，X射线辐射设备(302)设置在石英观测窗(102)上，若干橡胶密封圈(104)用于增加X射线辐射设备(302)与石英观测窗(102)之间的密封性以及冷却气体橡胶导管(306)与主体试验箱(I)侧壁之间的密封性。3.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，多场服役环境模块(3)还包括腐蚀气体储存箱(303)，其通过腐蚀气体金属导管(307)与金属箱体(101)相连通，且腐蚀气体金属导管(307)上设置有进/出气阀门(309)。4.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，多场服役环境模块(3)还包括真空栗(304)，其通过真空系统抽气管(308)与金属箱体(101)相连通，且真空系统抽气管(308)上设置有进/出气阀门(309)。5.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，损伤在线监测/观测模块(4)还包括设置在主体试验箱(I)外的补光照明系统(407)，用于对被测热障涂层试样的表面区域和侧面区域进行补光，以便于在线观测系统的图像采集。6.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，试样夹持装置(5)包括基体(501)，基体(501)的上下两端分别与两个机械加载轴(201)伸入金属箱体(101)内的部分相连，被测热障涂层试样固定在基体(501)的中部，其表面为热障涂层(502)，基体(501)上还开设有若干冷却通道孔(503)，冷却通道孔(503)通过高温合金管(505)与冷却气体橡胶导管(306)相连通。7.根据权利要求6所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，基体(501)的上下两端均开设有螺栓通孔(503)，且基体(501)的上下两端通过穿过螺栓通孔(503)的螺栓(507)以及螺母(506)分别与两个机械加载轴(201)伸入金属箱体(101)内的部分相连。8.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，红外激光快速加热设备(301)采用日本Crystal公司生产的10K-HR-1型红外加热设备，其最高使用温度及常规使用温度分别为2473K和2073K，升温速率为lOOK/s; X射线辐射设备(302)采用功率为200KV、射线管焦点为2.0 X 2.0mm的日本理学200EG-M2系列工业X射线辐射设备； 冷却系统(305)采用循环水冷模式，通过控制冷却水箱上的流量阀来调节冷却水的流速，通过冷水机保持循环水的低温状态。9.根据权利要求1所述的一种多场耦合环境模拟及在线监测/观测系统，其特征在于，表面/界面应变实时观测系统(401)采用德国GOM公司生产的ARAMIS非接触式光学三维应变测量系统； 原位断裂行为观测系统(402)采用图像采集频率可达到12，500帧/秒的日本Photron公司生产的FASTCAM SA-X型高速相机，且高速相机镜头前安装滤光片； 损伤信号探测器(403)采用美国物理声学公司生产的PC1-2型声发射系统； 红外测温仪(406)采用河南宏博测控技术有限公司生产的HB-DS100型双色红外测温仪，其测温范围根据实验条件选择800°C-1600°C和1000°C-2000°C两个温度段，单色响应波长为0.95-1.I，双色响应波长为0.85-1.1/0.95-1.I，温度分辨率为1°C。
【文档编号】G01N3/18GK105973690SQ201610278879
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】王铁军, 江鹏, 范学领, 李定骏, 李彪, 吕伯文, 任晓雪, 郭奕蓉
【申请人】西安交通大学