一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，包括主體試驗箱等，主體試驗箱上設(shè)置有石英觀測窗和紅外窗口；機械加載模塊包括兩個同軸心設(shè)置的機械加載軸，分別與萬能試驗機的主軸及試樣夾持裝置相連；多場服役環(huán)境模塊設(shè)置在主體試驗箱外，包括紅外激光快速加熱設(shè)備、X射線輻射設(shè)備、腐蝕氣箱及冷卻系統(tǒng)，分別用于實現(xiàn)加熱、輻照、腐蝕和冷卻環(huán)境；損傷在線監(jiān)測/觀測模塊包括設(shè)置在主體試驗箱外的表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)、損傷信號收集系統(tǒng)和紅外測溫儀，以及設(shè)置在被測試樣上下兩端的損傷信號探測器，分別用于捕實時捉應(yīng)變、原位斷裂圖像、損傷及溫度信息，并通過同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)同步運行。
【專利說明】
一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
:
[0001]本發(fā)明涉及一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，尤其適用于抗高溫陶瓷涂層、高分子聚合物等功能材料與結(jié)構(gòu)，在熱-力-腐蝕-輻射等極端多物理場耦合環(huán)境下的實時力學(xué)性能表征及損傷在線監(jiān)測/觀測，屬于力學(xué)實驗領(lǐng)域特殊服役環(huán)境下的模擬裝置。
【背景技術(shù)】
:
[0002]隨著航空航天及能源動力技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用于超高溫、腐蝕、沖蝕、磨損、輻射等極端多場耦合服役環(huán)境的新型功能材料與結(jié)構(gòu)得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究也得到了極大的推動。以熱障涂層為例:新一代J級先進重型燃機的進口燃氣溫度已經(jīng)接近1700°C，這對燃機熱端部件即渦輪葉片的熱防護技術(shù)提出了更高的要求。燃機葉片的熱防護主要通過以下三個方面實現(xiàn):1.提高葉片自身材料的使用極限溫度，2.采用冷卻氣膜技術(shù)，3.熱障涂層技術(shù)。然而，目前葉片用最先進的鎳基單晶高溫合金的長期服役溫度也僅為1150°C，且從近60年來高溫合金的研究發(fā)展來看，通過材料研制提升燃機入口溫度的周期是相對緩慢的。氣膜冷卻技術(shù)雖然可以在一定程度上降低熱端部件表面溫度，但同時也會顯著降低燃機的熱轉(zhuǎn)化效率。熱障涂層系統(tǒng)，是一種多層功能結(jié)構(gòu)材料，由于其具有較強的可設(shè)計性，被認為是實現(xiàn)更高熱防護目標最切實可行的技術(shù)路線。熱障涂層系統(tǒng)一般由起隔熱、抗沖蝕/腐蝕作用的陶瓷層，承受機械載荷的基底層，介于陶瓷層和基底層之前起抗氧化、緩沖及粘結(jié)作用的金屬粘結(jié)層，以及在服役期間于金屬粘結(jié)層和基底層之間形成的熱生長氧化層構(gòu)成。
[0003]熱障涂層是一種典型的應(yīng)用于極端多場耦合服役環(huán)境下的新型功能材料與結(jié)構(gòu)，在真實服役過程中，熱障涂層承受著機械載荷、熱載荷以及化學(xué)載荷等多重極端載荷環(huán)境。機械載荷主要包括葉片高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的向心力、燃氣中大顆粒的高速沖蝕、燃氣中小顆粒物的沖蝕以及外來物沖擊;熱載荷主要包括熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱失配應(yīng)力;化學(xué)載荷主要包括涂層長時間在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的相變/燒結(jié)導(dǎo)致的體積膨脹和孔隙率降低、氧氣穿透陶瓷涂層并與粘結(jié)層反應(yīng)生成的熱生長氧化物(TGO)增厚導(dǎo)致的界面脫粘，以及玻璃態(tài)物質(zhì)(Ca0-Mg0-A1203-Si02，CMAS)對陶瓷涂層的侵蝕等。這些極端多場環(huán)境在熱障涂層的真實服役過程中同時存在并相互耦合，共同形成了熱障涂層惡劣而又復(fù)雜的服役環(huán)境，導(dǎo)致熱障涂層在涂層材料及界面處發(fā)生退化，并逐漸在涂層內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)聚及界面裂紋，導(dǎo)致涂層的剝離和失效。
[0004]對于以熱障涂層為代表的用于極端多場耦合環(huán)境下的功能材料與結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計，了解其在極端多場耦合服役條件下的基本力學(xué)性能和失效行為，是保障構(gòu)件服役安全性必不可少的基本要求，對其在極端多物理場耦合環(huán)境下的性能進行實時測試和在線監(jiān)測/觀測是功能材料、結(jié)構(gòu)與裝備性能評估和壽命預(yù)測的基礎(chǔ)，對保障國家航天航空及能源工業(yè)關(guān)鍵器件的可靠性和安全設(shè)計具有舉足輕重的意義。
[0005]目前，國內(nèi)外針對多場耦合環(huán)境下功能材料與結(jié)構(gòu)的性能評估多采用忽略次要因素，將真實多物理場服役環(huán)境簡化為單一或部分物理場模擬環(huán)境，如力-熱耦合實驗臺、力-化耦合實驗臺、力-輻射耦合實驗臺，進而對功能材料與結(jié)構(gòu)在多場耦合環(huán)境下的性能進行預(yù)測。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，功能材料與結(jié)構(gòu)多物理場耦合環(huán)境實驗系統(tǒng)尚未見報道。基于材料與結(jié)構(gòu)在單一或部分物理場的性能對多場耦合性能進行預(yù)測，通常需要兩套或以上的實驗裝置才能完成相關(guān)實驗，不僅耗費更多的人力、物力，而且無法模擬不同物理場之間的耦合關(guān)系，不利于深入理解功能材料與結(jié)構(gòu)的性能演變及失效機理。
[0006]與此同時，性能測試過程中的在線監(jiān)測/觀測可為分析多物理場耦合環(huán)境下功能材料與結(jié)構(gòu)的失效模式及壽命預(yù)測提供重要數(shù)據(jù)支撐。為了定量測試和分析功能材料與結(jié)構(gòu)在模擬服役環(huán)境下的破壞過程和性能演變，除了需要考慮多場加載外，還要考慮高溫環(huán)境下強光輻射、氣流擾動和氧化燒蝕等復(fù)雜環(huán)境下的測量方法及其影響。此外，當前存在的多場耦合實驗臺大多關(guān)注于多物理場環(huán)境的實現(xiàn)，往往缺乏對損傷的實時在線監(jiān)測/觀測，僅有的部分無損檢測手段也多與實驗裝置分別使用，無法提供多物理場耦合環(huán)境下功能材料與結(jié)構(gòu)的原位斷裂行為、損傷演化及破壞模式等信息，無法開展實時耦合環(huán)境下材料的原位失效研究及壽命預(yù)測。
[0007]綜上所述，將多物理場耦合環(huán)境、實時力學(xué)性能測試及損傷在線監(jiān)測/觀測三大功能集成的實驗系統(tǒng)十分必要，需要開發(fā)一套多物理場耦合環(huán)境下實時力學(xué)性能測試及損傷在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種功能材料與結(jié)構(gòu)在力、熱、化學(xué)、輻射等的多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)。
[0009 ]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0010]—種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，包括主體試驗箱、機械加載模塊、多場服役環(huán)境模塊、損傷在線監(jiān)測/觀測模塊以及試樣夾持裝置;其中，
[0011]主體試驗箱包括具有密封腔體的金屬箱體，設(shè)置在金屬箱體側(cè)壁上的石英觀測窗，設(shè)置在石英觀測窗上的一個紅外窗口，以及設(shè)置在石英觀測窗相對的金屬箱體側(cè)壁上的另一個紅外窗口 ；
[0012]機械加載模塊包括兩個在垂直方向上同軸心設(shè)置的機械加載軸，每個機械加載軸均能夠與金屬箱體之間相對轉(zhuǎn)動;兩個機械加載軸伸出金屬箱體外的部分分別與萬能試驗機的上下主軸相連，兩個機械加載軸伸入金屬箱體內(nèi)的部分分別與試樣夾持裝置的兩端相連，試樣夾持裝置用于固定被測熱障涂層試樣；
[0013]多場服役環(huán)境模塊設(shè)置在主體試驗箱外，包括紅外激光快速加熱設(shè)備，用于對被測熱障涂層試樣的正面進行加熱;X射線輻射設(shè)備，用于對被測熱障涂層試樣的正面進行輻照;冷卻系統(tǒng)，其通過冷卻氣體橡膠導(dǎo)管連接到被測熱障涂層試樣的背部，用于根據(jù)所需測試環(huán)境對被測熱障涂層試樣進行冷卻；
[0014]損傷在線監(jiān)測/觀測模塊包括設(shè)置在主體試驗箱外的表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)、損傷信號收集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和紅外測溫儀，以及設(shè)置在被測熱障涂層試樣上下兩端的損傷信號探測器;其中，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)用于捕捉被測熱障涂層試樣表面的應(yīng)變信息，原位斷裂行為觀測系統(tǒng)捕捉被測熱障涂層試樣表面的原位斷裂行為，損傷信號探測器通過導(dǎo)線與損傷信號收集系統(tǒng)相連接，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)以及損傷信號收集系統(tǒng)均連接至同步控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)三種無損在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)的同步運行和記錄，紅外測溫儀用于通過紅外窗口對被測熱障涂層試樣的表面及背面溫度的實時監(jiān)測和反饋。
[0015]本發(fā)明進一步的改進在于，主體試驗箱還包括若干橡膠密封圈，X射線輻射設(shè)備設(shè)置在石英觀測窗上，若干橡膠密封圈用于增加X射線輻射設(shè)備與石英觀測窗之間的密封性以及冷卻氣體橡膠導(dǎo)管與主體試驗箱側(cè)壁之間的密封性。
[0016]本發(fā)明進一步的改進在于，多場服役環(huán)境模塊還包括腐蝕氣體儲存箱，其通過腐蝕氣體金屬導(dǎo)管與金屬箱體相連通，且腐蝕氣體金屬導(dǎo)管上設(shè)置有進/出氣閥門。
[0017]本發(fā)明進一步的改進在于，多場服役環(huán)境模塊還包括真空栗，其通過真空系統(tǒng)抽氣管與金屬箱體相連通，且真空系統(tǒng)抽氣管上設(shè)置有進/出氣閥門。
[0018]本發(fā)明進一步的改進在于，損傷在線監(jiān)測/觀測模塊還包括設(shè)置在主體試驗箱外的補光照明系統(tǒng)，用于對被測熱障涂層試樣的表面區(qū)域和側(cè)面區(qū)域進行補光，以便于在線觀測系統(tǒng)的圖像采集。
[0019]本發(fā)明進一步的改進在于，試樣夾持裝置包括基體，基體的上下兩端分別與兩個機械加載軸伸入金屬箱體內(nèi)的部分相連，被測熱障涂層試樣固定在基體的中部，其表面為熱障涂層，基體上還開設(shè)有若干冷卻通道孔，冷卻通道孔通過高溫合金管與冷卻氣體橡膠導(dǎo)管相連通。
[0020]本發(fā)明進一步的改進在于，基體的上下兩端均開設(shè)有螺栓通孔，且基體的上下兩端通過穿過螺栓通孔的螺栓以及螺母分別與兩個機械加載軸伸入金屬箱體內(nèi)的部分相連。[0021 ]本發(fā)明進一步的改進在于，紅外激光快速加熱設(shè)備采用日本Crystal公司生產(chǎn)的10K-HR-1型紅外加熱設(shè)備，其最高使用溫度及常規(guī)使用溫度分別為2473K和2073K，升溫速率為 lOOK/s;
[0022]X射線輻射設(shè)備采用功率為200KV、射線管焦點為2.0\2.0臟的日本理學(xué)20(^6-12系列工業(yè)X射線輻射設(shè)備；
[0023]冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷模式，通過控制冷卻水箱上的流量閥來調(diào)節(jié)冷卻水的流速，通過冷水機保持循環(huán)水的低溫狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明進一步的改進在于，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)采用德國GOM公司生產(chǎn)的ARAMIS非接觸式光學(xué)三維應(yīng)變測量系統(tǒng)；
[0025]原位斷裂行為觀測系統(tǒng)采用圖像采集頻率可達到12，500幀/秒的日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA-X型高速相機，且高速相機鏡頭前安裝濾光片；
[0026]損傷信號探測器采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PC1-2型聲發(fā)射系統(tǒng)；
[0027]紅外測溫儀采用河南宏博測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HB-DS100型雙色紅外測溫儀，其測溫范圍根據(jù)實驗條件選擇800°C-1600°C和1000°C-2000°C兩個溫度段，單色響應(yīng)波長為0.95-1.I，雙色響應(yīng)波長為0.85-1.1/0.95-1.I，溫度分辨率為1°C。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果:
[0029]本發(fā)明提供的多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多物理場耦合環(huán)境，模擬材料真實服役過程中的機械載荷、高低溫梯度溫度場、化學(xué)腐蝕及輻射等復(fù)雜加載條件，可以模擬功能材料與結(jié)構(gòu)在機械載荷、高溫、化學(xué)腐蝕、輻射等實際服役環(huán)境，同時集成了多種無損檢測系統(tǒng)。實時力學(xué)測試部分包含但不限于材料在多物理場耦合加載過程中材料的實時應(yīng)力應(yīng)變曲線，為分析材料在多物理場復(fù)雜加載條件下的力學(xué)行為提供基礎(chǔ)。損傷在線監(jiān)測/觀測部分包含但不限于耦合環(huán)境下功能材料與結(jié)構(gòu)的溫度場、應(yīng)變場、表面形貌、損傷演化、斷裂行為及破壞模式等信息，為強度分析及壽命預(yù)測提供支撐。具體來說，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
[0030]1、本發(fā)明所述的紅外激光快速加熱設(shè)備，具有升降溫速率快(ΙΟΟΚ/s)、極限溫度高(2473K)、升溫/保溫/降溫過程可控等優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)的燃氣加熱方式也更加安全、便捷、節(jié)省成本?？捎糜谀M地面燃氣輪機葉片、航空發(fā)動機葉片等多種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與材料的復(fù)雜服役熱環(huán)境；
[0031]2、本發(fā)明所述的同步控制裝置可以將三套無損監(jiān)測/檢測設(shè)備同步集成，實現(xiàn)了多種無損評價手段的同步記錄，相對于傳統(tǒng)的單一手段的評價，本發(fā)明更加全面、智能；
[0032]3、本發(fā)明所述的高溫數(shù)字散斑技術(shù)(ARAMIS系統(tǒng))和帶有濾光功能的高速攝像技術(shù)實現(xiàn)了極端高溫下的實時變形及斷裂動態(tài)過程的實時/原位捕捉；
[0033]4、本發(fā)明所述的主體試驗箱的正面和側(cè)面均集成有無損檢測裝置，可以同時對表面破壞和內(nèi)部損傷進行直接觀測，與傳統(tǒng)的僅從表面觀測斷裂形貌的專利相比，本發(fā)明實現(xiàn)了表面/內(nèi)部的同步演化觀測；
[0034]5、本發(fā)明所述的主體試驗箱內(nèi)的真空環(huán)境提高了在高溫下采集圖像的精度，解決了傳統(tǒng)實驗設(shè)備在高溫環(huán)境下的氣流擾動問題；
[0035]6、本發(fā)明所述的機械加載方式可以根據(jù)試驗結(jié)構(gòu)及材料的真實服役工況進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)拉伸、壓縮、彎曲等多種不同的機械加載方式；
[0036]綜上所述，本發(fā)明可模擬力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、輻射等多物理場耦合環(huán)境，尤其是實現(xiàn)了極端高溫、惡劣腐蝕環(huán)境、同步輻射環(huán)境與機械加載的耦合；另外，本發(fā)明集成了多種在線無損檢測/觀測手段，實現(xiàn)了極端多場耦合環(huán)境下的高精度的表面/截面應(yīng)變實時觀測、原位斷裂行為觀測及損傷在線監(jiān)測。
【附圖說明】
:
[0037]圖1為本發(fā)明的主視圖。
[0038]圖2為本發(fā)明的左視圖。
[0039]圖3為試件及夾持裝置圖(以熱障涂層平板試件的拉伸加載為例)。
[0040]圖中標號:1-主體試驗箱，101-金屬箱體，102-石英觀測窗，103-紅外窗口，104-橡膠密封圈；
[0041 ] 2-機械加載模塊，201-機械加載軸；
[0042]3-多場服役環(huán)境模塊，301-紅外激光快速加熱設(shè)備，302-X射線輻射設(shè)備，303-腐蝕氣體儲存箱，304-真空栗，305-冷卻系統(tǒng)，306-冷卻氣體橡膠導(dǎo)管，307-腐蝕氣體金屬導(dǎo)管，308-真空系統(tǒng)抽/送氣管，309-進/出氣閥門；
[0043]4-損傷在線監(jiān)測/觀測模塊，401-表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)，402-原位斷裂行為觀測系統(tǒng)，403-損傷信號探測器，404-損傷信號收集系統(tǒng)，405-同步控制系統(tǒng)，406-紅外測溫儀，407-補光照明系統(tǒng)；
[0044]5-試樣夾持裝置，501-基體，502-熱障涂層，503-冷卻通道孔，504-螺栓通孔，505-高溫合金短管，506-螺母，507-螺栓。
【具體實施方式】
:
[0045]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0046]如圖1至圖3所示，本發(fā)明一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，包括主體試驗箱1、機械加載模塊2、多場服役環(huán)境模塊3、實時損傷監(jiān)測/觀測模塊4，以及試樣夾持裝置5。
[0047]主體試驗箱I由可開啟的金屬箱體101、石英觀測窗102、可透過紅外線的紅外窗口103及起密封作用的橡膠密封圈104組成。石英觀測窗102共2塊，分別鑲嵌在主體試驗箱101的前方及側(cè)面;可透過紅外線的紅外窗口 103共2個，分別安裝在主體試驗箱的前方及后方；所有與主體試驗箱體連通的裝置，在交接處安裝橡膠密封圈104，保證試驗箱的密封性。
[0048]機械加載模塊2主要由機械加載軸201和試樣夾持裝置5(后文將以熱障涂層平板試件的拉伸加載為例詳細闡述)構(gòu)成。機械加載軸201的兩個外端分別與外部提供機械載荷的萬能試驗機的上下主軸連接，試樣夾持裝置5與機械加載軸201的兩個內(nèi)端連接。試樣夾持裝置可以根據(jù)需要的機械加載方式調(diào)整，可以實現(xiàn)拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)等多種機械加載方式。
[0049]多場服役環(huán)境模塊3中的紅外激光快速加熱設(shè)備301安裝在位于主體試驗箱I前方的石英觀測窗102的正前方，并保證激光光路恰好正對著被測熱障涂層試樣表面，加熱區(qū)域面積可以通過調(diào)節(jié)紅外激光快速加熱設(shè)備301到主體試驗箱I的距離實現(xiàn)。
[0050]多場服役環(huán)境模塊3中的X射線輻射源302安裝在紅外窗口103的下方，調(diào)節(jié)其輻射路徑，使其恰好輻照到被測熱障涂層試樣的表面。
[0051 ]多場服役環(huán)境模塊3中的腐蝕氣體儲存箱303通過腐蝕氣體金屬導(dǎo)管307，連接到金屬箱體101的上方，并通過進/出氣閥門309控制氣體的流量和開閉。
[0052]多場服役環(huán)境模塊3中的真空栗304通過真空系統(tǒng)抽氣管308，連接到金屬箱體101的下方，并通過進/出氣閥門309控制開閉。
[0053]多場服役環(huán)境模塊3中的冷卻系統(tǒng)305通過冷卻氣體橡膠導(dǎo)管306連接到被測熱障涂層試樣的背部，可以根據(jù)所需測試環(huán)境決定是否開啟冷卻系統(tǒng)305:如果需要梯度溫度服役環(huán)境，則開啟冷卻系統(tǒng)305，與試樣前方的紅外激光快速加熱設(shè)備301共同作用產(chǎn)生梯度溫度環(huán)境;如果需要等溫服役環(huán)境，則關(guān)閉冷卻系統(tǒng)305。
[0054]損傷在線監(jiān)測/觀測模塊4中的表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)401安裝在主體試驗箱I的前方，位置略高于紅外激光快速加熱設(shè)備301。表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)401有2個CCD相機組成，調(diào)節(jié)其光路使之透過石英玻璃觀測窗102，并剛好能捕捉到被測熱障涂層試樣表面的應(yīng)變信息。
[0055]損傷在線監(jiān)測/檢測模塊4中的原位斷裂行為觀測系統(tǒng)402安裝在主體試驗箱I的前方，位置略低于紅外激光快速加熱設(shè)備301，調(diào)節(jié)其光路使之透過石英玻璃觀測窗102，并剛好能捕捉到被測熱障涂層試樣的原位斷裂行為。
[0056]損傷在線監(jiān)測/檢測模塊4中的損傷信號探測器403安裝在被測熱障涂層試樣的上下兩端(以熱障涂層平板試件的拉伸加載為例)，并通過導(dǎo)線與損傷信號收集系統(tǒng)404相連接。
[0057]損傷在線監(jiān)測/檢測模塊4中的表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)401、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)402以及損傷信號收集系統(tǒng)404，均連接至同步控制系統(tǒng)405，以實現(xiàn)三種無損在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)的同步運行和記錄。
[0058]損傷在線監(jiān)測/檢測模塊4中的紅外測溫儀406共有2個，分別位于主體試驗箱I的前后方，調(diào)節(jié)其光路，使之分別透過主體試驗箱I前后面安裝的2個紅外窗口 103，并照射到被測熱障涂層試樣的表面及背面，實現(xiàn)表面和背面溫度的實時監(jiān)測和反饋。
[0059]損傷在線監(jiān)測/檢測模塊4中的補光照明系統(tǒng)407共有2套，分別位于主體試驗箱I的前方及側(cè)面，調(diào)節(jié)其光路，使之分別照射到被測熱障涂層試樣的表面和側(cè)面，對被測熱障涂層試樣的表面區(qū)域和側(cè)面區(qū)域進行補光，以便于在線觀測系統(tǒng)的圖像采集。
[0060]試樣夾持裝置5包括基體501，基體501的上下兩端分別與兩個機械加載軸201伸入金屬箱體101內(nèi)的部分相連，被測熱障涂層試樣固定在基體501的中部，其表面為熱障涂層502，基體501上還開設(shè)有若干冷卻通道孔503，冷卻通道孔503通過高溫合金管505與冷卻氣體橡膠導(dǎo)管306相連通，此外，基體501的上下兩端均開設(shè)有螺栓通孔503，且基體501的上下兩端通過穿過螺栓通孔503的螺栓507以及螺母506分別與兩個機械加載軸201伸入金屬箱體101內(nèi)的部分相連。
[0061]進一步的，所述金屬箱體采用不銹鋼材質(zhì)，作為放置試樣及進行具體實驗的主要區(qū)域。
[0062]所述石英觀測窗采用石英材質(zhì)，用于透過起加熱作用的紅外激光、起補充照明作用的LED白光，以及捕捉試樣變形/斷裂過程的工業(yè)CCD相機光路。石英觀測窗鑲嵌在金屬箱體上，并在交接處用密封圈密封處理。
[0063]所述紅外窗口采用波長為8?12μηι、紅外線透過率大于92%的長波紅外窗口，用于透過紅外測溫儀發(fā)射的紅外線，實現(xiàn)高溫環(huán)境下的遠程無損精確測溫。
[0064]所述機械加載軸采用不銹鋼材質(zhì)，用于傳遞機械載荷，實現(xiàn)準靜態(tài)或動態(tài)加載。
[0065]所述試樣夾持裝置采用Ιη738高溫合金材質(zhì)，用于機械載荷方式的轉(zhuǎn)換(拉伸載荷、壓縮載荷或彎曲載荷)和被測熱障涂層試樣的夾持。
[0066]所述紅外激光快速加熱設(shè)備采用日本Crystal公司生產(chǎn)的10K-HR-1型紅外加熱設(shè)備，其最高使用溫度及常規(guī)使用溫度分別為2473K和2073K，升溫速率為lOOK/s，加熱過程可編程控制。該加熱設(shè)備放置于主體試驗箱的前方，并透過石英玻璃窗口對內(nèi)部試樣進行快速紅外加熱。
[0067]所述X射線輻射設(shè)備采用功率為200KV、射線管焦點為2.0X2.0mm的日本理學(xué)200EG-M2系列工業(yè)X射線，用于提供輻射環(huán)境，對被測的功能結(jié)構(gòu)與材料進行X射線輻照。該設(shè)備放置于主體試驗箱的前方，并透過石英玻璃窗口對內(nèi)部試樣進行輻照處理。
[0068]所述腐蝕氣體儲存箱采用不銹鋼材質(zhì)，主要用于發(fā)生腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生并存儲腐蝕氣體。
[0069]所述真空栗采用美國Airtech公司生產(chǎn)的HP-140V型無油真空栗，其功率為540W，極限真空度為-700mmHg。主要用于預(yù)先對金屬箱進行抽真空，保證在熱-力-輻射耦合實驗(不含腐蝕氣體的情況下)的圖像采集過程中不受氣流擾動的影響，以獲得更精確真實的變形及斷裂行為數(shù)據(jù)。
[0070]所述背部冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷模式，通過控制冷卻水箱上的流量閥來調(diào)節(jié)冷卻水的流速，通過冷水機保持循環(huán)水的低溫狀態(tài)。該系統(tǒng)可以同時根據(jù)實驗所需條件開啟或關(guān)閉:當試樣件需要梯度加熱環(huán)境時，開啟背部冷卻系統(tǒng)；當試樣件需要等溫加熱環(huán)境時，關(guān)閉背部冷卻系統(tǒng)。
[0071]所述表面/截面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)采用德國GOM公司生產(chǎn)的ARAMIS非接觸式光學(xué)三維應(yīng)變測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多個CCD相機對負載狀態(tài)下的樣件進行測量，根據(jù)測量得到的每個階段晶格片坐標值(3D)，可以計算出樣件表面各個位置的位移和應(yīng)變，以及形狀，并且具有極高的精度和分辨率。測量數(shù)據(jù)可以實時傳遞給試驗設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用實時獲得的信息，對試驗過程進行在線控制。該ARAMIS系統(tǒng)共2套，分別置于主體試驗箱的石英玻璃窗口的前方和側(cè)面，并透過石英玻璃窗口對內(nèi)部試樣表面和截面的變形進行在線觀測。
[0072]所述原位斷裂行為觀測系統(tǒng)采用圖像采集頻率可達到12，500幀/秒的日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA-X型高速相機，相機鏡頭前安裝濾光片，以避免拍攝時在高溫下的產(chǎn)生的黑體輻射的影響。該種高速相機共2套，分別置于主體試驗箱的前方和側(cè)面，并透過石英玻璃窗口實時采集試樣表面和截面的斷裂情況，從而得到被測熱障涂層試樣在多場耦合環(huán)境下表面和內(nèi)部斷裂行為的實時演化。
[0073]所述損傷在線監(jiān)測系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PC1-2型聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝有8個可選參數(shù)通道，該通道有16位的A/D轉(zhuǎn)換器，速度為10000個/秒，1ΚΗζ-3ΜΗζ頻率范圍，并具有獨特的波形流數(shù)據(jù)存儲功能，可將聲發(fā)射波形以每秒10兆采樣點的速率連續(xù)不斷地存入數(shù)據(jù)硬盤。該種聲發(fā)射系統(tǒng)，通過與被測熱障涂層試樣連接得到試樣在多場耦合加載環(huán)境下內(nèi)部裂紋的萌生及擴展信息，實現(xiàn)被測材料內(nèi)部損傷的在線監(jiān)測。
[0074]所述同步控制系統(tǒng)通過將表面/截面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)和損傷在線監(jiān)測系統(tǒng)的自身的控制裝置集成，實現(xiàn)三種在線觀測系統(tǒng)的同步運行，得到任意特定加載進程中三種在線監(jiān)測/觀測裝置的同步測試數(shù)據(jù)。
[0075]所述紅外測溫儀采用河南宏博測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HB-DS100型雙色紅外測溫儀，其測溫范圍根據(jù)實驗條件選擇800°C—1600°C和1000°C-2000°C兩個溫度段，單色響應(yīng)波長0.95-1.1，雙色響應(yīng)波長0.85-1.1/0.95-1.1，溫度分辨率為1°C。該類紅外測溫儀共2套，分別置于主體試驗箱的前后，用于測試并反饋試樣表面及背面的實時溫度，調(diào)節(jié)溫度梯度參數(shù)(梯度加熱環(huán)境下)。
[0076]所述補光照明系統(tǒng)采用深圳鴻域光電科技有限公司生產(chǎn)的HY-SG005型80W白光LED聚光燈，用于實驗測試區(qū)域的補光照明。該補光照明裝置共4個，其中2個置于主體試驗箱的正前方，另外2個置于主體試驗箱的側(cè)面，分別對這兩個方位的在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)進行補光照明。
[0077]使用所述實驗系統(tǒng)對試樣進行測試的操作步驟如下(以熱障涂層平板試件在梯度高溫及輻射環(huán)境下的拉伸加載為例):
[0078]步驟一、制備涂層試樣，并將損傷信號探測器403分別安裝到試樣的兩端。開啟金屬箱體101放入被測熱障涂層試樣，并與夾持裝置和冷卻管相連接。關(guān)閉金屬箱體101，確保從石英觀測窗102中能直接觀測到試件的表面及側(cè)面；
[0079]步驟二、連接實驗系統(tǒng)涉及到的各模塊，開啟總電源及各設(shè)備開關(guān)。分別調(diào)節(jié)紅外激光快速加熱設(shè)備301、X射線輻射源302、紅外測溫儀406，補光照明系統(tǒng)407的位置，使之光路恰好能照射到被測試件的表面及側(cè)面；
[0080]步驟三、除補光照明系統(tǒng)外，關(guān)閉步驟二中打開的其他設(shè)備。陸續(xù)開啟2套表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)401、2套原位斷裂行為觀測系統(tǒng)402，調(diào)節(jié)其位置，使被測區(qū)域分別恰好位于試樣的表面及側(cè)面；
[0081]步驟四、打開與真空栗304相連的氣體閥門309并開啟真空栗304，待真空度達到預(yù)定目標后關(guān)閉氣體閥門309，并保持主體試驗箱I內(nèi)的真空；
[0082]步驟五、分別開啟步驟三中關(guān)閉或未開啟的設(shè)備:紅外激光快速加熱設(shè)備301、X射線輻射源302、紅外測溫儀406，損傷信號收集系統(tǒng)404、同步控制系統(tǒng)405和背部的冷卻系統(tǒng)305；
[0083]步驟六、開啟紅外激光快速加熱設(shè)備301后，被測熱障涂層試樣的表面快速升溫，同時，冷卻系統(tǒng)305開始工作。被測熱障涂層試樣的陶瓷涂層表面到高溫合金基底背面形成溫度梯度。此時，觀察2個紅外測溫儀406的示數(shù)，根據(jù)反饋的溫度來調(diào)節(jié)紅外激光快速加熱設(shè)備301的發(fā)射功率和冷卻系統(tǒng)305的氣體流量，以實現(xiàn)預(yù)定的表面和背部溫度。達到預(yù)定的表面和背部溫度(即預(yù)定的溫度梯度)后，保持紅外激光快速加熱設(shè)備301的功率和冷卻系統(tǒng)305的氣體流量不變；
[0084]步驟七、開啟機械加載系統(tǒng)的運行按鈕，與此同時，打開同步控制系統(tǒng)的計時按鈕，從而實現(xiàn)梯度高溫、輻射和機械載荷的同步加載，以及表面/界面實時應(yīng)變、原位斷裂行為觀和損傷信號收集的同步觀測/監(jiān)測。
[0085]本例中不含腐蝕，因為腐蝕環(huán)境和真空環(huán)境不可共存。在進行腐蝕環(huán)境加載的實驗時，關(guān)閉抽真空栗即可，其他步驟與上述實例基本類似。
[0086]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和替換，都應(yīng)當視為屬于由本發(fā)明提交的權(quán)利要求書所確定的專利保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，包括主體試驗箱(I)、機械加載模塊(2)、多場服役環(huán)境模塊(3)、損傷在線監(jiān)測/觀測模塊(4)以及試樣夾持裝置(5);其中， 主體試驗箱(I)包括具有密封腔體的金屬箱體(101)，設(shè)置在金屬箱體(101)側(cè)壁上的石英觀測窗(102)，設(shè)置在石英觀測窗(102)上的一個紅外窗口(103)，以及設(shè)置在石英觀測窗(102)相對的金屬箱體(101)側(cè)壁上的另一個紅外窗口(103); 機械加載模塊(2)包括兩個在垂直方向上同軸心設(shè)置的機械加載軸(201)，每個機械加載軸(201)均能夠與金屬箱體(101)之間相對轉(zhuǎn)動；兩個機械加載軸(201)伸出金屬箱體(101)外的部分分別與萬能試驗機的上下主軸相連，兩個機械加載軸(201)伸入金屬箱體(101)內(nèi)的部分分別與試樣夾持裝置(5)的兩端相連，試樣夾持裝置(5)用于固定被測熱障涂層試樣； 多場服役環(huán)境模塊(3)設(shè)置在主體試驗箱(I)外，包括紅外激光快速加熱設(shè)備(301)，用于對被測熱障涂層試樣的正面進行加熱;X射線輻射設(shè)備(302)，用于對被測熱障涂層試樣的正面進行輻照;冷卻系統(tǒng)(305)，其通過冷卻氣體橡膠導(dǎo)管(306)連接到被測熱障涂層試樣的背部，用于根據(jù)所需測試環(huán)境對被測熱障涂層試樣進行冷卻； 損傷在線監(jiān)測/觀測模塊(4)包括設(shè)置在主體試驗箱(I)外的表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)(401)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)(402)、損傷信號收集系統(tǒng)(404)、同步控制系統(tǒng)(405)和紅外測溫儀(406)，以及設(shè)置在被測熱障涂層試樣上下兩端的損傷信號探測器(403);其中，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)(401)用于捕捉被測熱障涂層試樣表面的應(yīng)變信息，原位斷裂行為觀測系統(tǒng)(402)捕捉被測熱障涂層試樣表面的原位斷裂行為，損傷信號探測器(403)通過導(dǎo)線與損傷信號收集系統(tǒng)(404)相連接，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)(401)、原位斷裂行為觀測系統(tǒng)(402)以及損傷信號收集系統(tǒng)(404)均連接至同步控制系統(tǒng)(405)，用于實現(xiàn)三種無損在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)的同步運行和記錄，紅外測溫儀(406)用于通過紅外窗口(103)對被測熱障涂層試樣的表面及背面溫度的實時監(jiān)測和反饋。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，主體試驗箱(I)還包括若干橡膠密封圈(104)，X射線輻射設(shè)備(302)設(shè)置在石英觀測窗(102)上，若干橡膠密封圈(104)用于增加X射線輻射設(shè)備(302)與石英觀測窗(102)之間的密封性以及冷卻氣體橡膠導(dǎo)管(306)與主體試驗箱(I)側(cè)壁之間的密封性。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，多場服役環(huán)境模塊(3)還包括腐蝕氣體儲存箱(303)，其通過腐蝕氣體金屬導(dǎo)管(307)與金屬箱體(101)相連通，且腐蝕氣體金屬導(dǎo)管(307)上設(shè)置有進/出氣閥門(309)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，多場服役環(huán)境模塊(3)還包括真空栗(304)，其通過真空系統(tǒng)抽氣管(308)與金屬箱體(101)相連通，且真空系統(tǒng)抽氣管(308)上設(shè)置有進/出氣閥門(309)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，損傷在線監(jiān)測/觀測模塊(4)還包括設(shè)置在主體試驗箱(I)外的補光照明系統(tǒng)(407)，用于對被測熱障涂層試樣的表面區(qū)域和側(cè)面區(qū)域進行補光，以便于在線觀測系統(tǒng)的圖像采集。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，試樣夾持裝置(5)包括基體(501)，基體(501)的上下兩端分別與兩個機械加載軸(201)伸入金屬箱體(101)內(nèi)的部分相連，被測熱障涂層試樣固定在基體(501)的中部，其表面為熱障涂層(502)，基體(501)上還開設(shè)有若干冷卻通道孔(503)，冷卻通道孔(503)通過高溫合金管(505)與冷卻氣體橡膠導(dǎo)管(306)相連通。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，基體(501)的上下兩端均開設(shè)有螺栓通孔(503)，且基體(501)的上下兩端通過穿過螺栓通孔(503)的螺栓(507)以及螺母(506)分別與兩個機械加載軸(201)伸入金屬箱體(101)內(nèi)的部分相連。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，紅外激光快速加熱設(shè)備(301)采用日本Crystal公司生產(chǎn)的10K-HR-1型紅外加熱設(shè)備，其最高使用溫度及常規(guī)使用溫度分別為2473K和2073K，升溫速率為lOOK/s; X射線輻射設(shè)備(302)采用功率為200KV、射線管焦點為2.0 X 2.0mm的日本理學(xué)200EG-M2系列工業(yè)X射線輻射設(shè)備； 冷卻系統(tǒng)(305)采用循環(huán)水冷模式，通過控制冷卻水箱上的流量閥來調(diào)節(jié)冷卻水的流速，通過冷水機保持循環(huán)水的低溫狀態(tài)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多場耦合環(huán)境模擬及在線監(jiān)測/觀測系統(tǒng)，其特征在于，表面/界面應(yīng)變實時觀測系統(tǒng)(401)采用德國GOM公司生產(chǎn)的ARAMIS非接觸式光學(xué)三維應(yīng)變測量系統(tǒng)； 原位斷裂行為觀測系統(tǒng)(402)采用圖像采集頻率可達到12，500幀/秒的日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA-X型高速相機，且高速相機鏡頭前安裝濾光片； 損傷信號探測器(403)采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PC1-2型聲發(fā)射系統(tǒng)； 紅外測溫儀(406)采用河南宏博測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HB-DS100型雙色紅外測溫儀，其測溫范圍根據(jù)實驗條件選擇800°C-1600°C和1000°C-2000°C兩個溫度段，單色響應(yīng)波長為0.95-1.I，雙色響應(yīng)波長為0.85-1.1/0.95-1.I，溫度分辨率為1°C。
【文檔編號】G01N3/18GK105973690SQ201610278879
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】王鐵軍, 江鵬, 范學(xué)領(lǐng), 李定駿, 李彪, 呂伯文, 任曉雪, 郭奕蓉
【申請人】西安交通大學(xué)