本發(fā)明涉及機(jī)械工程領(lǐng)域，具體涉及一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

在工程實(shí)際生產(chǎn)過程中，有許多零部件不可避免的處于氧化/還原氣氛及工作在高溫環(huán)境下，并且伴隨有劇烈的溫度變化，由此帶來的零部件熱沖擊/疲勞損失破壞是熱端零部件失效的主要形式。為保障其安全性，需要測試其在不同氣氛環(huán)境下的熱沖擊/疲勞性能，經(jīng)多年技術(shù)發(fā)展，已形成較完善的疲勞性能測試標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置多采用火焰、電感、電阻等傳統(tǒng)加熱方式對試件進(jìn)行加熱，這使得高周熱疲勞的實(shí)現(xiàn)需要付出高昂的時間、資金成本。并且不易實(shí)現(xiàn)真空以及不同氧化還原氣氛環(huán)境下的熱沖擊和熱疲勞性能測試。另一方面，材料的熱疲勞裂紋擴(kuò)展阻力作為評價材料熱疲勞性能好壞的重要指標(biāo)，在工程實(shí)際設(shè)計中具有重要的指導(dǎo)意義，然而，傳統(tǒng)熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置均不能實(shí)現(xiàn)對裂紋擴(kuò)展的實(shí)時監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是傳統(tǒng)熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)周期長、真空及氧化/還原氣氛環(huán)境不易實(shí)現(xiàn)以及裂紋擴(kuò)展不可實(shí)時監(jiān)測的缺點(diǎn)，目的在于提供一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，能夠使實(shí)驗(yàn)周期短，同時能實(shí)現(xiàn)真空及不同氧化/還原氣氛環(huán)境下的性能測試，并且對裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測以研究材料在熱疲勞過程中的裂紋擴(kuò)展性質(zhì)。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括氣氛箱，氣氛箱與真空裝置或持壓泄壓閥相連，所述氣氛箱內(nèi)設(shè)有樣品夾持裝置、激光加熱裝置和冷卻裝置，氣氛箱壁上開設(shè)有高溫透可見光玻璃窗口，高溫透可見光玻璃窗口外設(shè)有裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置；氣氛箱壁上還開設(shè)有高溫透紅外波玻璃窗口，高溫透紅外波玻璃窗口外設(shè)有紅外測溫裝置；所述激光加熱裝置、冷卻裝置、裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置、紅外測溫裝置均與控制裝置相連。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，采用激光加熱裝置替代傳統(tǒng)的火焰、電感、電阻等加熱方式，利用了激光能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，可以對待測樣品進(jìn)行快速的加熱，縮短了試驗(yàn)周期；通過在氣氛箱內(nèi)進(jìn)行熱沖擊/疲勞試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)在真空或者不同氧化/還原氣氛環(huán)境下的樣品的測試，對于傳統(tǒng)熱沖擊/疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，像使用火焰作為加熱方式的實(shí)驗(yàn)裝置不能實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下的試驗(yàn)；對于某些在真空環(huán)境下服役的零部件，若在空氣條件下進(jìn)行試驗(yàn)，樣品易在高溫下發(fā)生氧化等反應(yīng)，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)；此外，在化學(xué)工業(yè)、能源動力等領(lǐng)域有不少零部件不僅需要耐受高溫還需經(jīng)歷周圍不同性質(zhì)氣氛環(huán)境的腐蝕，這些條件在傳統(tǒng)熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置中都是極難實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明將激光加熱裝置和氣氛裝置相結(jié)合，不僅能夠加快試驗(yàn)周期，同時還能提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還能模擬真空或者不同氧化/還原氣氛環(huán)境下材料的熱沖擊、疲勞過程；氣氛箱壁上開設(shè)有高溫透可見光玻璃窗口，高溫透可見光玻璃窗口外設(shè)有裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置，能為熱疲勞試驗(yàn)提供裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測條件；紅外測溫裝置通過高溫透紅外波玻璃窗口能夠?qū)Υ郎y樣品表面的溫度進(jìn)行探測，控制裝置接收到溫度信息后，能夠控制激光加熱裝置與冷卻裝置的工作?？稍谕谎b置上實(shí)現(xiàn)熱沖擊與熱疲勞，利用真空系統(tǒng)和持壓泄壓閥，可實(shí)現(xiàn)真空條件和不同氣氛環(huán)境下的熱沖擊/疲勞試驗(yàn)，具有可控性好，自動化程度高，低能耗，實(shí)驗(yàn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

所述激光加熱裝置包括激光器和光束整形裝置，所述激光器與控制裝置相連，激光器的開啟和關(guān)閉由控制裝置控制，激光器輸出的激光首先經(jīng)過由一組透鏡組成的光束整形裝置調(diào)整光束直徑以滿足試驗(yàn)樣品尺寸要求，最終垂直照射于樣品表面，對測試樣品進(jìn)行加熱，對于傳統(tǒng)的加熱方式，不能調(diào)節(jié)受熱面積的大小，如采用火焰加熱，若是測試樣品較小，雖然可通過將火焰調(diào)小，但是此時加熱效率就會大大的降低，而激光加熱裝置，通過光束整形裝置調(diào)整光束直徑可以控制加熱區(qū)域的面積大小，同時不會影響激光的加熱功率，這樣本裝置不僅能夠?qū)φ麄€樣品進(jìn)行快速加熱，還能實(shí)現(xiàn)對某塊區(qū)域甚至是某個點(diǎn)進(jìn)行局部加熱進(jìn)行試驗(yàn)；并且采用激光加熱，激光聚熱性好，同時還能限制激光范圍，不易對其他的裝置造成高溫?fù)p壞，增強(qiáng)了裝置的使用壽命。

所述冷卻裝置包括冷卻管和流量控制閥，流量控制閥與控制裝置相連，可通過向冷卻管中通入不同性質(zhì)的氣體介質(zhì)對加熱結(jié)束后的測試樣品進(jìn)行冷卻，流量控制閥可實(shí)現(xiàn)對冷卻介質(zhì)流量大小的精確控制。此外，不同性質(zhì)的氣體可為本裝置提供不同條件(氧化/還原)的氣氛環(huán)境。

所述裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置包括光學(xué)顯微鏡和圖像采集裝置，光學(xué)顯微鏡透過高溫透可見光玻璃窗口可以對熱疲勞試驗(yàn)過程中樣品表面裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行監(jiān)測，并通過圖像采集裝置對其進(jìn)行收集。

所述真空裝置包括真空泵和設(shè)置在氣氛箱壁上的真空閥門，在需要真空環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)時，只需打開真空閥門啟動真空泵就行。

此外，整個真空系統(tǒng)可方便拆卸更換為持壓泄壓閥，當(dāng)需要?dú)夥?氧化/還原)環(huán)境熱沖擊/疲勞試驗(yàn)條件時，通過將真空裝置更換為可調(diào)持壓泄壓閥并在冷卻系統(tǒng)中通以和氣氛內(nèi)相同的冷卻氣體來實(shí)現(xiàn)。

氣氛箱內(nèi)壁和樣品夾持裝置表面噴涂有氧化鋯陶瓷涂層，防止氣氛箱和樣品夾持裝置在高溫試驗(yàn)過程中發(fā)生腐蝕氧化。

所述激光器為CO₂氣體激光器，有比較大的功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率。

所述樣品夾持裝置、激光加熱裝置與氣氛箱的內(nèi)壁之間采用螺栓連接，方便維修與置換。

氣氛箱采用不銹鋼，使得試驗(yàn)設(shè)備壽命長，安全性能高。

所述控制裝置包括PC機(jī)，NI/AO卡，NI/TC卡和NI卡槽，所述NI/AO卡與激光加熱裝置相連，NI/TC卡與紅外測溫裝置相連，對于熱沖擊試驗(yàn)來說，可以設(shè)定沖擊溫度和冷卻介質(zhì)流量，對于熱疲勞試驗(yàn)，可以設(shè)定循環(huán)次數(shù)、加熱時間、冷卻介質(zhì)流量、冷卻時間和熱疲勞上/下限溫度，PC機(jī)上可以實(shí)時顯示待測樣品的表面溫度以及表面熱疲勞裂紋擴(kuò)展過程的情況。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，采用激光加熱裝置替代傳統(tǒng)的火焰、電感、電阻等加熱方式，利用了激光能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，可以對待測樣品進(jìn)行快速的加熱，縮短了試驗(yàn)周期，為高周熱疲勞實(shí)驗(yàn)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)平臺，通過光束整形裝置調(diào)整光束直徑可以調(diào)節(jié)激光的加熱區(qū)域面積大小，同時不會影響激光的加熱功率，這樣本裝置不僅能夠?qū)φ麄€樣品進(jìn)行快速加熱，還能實(shí)現(xiàn)對某塊區(qū)域甚至是某個點(diǎn)進(jìn)行局部加熱進(jìn)行試驗(yàn)；并且采用激光加熱，激光聚熱性好，同時還能限制激光范圍，不易對其他的裝置造成高溫?fù)p壞，增強(qiáng)了裝置的使用壽命；

2、本發(fā)明一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，在氣氛箱內(nèi)進(jìn)行熱沖擊/疲勞試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)在不同氣氛(氧化/還原)或者真空環(huán)境下的樣品的測試，從而盡可能真實(shí)的模擬了待測樣品的實(shí)際服役環(huán)境，提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

3、本發(fā)明一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，氣氛箱壁上開設(shè)有高溫透可見光玻璃窗口，高溫透可見光玻璃窗口外設(shè)有裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置，這樣能為熱疲勞試驗(yàn)提供裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測條件。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明工作流程圖。

附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：

1-氣氛箱，2-樣品夾持裝置，3-激光加熱裝置，4-高溫透可見光玻璃窗口，5-高溫透紅外玻璃窗口，6-紅外測溫裝置，7-控制裝置，8-激光器，9-光束整形裝置，10-冷卻管，11-流量控制閥門，12-光學(xué)顯微鏡，13-圖像采集器，14-真空閥門，15-真空泵。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實(shí)施例

如圖1所示，本發(fā)明一種氣氛激光加熱原位熱沖擊/疲勞試驗(yàn)裝置，包括氣氛箱1，氣氛箱與真空裝置或持壓泄壓閥相連，所述真空裝置包括真空泵15和設(shè)置在氣氛箱壁上的真空閥門14，所述氣氛箱內(nèi)底部設(shè)有樣品夾持裝置2，在氣氛箱頂部內(nèi)壁設(shè)有激光加熱裝置3，激光加熱裝置包括激光器8和設(shè)置在激光器下方的光束整形裝置9，氣氛箱側(cè)面和底面適當(dāng)位置均開有直徑為60mm圓孔，并分別鑲嵌有高溫透紅外玻璃窗口5和高溫透可見光玻璃窗口4，將光學(xué)顯微鏡12和圖像采集器13放置在高溫透可見光玻璃窗口下方，使光學(xué)顯微鏡的鏡頭正對著待測樣品的下表面，將紅外測溫裝置6設(shè)在高溫透紅外玻璃窗口外，使其位于待測樣品的斜上方；氣氛箱內(nèi)側(cè)壁上還設(shè)有冷卻管10，冷卻管一端連接有流量控制閥門11，另一端對準(zhǔn)樣品表面，激光加熱裝置、冷卻裝置、裂紋擴(kuò)展實(shí)時監(jiān)測裝置、紅外測溫裝置均與控制裝置7相連，控制裝置7連接在氣氛箱的上方。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置，氣氛箱的上蓋可打開，方便試驗(yàn)時放置待測樣品，將待測樣品通過樣品夾持裝置固定在氣氛箱的底部后，激光器輸出的激光在經(jīng)過光束整形裝置后垂直照射于樣品表面從而對樣品進(jìn)行加熱，對于不同的樣品可以根據(jù)樣品尺寸大小利用光束整形裝置對照射于樣品表面激光束直徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使整個樣品表面都進(jìn)行加熱；紅外測溫裝置為一高分辨率紅外熱像儀，紅外熱像儀將探測到的樣品溫度數(shù)據(jù)傳輸顯示在PC機(jī)，并傳輸給NI/TC卡，NI/AO卡可以控制激光器與流量控制閥門，從而實(shí)現(xiàn)對樣品的加熱與冷卻；若需要在真空環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，則打開真空閥門啟動真空泵以氣氛箱內(nèi)保持真空環(huán)境；類似的氧化/還原氣氛的實(shí)現(xiàn)需要將真空系統(tǒng)更換為可調(diào)式持壓泄壓閥，調(diào)節(jié)持壓泄壓閥可以在氣氛箱內(nèi)保持穩(wěn)定的氣氛(氧化/還原)壓力，并在冷卻裝置中通以一樣的氣體作為冷卻介質(zhì)。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明在試驗(yàn)時具有時間控制和溫度控制兩種模式，其控制流程如圖2所示。時間控制模式，通過控制裝置設(shè)定加熱時間和冷卻時間，在每一個熱疲勞循環(huán)過程中當(dāng)加熱時間達(dá)到設(shè)定值后，激光器停止工作，可調(diào)流量控制閥門打開對測試樣品進(jìn)行冷卻；溫度控制模式，通過控制裝置設(shè)定加熱溫度和冷卻時間，在每一個熱疲勞循環(huán)過程中當(dāng)紅外測溫裝置測到的溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，激光器停止工作，流量控制閥門打開對待測樣品進(jìn)行冷卻。

試驗(yàn)開始前選擇激光器輸出功率以控制升溫速率，設(shè)置冷卻介質(zhì)流量以及循環(huán)周次，設(shè)定熱疲勞上限溫度和下限溫度，當(dāng)紅外測溫裝置監(jiān)測到樣品表面溫度超過設(shè)定的熱疲勞上限溫度時，控制系統(tǒng)將自動關(guān)閉激光器同時打開流量控制閥對樣品進(jìn)行冷卻，當(dāng)紅外測溫裝置監(jiān)測到樣品表面溫度低于設(shè)定的熱疲勞下限溫度時，控制系統(tǒng)將自動關(guān)閉流量控制閥同時打開激光器對樣品進(jìn)行加熱。如此不斷的循環(huán)往復(fù)，直至到達(dá)設(shè)定的循環(huán)周次。整個試驗(yàn)過程均是在PC機(jī)的自動控制下完成，可實(shí)現(xiàn)對熱疲勞循環(huán)次數(shù)、熱疲勞上下限溫度、加熱時間、冷卻時間、冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，還將對裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行視頻錄像。

優(yōu)選的，氣氛箱內(nèi)壁和樣品夾持裝置表面噴涂有氧化鋯陶瓷涂層，防止氣氛箱和樣品夾持裝置在高溫試驗(yàn)過程中發(fā)生腐蝕氧化。

優(yōu)選的，所述激光器為CO₂氣體激光器，有比較大的功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率。

優(yōu)選的，所述樣品夾持裝置、激光加熱裝置與氣氛箱的內(nèi)壁之間采用螺栓連接，方便維修與置換。

氣氛箱采用不銹鋼，使得試驗(yàn)設(shè)備壽命長，安全性能高。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。