[發(fā)明專利]一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統(tǒng)及方法

無效

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• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103926163A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 王波;胡德志;嚴輝;王如志;張銘;宋雪梅;侯育冬;朱滿康;劉晶冰;汪浩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料測試儀器領(lǐng)域，涉及一種利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統(tǒng)及方法，該發(fā)明適用于測試核聚變內(nèi)壁表面、發(fā)動機內(nèi)壁表面等服役過程中經(jīng)受循環(huán)溫度變化的表面熱疲勞性能。

背景技術(shù)

在核聚變裝置中，內(nèi)壁的面對等離子體材料表面不僅要經(jīng)受高熱沖擊、高劑量輻照，而且還存在著持續(xù)的溫度波動，使壁表面產(chǎn)生熱疲勞效應，即產(chǎn)生表面熱疲勞裂紋。在發(fā)動機內(nèi)壁，同樣存在著熱疲勞現(xiàn)象。表面熱疲勞裂紋的產(chǎn)生嚴重影響著材料的服役狀況，縮短材料的使用壽命。研究材料表面的熱疲勞行為并提高其熱疲勞性能是相關(guān)應用領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

對材料表面的熱疲勞性能進行測試分析是此類研究的基本條件。目前人們已經(jīng)采用的熱疲勞測試方法主要是采用能量束加熱然后用水冷間接傳熱降溫的方式，即利用激光束、電子束以及離子束等方式對樣品表面進行加熱，然后利用水冷臺對樣品冷卻。這些方法存在問題是不同材料對能量束的反射變化很大，例如鉬表面對激光反射率很大，其加熱效果受到很大限制，并且溫度可控性較差；另外，用水冷臺對樣品降溫的速度也受到限制，因為熱量是從樣品背面?zhèn)髯撸⑶覀鳠嵬緩街羞€有一個界面障礙；同時，每次樣品與水冷臺的界面接觸情況很難一致，因此每次試驗的冷卻速度的一致性很難保證，可比性較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統(tǒng)及方法。這種方法不僅可以提高試驗過程中的溫度控制精度，而且可提高材料表面的冷卻速度，增大表層溫度梯度，從而可減少熱疲勞試驗中的熱循環(huán)次數(shù)。同時，這種測試系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上相對簡單，成本上也大大低于激光束、電子束等方式的系統(tǒng)成本。

一種感應加熱氣冷方式的熱疲勞測試系統(tǒng)，其特征在于：

系統(tǒng)包括樣品臺，感應加熱裝置，吹氣冷卻裝置以及紅外測溫裝置；樣品放置于樣品臺上，感應加熱裝置的感應圈套在樣品臺和樣品外面；樣品表面正對著安放一個紅外測溫裝置，樣品表面還要安裝吹氣冷卻裝置；上述這些組件全都置于真空室的內(nèi)部。

應用所述系統(tǒng)進行材料表面熱疲勞試驗的方法，其特征在于步驟如下：

將熱疲勞測試樣品放置在樣品臺上，然后通過紅外測溫儀監(jiān)測樣品表面的溫度，利用感應加熱裝置對樣品進行加熱升溫，使樣品表面溫度達到預設高溫值；

停止感應加熱，同時通過吹氣冷卻裝置向樣品表面吹噴惰性氣體，使樣品表面冷卻至預設低溫值；

重復上述加熱和冷卻步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫間反復變溫，使表面發(fā)生熱疲勞效應。

為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是將樣品放置于樣品臺上，通過紅外測溫裝置精確監(jiān)測樣品表面溫度，利用高頻或中頻感應加熱樣品，利用惰性氣體吹樣品表面，實現(xiàn)樣品表面的快速加熱和冷卻。這樣不僅可以實現(xiàn)高溫和低溫的溫度精確控制，而且可以達到很高的溫度梯度的循環(huán)變化。

本發(fā)明的原理在于：樣品的試驗表面利用感應加熱結(jié)合紅外測溫，可以精確控制樣品的表面溫度并且加熱迅速；利用惰性氣體直接吹樣品表面，可以實現(xiàn)迅速降溫。

相比與目前已有的能量束加熱、水冷臺冷卻樣品的熱疲勞系統(tǒng)及方法，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

（1）利用惰性氣體直接吹樣品表面，可以實現(xiàn)迅速降溫；樣品采用感應加熱，升溫迅速。這樣獲得的溫度梯度大，減少熱疲勞試驗中發(fā)生疲勞效應所需的熱循環(huán)次數(shù)，縮短試驗時間。

（2）感應加熱和紅外測溫結(jié)合起來，獲得的測試數(shù)據(jù)更加精準。

附圖說明

圖1是材料表面熱疲勞試驗系統(tǒng)的示意圖；

圖中：1.真空室；2.氣體噴嘴；3.紅外測溫探頭；4.感應圈；5.樣品；6.樣品臺。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明采用的表面熱疲勞測試系統(tǒng)及試驗步驟進一步說明。

利用感應加熱和氣體冷卻的方式進行材料表面熱疲勞性能測試的系統(tǒng)及方法，如圖1所示，所述的熱疲勞試驗系統(tǒng)是由真空室1、氣體噴嘴2、紅外測溫探頭3、感應圈4、樣品5、樣品臺6組成。樣品5放置于樣品臺6上，感應圈4套在樣品臺6和樣品5外面。樣品5表面正對著安放一個紅外探頭3，用于監(jiān)控樣品5的表面溫度。樣品表面還要安裝一個氣體噴嘴2，可以噴出惰性氣體，用于吹噴樣品5的表面，使樣品表面快速降溫。上述這些組件全都置于真空室1的內(nèi)部，真空室1應可以通過常規(guī)充氣方法向氣體噴嘴2充入氣體。其中氣體噴嘴2的制作材料須是絕緣并且耐高溫的材料，如石英、陶瓷等。