[發明專利]一種基于鹵素燈共聚焦加熱技術的梯度熱沖擊試驗裝置

有效

• 申請號: 201610279068.7
• 申請日: 2016-04-28
• 公開（公告）號: CN105699235B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 王鐵軍;江鵬;范學領;李定駿;李彪;呂伯文;郭奕蓉;任曉雪
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 閔岳峰

技術領域：

本發明涉及一種基于鹵素燈共聚焦加熱技術的梯度熱沖擊試驗裝置，尤其適用于薄膜基底系統的熱失配性能評價，較傳統的燃氣熱沖擊試驗裝置或熱循環試驗裝置具有經濟、安全、清潔、安靜和高效的優點，屬于力學實驗領域特殊服役環境下的模擬裝置。

背景技術：

在過去的幾十年中，薄膜基底系統的研究已經成為材料科學與工程領域發展中的主題之一，固態薄膜已成功應用于電子、信息、航天航天、醫藥等諸多領域的多種工程系統，并實現了多種功能。例如集成電路中的薄膜器件、柔性微機電系統中的薄膜傳感器、高溫熱端部件表面的隔熱涂層以及摩擦磨損零件表面的耐磨涂層。然而，薄膜基底系統中薄膜材料與基底材料自身材料屬性的不匹配，往往會導致薄膜產生足夠大的內應力，造成薄膜的脫層、斷裂，甚至失效。對于以熱障涂層為代表的高溫隔熱涂層而言，熱失配引起的內應力是導致涂層系統剝離失效的主要原因之一，熱沖擊性能是評價高溫隔熱涂層服役性能的主要實驗手段。

目前，高溫隔熱涂層熱沖擊性能大多通過燃氣熱沖擊試驗裝置或者等溫熱循環試驗裝置完成。燃氣熱沖擊試驗裝置的基本原理是利用高溫火焰噴槍產生高溫高速火焰直接加熱被測試樣，同時利用壓縮空氣對試樣的背面進行冷卻，保持一段時間后停止加熱，繼續利用壓縮空氣使被測試樣降至常溫，完成一次熱沖擊，然后以此循環，實現溫度梯度環境下的熱沖擊測試。然而，以熱障涂層為例，在燃氣加熱1250℃、保溫5min、壓縮空氣強制冷卻至常溫以及表面剝離15％認定為失效的情況下，其熱沖擊壽命往往可達8000次以上，一次完整的實驗往往需要耗費數月，這對實驗操作的可行性及可重復性帶來了巨大困難。總體來說，傳統的熱沖擊性能評價方式存在以下5個方面的問題：

1、燃料的需求量非常大，成本居高不下；

2、以氫-氧焰或氧-乙炔焰為主的燃氣加熱方式存在巨大的安全隱患；

3、燃氣加熱方式易產生有害的污染性氣體，且噪音污染嚴重；

4、耗時太長，效率低下；

5、損傷狀態觀測需要人工長時間實時跟蹤，不便于操作。

等溫熱循環試驗是不同于燃氣熱沖擊試驗的另一種熱沖擊性能評價手段，它的原理是將被測試樣直接放入等溫的高溫環境中，保溫一段時間，然后快速取出，以壓縮空氣進行吹氣冷卻或投入水中進行水淬冷卻。較之于燃氣熱沖擊試驗裝置，等溫熱循環試驗裝置不存在燃料需求大、安全隱患和噪音污染，在采取水淬冷卻的情況下，其效率也大大提高。但是，工作于真實服役環境下的高溫隔熱涂層，由于涂層自身的隔熱作用和氣膜冷卻作用，其外表面溫度往往可達1200℃-1700℃，而涂層與基底接觸的內表面溫度只有800-900℃。這導致300-500μm的隔熱涂層內部沿厚度方向產生了300-900℃的溫度梯度，最新的研究表明，溫度梯度對高溫隔熱涂層的服役性能有著至關重要的影響。然而，等溫熱循環試驗裝置并不能實現考慮溫度梯度的熱沖擊測試。

目前還未見到研制成功既能克服燃氣熱沖擊試驗裝置的諸多缺點又能實現溫度梯度下的熱沖擊測試的試驗裝置。綜上所述，開發一套經濟、安全、清潔、安靜和高效的梯度熱沖擊試驗裝置裝置十分必要。

發明內容：

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于鹵素燈共聚焦加熱技術的梯度熱沖擊試驗裝置。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于鹵素燈共聚焦加熱技術的梯度熱沖擊試驗裝置，包括試驗裝置基座、可滑動旋轉夾持系統、鹵素燈共聚焦加熱系統、冷卻系統、測溫系統、數字圖像采集系統以及集成控制系統；其中，

可滑動旋轉夾持系統、鹵素燈共聚焦加熱系統、測溫系統、數字圖像采集系統以及集成控制系統均安裝在不銹鋼試驗裝置基座上；

可滑動旋轉夾持系統包括移動滑塊導軌、設置在移動滑塊導軌上的滑塊連接軸、固定在滑塊連接軸上且能夠隨其移動的移動滑塊、設置在移動滑塊上的小型電機以及通過水平設置的金屬轉軸與小型電機的輸出軸相連的陶瓷夾持盤，陶瓷夾持盤用來夾持試樣；

鹵素燈共聚焦加熱系統用來對夾持在陶瓷夾持盤上的試樣進行加熱；

冷卻系統用來對夾持在陶瓷夾持盤上的試樣背部進行冷卻；

測溫系統用來對夾持在陶瓷夾持盤上的試樣正面和背面進行測溫，并將測溫結果傳輸給集成控制器；

數字圖像采集系統用來對夾持在陶瓷夾持盤上的試樣表面損傷信息的捕捉，并將圖像數據傳輸給集成控制器的存儲器中。

本發明進一步的改進在于，不銹鋼試驗裝置基座采用不銹鋼金屬架制成。