[發明專利]用于測量材料高溫壓縮性能的外輔熱裝置及測試裝置

有效

• 申請號: 201710332245.8
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107014699B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 許慶彥;許自霖;鐘江偉;蘇香林;邵珩
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/02
• 代理公司: 11201 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 趙天月<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明提出了用于測量材料高溫壓縮性能的外輔熱裝置及測試裝置。該外輔熱裝置包括：加熱部件，設置在高溫合金壓頭和待測樣品的外側；絕緣部件，設置在加熱部件與高溫合金壓頭之間；增強部件，設置在加熱部件的外表面的至少一部分；以及保溫部件，設置在所述增強部件的外表面；其中，加熱部件由碳化硅或二硅化鉬形成的。本發明所提出的外輔熱裝置，其加熱溫度最高可達到1600℃，從而可使設置在其內部的待測樣品快速升至特定的高溫，且保溫效果良好，有利于檢測出待測樣品在1000～1600℃溫度下的應力?應變、彈性模量等高溫力學性能，進而反映出待測樣品在受力方向上的實際高溫力學性能。

技術領域

本發明涉及航空領域材料高溫力學測試技術領域，具體的，本發明涉及用于測量材料高溫壓縮性能的外輔熱裝置及測試裝置。

背景技術

航空發動機被譽為高端制造業領域“皇冠上的明珠”，也是一直制約我國航空事業發展的重要因素。高溫合金單晶葉片是航空發動機的重要部件，目前，生產高溫合金單晶葉片主要使用定向凝固法。在高溫合金單晶渦輪葉片的定向凝固過程中，由于葉片的結構非常復雜，不同部位散熱速度不一樣，造成葉片中的溫度分布不均，會在葉片中產生熱應力和熱變形，甚至會發生熱裂。當葉片最終冷卻后，還會有殘余應力、殘余變形、甚至會伴隨冷裂紋的發生。

具體的，能影響高溫合金葉片的熱應力和熱變形的因素，除了葉片本身是結構復雜的薄壁件外，一個重要的原因就是在定向凝固過程中所使用的型殼和型芯的高溫力學性能。定向凝固過程中所使用的型殼和型芯是一種多孔隙的結構陶瓷，型殼是通過蠟膜面層涂掛、撒沙、干燥，背層經過多次反復的涂掛、撒沙、干燥，脫蠟然后燒焙形成；型芯是由基體粉末與粘結劑混合，使用熱壓注機壓制并燒結而成。實際上，在高溫作用下，陶瓷型殼、型芯會表現出復雜的力學行為。高溫合金葉片在定向凝固和以后的冷卻過程中，發生線收縮，固態相變引起體積膨脹或收縮，由于陶瓷型殼、型芯的相互制約而不能自由地進行，于是在產生變形的同時還產生應力，這是造成型殼開裂、型芯斷裂、葉片出現裂紋的重要原因之一，同時，單晶葉片出現再結晶也與其存在應力密切相關。

現階段，國內的主要航空葉片生產單位所使用的定向凝固型殼、型芯還是參考熔模鑄造設計，并且根據以往生產經驗進行粉料、砂料、漿料、粘結劑的調配，而對于其在高溫下應力-應變、彈性模量等力學性能基本未有關注，從而難以設計適用于定向凝固高溫合金單晶葉片的陶瓷型殼、型芯，優化高溫合金單晶葉片、陶瓷型殼、陶瓷型芯應力水平和形變。型殼、型芯在高溫下力學性能的測量存在以下幾個方面的難點：

(1)高溫測量

一般常溫下，測量材料楊氏彈性模量的方法有用三點彎曲法、拉伸法、壓縮法、動態共振法、表面布里淵散射法、以及激光云紋干涉法等。而對于1000℃以上高溫環境下的力學性能測量，由于測量儀器的局限性，目前主要使用三點彎曲法、拉伸法、壓縮法，測量材料都主要集中在金屬材料。對于定向凝固高溫合金單晶葉片其澆注溫度一般在1300℃～1600℃，因此研究特別關注陶瓷型殼、型芯常溫25℃～1400℃的應力-應變關系、彈性模量等高溫力學性能，特別是在1300℃左右的高溫力學性能，但如何獲得高溫環境并結合現有儀器測量是一個難點。

(2)制樣制備及加工

高溫拉伸法：高溫拉伸法測量金屬高溫力學性能，主要試樣有啞鈴狀棒件和板件兩種形式，啞鈴狀棒件如圖1所示。而金屬由于其具有可加工性，可加工到特定尺寸，但是定向凝固高溫合金單晶葉片陶瓷型殼、型芯是脆性材料，硬度高，用一般加工方式難以加工，且更難加工至特定尺寸；即便能加工到接近尺寸，但是由于加工過程引入的裂紋，會在拉伸過程中過早擴展斷裂，無法準確測定高溫應力-應變；而且卡具裝載試樣兩端時會產生極大的應力集中，在拉伸過程中往往會在卡具處斷裂。