[發明專利]一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置

在審

• 申請號: 202110771659.7
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113552013A
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 虞鋼;邊艷華;李少霞;何秀麗;田崇鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/06;G01N3/04
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 焦海峰

本發明屬于零件測試設備技術領域，針對通用的疲勞性能測試設備在進行金屬增材制造零件疲勞實驗時存在一定的局限性，公開一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置，通過恒定機械載荷加載裝置和周期機械載荷加載裝置分別對被測件進行水平方向的恒定力加載、扭轉載荷加載和垂直方向的周期載荷加載；通過激光加熱系統對被測件的表面進行溫度載荷加載，通過疲勞裂紋監測裝置在線觀測疲勞裂紋數量和裂紋長度；通過控制系統對溫度信號處理并用于調節激光加熱系統的工作模式和冷卻系統的工作模式。本發明能夠實現增材制造零件的熱疲勞、機械疲勞、熱?機疲勞、高溫機械疲勞實驗，滿足金屬增材制造零件各向異性的特性對外力載荷和溫度載荷加載方向的要求。

技術領域

本發明屬于零件測試設備技術領域，具體涉及一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置。

背景技術

金屬增材制造是利用金屬粉末或金屬線材成形三維零件的一種加工方式，它結合了數控、光學以及材料科學等各項技術，包括激光選區熔化技術、電子束選區熔化技術、電熔增材制造技術和絲材電弧增材制造技術，能夠減少后續切削加工過程，且成形效率較高，人力勞動量少，研發周期短。金屬材料增材制造零件廣泛用于航空航天、汽車、生物醫療等領域，但在應用過程中大多作為實驗樣機的臨時零件或暫時替代性零件，金屬增材制造零件距離成為裝備核心零件還有一定的差距，主要原因是金屬材料增材制造的過程中會產生很大的內應力，同時存在會存在內部孔洞和裂紋、球化等缺陷。這些缺陷必然會影響金屬增材制造零件在各個領域的應用，尤其是成為終端產品的可能性。當零件長期處于載荷下時，疲勞是工程中最常見的一種零件破壞方式，金屬材料在交變載荷的作用下，經過長期運轉后發生的失效，稱為疲勞破壞。據統計，失效零件中，90％以上是疲勞破壞。所以對金屬增材制造零件的疲勞性能進行測試，并使得測試環境盡量滿足零件真實應用場合的環境是非常重要的。根據金屬增材制造零件的服役載荷環境，其疲勞形式包括熱疲勞、機械疲勞、熱-機械、高溫機械疲勞等多種形式，對于增材制造零件生產商來說，沒有一種測試設備可以滿足所有疲勞形式的測試。而且增材制造零件不同于傳統加工方式的一個主要區別在于，增材制造零件在垂直構建方向和平行構建方向存在很強的各向異性，在金屬增材制造零件在疲勞性能實驗中載荷的施加存在方向性。然而在現有的熱疲勞實驗裝置上，很難實現實驗過程中準確的溫度場分布；而在現有的機械疲勞實驗裝置上，很難實現多種載荷形式的方向性加載；更嚴重的缺陷表現在溫度載荷和機械載荷的協調控制性差導致實驗周期長、實驗耗資大。因此，研發一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置就顯得尤為重要。

發明內容

針對現有技術中通用的疲勞性能測試設備在測試金屬增材制造零件的疲勞性能存在一定的局限性，本發明的目的在于提供一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置，本發明中被測的增材樣件在經歷熱循環溫度載荷的同時受到機械載荷的作用，能在特定的載荷方向上產生定向擴展裂紋，能夠滿足增材制造零件的熱疲勞、機械疲勞、熱-機疲勞、高溫機械疲勞的測試，滿足被測件各向異性的特性對外力載荷和溫度載荷加載方向的要求，具有重要的科學意義及工程價值。

本發明采取的技術方案為：

一種針對金屬增材制造零件疲勞實驗裝置，包括被測件夾持裝置、激光加熱系統、疲勞狀態監測裝置、測溫系統、冷卻系統和控制系統；

所述被測件夾持裝置包括恒定機械載荷加載裝置和周期機械載荷加載裝置，通過恒定機械載荷加載裝置對被測件進行水平方向的恒定力加載、扭轉載荷加載，通過周期機械載荷加載裝置對被測件進行垂直方向的周期載荷加載；

通過激光加熱系統對被測件的表面施加溫度載荷，所述激光加熱系統設置有激光器和折返鏡，激光器安裝在激光器固定架上，激光器發射激光通過折返鏡折射在被測件上；

所述疲勞裂紋監測裝置包括CCD和高速攝影，通過疲勞裂紋監測裝置在線觀測，實現裂紋數量和裂紋長度的識別；

測溫系統包括接觸式的熱電偶和非接觸式的熱成像、紅外測溫儀，通過控制系統對兩種溫度信號處理，從而調節激光加熱系統的工作模式和冷卻系統的工作模式。