2500℃超高溫真空(氣氛)環(huán)境材料力學(xué)性能試驗(yàn)裝置研發(fā)

盧 波，姚丙南，馬雙偉，王 慧，賈淏然，楊 彬，任 霞，孫松野

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

近年來，隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高沖質(zhì)比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及核聚變反應(yīng)堆、高性能汽車材料、軌道交通的快速發(fā)展，對材料力學(xué)性能測試溫度的要求更高，模擬試驗(yàn)環(huán)境的要求更具多樣性(真空、保護(hù)氣體、氧含量、腐蝕介質(zhì)等)[1，2]。目前，國內(nèi)罕有試驗(yàn)溫度達(dá)到2500℃的真空(氣氛)環(huán)境材料力學(xué)性能試驗(yàn)裝置，而國外產(chǎn)品由于受到技術(shù)和軍事壟斷一直受限進(jìn)口，使我國航空航天、核工業(yè)等國防與民用領(lǐng)域的需求受到極大的制約[3]?；诖耍袡C(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司研發(fā)了2500℃超高溫真空(氣氛)環(huán)境材料力學(xué)性能試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置可為我國航空航天、核工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域評價(jià)金屬材料及復(fù)合材料在不同溫度(1200℃～2500℃)、真空環(huán)境或充氣環(huán)境下的力學(xué)性能提供有力技術(shù)支撐，為新材料的應(yīng)用提供全面的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可有效地提高我國國防軍工等領(lǐng)域產(chǎn)品整體技術(shù)水平，確保其安全可靠，意義十分重大。

2 試驗(yàn)裝置的主要功能和技術(shù)參數(shù)

該試驗(yàn)裝置的主要功能如下：(1)常規(guī)狀態(tài)下材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能試驗(yàn)；(2)為上述試驗(yàn)提供2500℃的超高溫和真空(氣氛)試驗(yàn)環(huán)境；(3)真空(氣氛)環(huán)境下的力-熱耦合加載試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)

3 功能原理設(shè)計(jì)與技術(shù)路線

3.1 試驗(yàn)裝置的功能原理設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)裝置除具備傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的拉伸、壓縮、彎曲、剪切載荷加載測試功能外，還能實(shí)現(xiàn)真空(氣氛)環(huán)境下的力-熱耦合加載測試功能，結(jié)合引伸應(yīng)變測量裝置與全場應(yīng)變監(jiān)測組件實(shí)現(xiàn)對載荷作用下被測試樣變形損傷和斷裂行為的試驗(yàn)測試。其功能原理設(shè)計(jì)采用模塊化思想，其載荷形式主要包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、高溫載荷以及上述載荷模式的力-熱耦合加載。

3.2 試驗(yàn)裝置研制的技術(shù)路線

從實(shí)現(xiàn)超高溫極端環(huán)境下的力-熱耦合、靜態(tài)機(jī)械載荷下材料力學(xué)性能的原理方法出發(fā)，采用功能導(dǎo)向與模塊化設(shè)計(jì)思路，綜合運(yùn)用理論分析、仿真研究和試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法，開展儀器多因素耦合的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，其總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

4 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成與變形測量方法

4.1 試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)裝置主要由靜態(tài)機(jī)械載荷加載系統(tǒng)(試驗(yàn)主機(jī))、真空(氣氛)環(huán)境箱、發(fā)熱體組件、夾具與變形測量組件、抽真空充氣組件和循環(huán)水冷系統(tǒng)等部分組成。其中，靜態(tài)機(jī)械載荷加載系統(tǒng)作為機(jī)械系統(tǒng)的支撐基礎(chǔ)，其臺面可用來為真空(氣氛)環(huán)境箱提供牢固支撐與精確定位；真空(氣氛)環(huán)境箱和抽真空充氣組件配合使用來保障試驗(yàn)時(shí)所需要的真空環(huán)境和保護(hù)氣體環(huán)境；發(fā)熱體組件是力學(xué)試驗(yàn)所處超高溫試驗(yàn)環(huán)境的熱源；夾具與變形測量組件可實(shí)現(xiàn)拉伸、壓縮、彎曲、剪切載荷作用下被測試樣變形損傷和斷裂行為的試驗(yàn)測試；循環(huán)水冷系統(tǒng)為試驗(yàn)裝置各部分提供循環(huán)冷卻水以保證相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)在2500℃超高溫條件下正常工作。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 2500℃超高溫真空(氣氛)環(huán)境材料力學(xué)性能試驗(yàn)裝置

4.2 靜態(tài)機(jī)械載荷加載系統(tǒng)

靜態(tài)機(jī)械載荷加載系統(tǒng)由主機(jī)框架、加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測力傳感器和控制系統(tǒng)等部分組成。主機(jī)框架采用四立柱門形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固可靠，具有良好的靜態(tài)品質(zhì)，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)、減速器、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，最大加載力為50kN。測力傳感器采用CLY20型號負(fù)荷傳感器，采用4線制端口，精度等級為0.5級，可實(shí)現(xiàn)拉壓雙向的負(fù)荷測量。控制系統(tǒng)采用TMC1010型靜態(tài)控制器，標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)據(jù)采集頻率70Hz，可實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)(位移、負(fù)荷、變形)控制，且不同控制方式間可任意平滑切換。

圖3 主機(jī)框架結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 真空(氣氛)環(huán)境箱與抽真空充氣組件

真空(氣氛)環(huán)境箱是發(fā)熱體和夾具及變形測量引伸計(jì)工作使用的外部容器，其外形為臥式圓筒形狀，采用奧氏體不銹鋼焊接制造。真空(氣氛)環(huán)境箱由大小不同兩個(gè)真空/氛圍室組成，試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)氣氛相同。大、小真空/氛圍室全部為雙層水冷結(jié)構(gòu)并設(shè)有觀察窗，上下均設(shè)置力學(xué)加載口，加載口端部通過焊接波紋管與力學(xué)加載裝置接口配合，實(shí)現(xiàn)加載過程中的動(dòng)密封，保證試驗(yàn)過程中的真空(氣氛)環(huán)境構(gòu)建。其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.力學(xué)加載口 2.大真空/氛圍室 3.真空壓力傳感器 4.高真空閥組件 5.觀察窗 6.小真空/氛圍室 7.力學(xué)加載口圖4 真空(氣氛)環(huán)境箱結(jié)構(gòu)示意圖

真空(氣氛)環(huán)境箱與抽真空充氣組件連接。試驗(yàn)時(shí)，由分子泵對真空(氣氛)環(huán)境箱進(jìn)行抽真空以達(dá)到試驗(yàn)要求的真空度。當(dāng)進(jìn)行氣氛環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，由真空壓力傳感器、高真空閥組件配合使用來檢測并控制環(huán)境箱內(nèi)的氣氛壓力水平。

4.4 發(fā)熱體組件與溫控系統(tǒng)

發(fā)熱體組件由發(fā)熱體和熱防護(hù)裝置組成。發(fā)熱體采用半圓管狀的石墨材料，為對開式結(jié)構(gòu)，通過控制加熱功率合理調(diào)控發(fā)熱體的表面溫度。發(fā)熱體外圍為熱防護(hù)裝置，同樣采用對開式結(jié)構(gòu)，由石墨隔熱屏、水冷爐壁和托架組成。石墨隔熱屏固定在水冷爐壁上，托架和水冷爐壁為整體結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一通入冷卻水。發(fā)熱體通過伸到環(huán)境箱外部的電極桿和水冷電纜接到大功率電源上。當(dāng)環(huán)境箱的箱門閉合后，發(fā)熱體組件隨之形成閉合整體。發(fā)熱體組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.電極 2.石墨隔熱屏 3.水冷爐壁 4.托架圖5 發(fā)熱體組件結(jié)構(gòu)示意圖

溫度加載控制采用AI智能溫控表，其具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能，通過移相觸發(fā)的方式控制可控硅的導(dǎo)通幅度，進(jìn)而控制變壓器的輸出功率，最終控制發(fā)熱體發(fā)熱功率，達(dá)到調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度的目的。其控制原理如圖6所示。

圖6 溫度加載控制原理圖

4.5 變形測量機(jī)構(gòu)與測量方法

常規(guī)高溫環(huán)境下材料靜態(tài)力學(xué)性能測試中的應(yīng)變測量通常采用引伸測量裝置，根據(jù)試驗(yàn)類型可采用耐高溫引伸桿與耐高溫差動(dòng)變壓器配合使的用方式或是耐高溫側(cè)插引伸計(jì)方式。近年來，隨著非接觸式應(yīng)變測量技術(shù)的逐漸成熟，三維數(shù)字散斑、高景深3D顯微成像也開始應(yīng)用于高溫應(yīng)變測量領(lǐng)域。

本試驗(yàn)裝置的最高試驗(yàn)溫度2500℃屬于超高溫狀態(tài)，引伸裝置里的傳感器等部件會受到高溫作用而失效，因此將傳感器、放大器等不耐受高溫的部件遠(yuǎn)離高溫環(huán)境并進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。同時(shí)，利用耐高溫陶瓷材料與耐高溫石墨材料制備成復(fù)合結(jié)構(gòu)的引伸桿，將試樣形變引伸到可承受的較低溫度環(huán)境，并與位移傳感器等功能部件配合使用。為解決超高溫條件下材料應(yīng)變測量中傳統(tǒng)接觸式測量結(jié)構(gòu)兼容性差的技術(shù)問題，引進(jìn)三維數(shù)字散斑新技術(shù)，研制了超高溫非接觸式測量模塊，應(yīng)用于項(xiàng)目超高溫應(yīng)變測試過程中。

5 試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)集成與功能驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 機(jī)械系統(tǒng)的集成

試驗(yàn)裝置整體以真空(氣氛)環(huán)境箱為中心，其余各功能模塊圍繞真空(氣氛)環(huán)境箱在空間上輻射布置，在實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的同時(shí)，充分利用試樣周圍的空間，結(jié)構(gòu)緊湊、高度模塊化。各功能模塊集成完畢后，試驗(yàn)裝置整體如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)裝置整體照片

5.2 電氣系統(tǒng)的集成

電氣控制系統(tǒng)采用分布式雙層架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，由中央管理層和模塊控制層組成。處于頂層的中央管理層負(fù)責(zé)控制任務(wù)的綜合協(xié)調(diào)和分配，處于底層的模塊控制層通過相互獨(dú)立的控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到中央管理層。中央管理層對來自模塊控制層的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，具有控制響應(yīng)快、精度高、可靠性好、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。電控系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

中央管理層主要由一臺高性能工控機(jī)和一套自主開發(fā)的操作控制軟件組成。通過操作控制軟件可實(shí)現(xiàn)多種試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、控制指令發(fā)送、解析底層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)信息顯示與存儲等功能。模塊控制層主要由TMC控制器、水冷機(jī)組、溫度控制器、復(fù)合真空計(jì)等功能模塊子控制單元組成。子控制單元間相互獨(dú)立，互不干擾，可快速完成對應(yīng)功能模塊的控制任務(wù)，與中央管理層采用相互獨(dú)立的通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

5.3 試驗(yàn)裝置的功能驗(yàn)證

本試驗(yàn)裝置在國家試驗(yàn)機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心開展功能驗(yàn)證測試，通過開展測力系統(tǒng)、同軸度、高溫加載、應(yīng)變測量、真空環(huán)境構(gòu)建等系列檢驗(yàn)測試對試驗(yàn)裝置的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，開展復(fù)雜力-熱耦合試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置的適用性與先進(jìn)性。測試數(shù)據(jù)見表2，符合鑒定要求。

圖8 電控系統(tǒng)架構(gòu)圖

表2 測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

該試驗(yàn)裝置已按上述設(shè)計(jì)完成了具體的生產(chǎn)組裝、調(diào)試與綜合試驗(yàn)，并經(jīng)過國家試驗(yàn)機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心的第三方檢測，達(dá)到了預(yù)設(shè)的技術(shù)指標(biāo)要求，順利通過驗(yàn)收。成功研發(fā)的該試驗(yàn)裝置具有一定的先進(jìn)性及首創(chuàng)性，可為我國航空航天、核能等領(lǐng)域相關(guān)科研單位及企業(yè)應(yīng)用的高溫合金、復(fù)合材料等典型材料的超高溫極端環(huán)境(真空或充氣環(huán)境)力學(xué)性能測試提供必備的儀器裝備，提升我國在該領(lǐng)域的國際競爭力。