一種可控環(huán)境高溫力學試驗的制造方法
【專利摘要】本實用新型的名稱為一種可控環(huán)境高溫力學試驗機。屬于結構材料力學性能試驗及檢測設備【技術領域】。它主要是解決現(xiàn)有力學試驗機不能用于1500℃以上力學性能試驗及檢測的問題。它的主要特征是：加熱爐爐殼及保溫層還包括延伸至兩端面上除進出口外的部分，加熱元件為電阻加熱元件，在加熱爐兩端面外均設有隔熱屏；采用留有采用靜密封結構的抽氣、充氣、真空艙操作門等的真空艙，底座及伺服系統(tǒng)、立柱、上安裝座、夾持機構和加熱爐安裝于真空艙艙內，充氣系統(tǒng)與艙體上充氣接口連接。本實用新型具有能夠實現(xiàn)試樣空氣、真空和可控氣氛試驗環(huán)境，進行1500℃~1600℃力學性能試驗及檢測，以及1600℃以上真空和保護氣氛力學性能試驗及檢測的特點。
【專利說明】一種可控環(huán)境高溫力學試驗機

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于結構材料力學性能試驗及檢測設備【技術領域】。具體涉及一種可控制環(huán)境高溫力學試驗機，特別是1500°c以上高溫結構材料力學性能試驗及檢測的力學試驗機。

【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)力學試驗機通過對試樣施加拉伸、壓縮、彎曲、剪切力測試結構材料在上述載荷模式下的力學性能，用于結構材料性能評價，分為室溫力學試驗機和高溫力學試驗機兩類。室溫力學試驗機是在室溫條件下，通過砝碼、液壓系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等方式配合相應力學試樣裝夾裝置，對試樣施加拉伸、壓縮、彎曲、剪切等外力，記錄系統(tǒng)則記錄試樣從開始施加載荷到失效破壞過程中，試樣受力大小、幾何特征隨時間的變化規(guī)律，為后續(xù)的力學性能分析(可以是人工分析也可以是軟件分析)提供基礎數據。高溫力學試驗機在室溫力學試驗機的基礎上增加了試樣所處空間的溫度控制裝置，在記錄系統(tǒng)中增加了試樣環(huán)境溫度傳感器和溫度記錄。傳統(tǒng)高溫力學性能試驗設備針對高溫合金等金屬結構材料設計，最高測試溫度不超過1350°C，長時間測試溫度不超過1250°C。隨著材料科學的發(fā)展，新研制的高溫結構材料將能夠在1500°C及至更高的環(huán)境溫度下長時間工作，傳統(tǒng)的高溫力學試驗機已經無法準確測量這類材料的高溫力學性能。


【發(fā)明內容】

[0003]本實用新型針對上述不足而提供一種能夠實現(xiàn)試樣空氣、真空和可控氣氛試驗環(huán)境，并在試驗環(huán)境下進行1500°C?1600°C力學性能試驗及檢測，以及1600°C以上真空和保護氣氛力學性能試驗及檢測的可控制環(huán)境力學試驗機。
[0004]本實用新型的技術解決方案是:一種可控環(huán)境高溫力學試驗機，包括底座及伺服系統(tǒng)、立柱、上安裝座、夾持機構和加熱爐，立柱固定于位于底座及伺服系統(tǒng)與上安裝座之間，夾持機構及加熱爐位于底座及伺服系統(tǒng)與上安裝座之間，加熱爐外層是爐殼，中部是保溫層，靠近保溫層的爐腔內設有加熱元件，其特征在于:還包括真空艙及配套的真空機組、充氣系統(tǒng)；所述加熱爐爐殼及保溫層還包括延伸至兩端面上除進出口外的部分，加熱元件為能耐1500°C以上高溫的電阻加熱元件，在加熱爐兩端面外均設有隔熱屏，隔熱屏上設有與加熱爐兩端面進口或出口配合的通孔；所述真空艙為采用結構鋼鋼板制成的艙體，艙體上留有采用靜密封結構的抽氣、充氣、電源、傳感器及控制信號進出接口，艙體上開有帶密封結構的真空艙操作門，底座及伺服系統(tǒng)、立柱、上安裝座、夾持機構和加熱爐安裝于真空艙艙內，真空機組與艙體上抽氣接口連接；充氣系統(tǒng)由真空艙內進氣通道、充氣管路及閥門系統(tǒng)、氣源接口組成，真空艙內進氣通道與艙體上充氣接口連接。
[0005]本實用新型技術解決方案中所述的電阻加熱元件為硅鑰棒加熱元件，保溫層為耐高溫陶瓷纖維層保溫層，用于1500°C?1600°C力學性能試驗及檢測。
[0006]本實用新型技術解決方案中所述的電阻加熱元件為石墨加熱元件，保溫層為碳氈保溫層，用于1600°C以上真空及保護氣氛環(huán)境力學性能試驗及檢測。
[0007]本實用新型技術解決方案中所述的充氣系統(tǒng)包括一個或多個氣源接口。
[0008]本實用新型技術解決方案中試驗機運動部件在真空艙室內，且與真空艙壁不發(fā)生空間干涉,運動部件不需穿過真空艙壁；真空艙室內只有加熱爐內為高溫區(qū),加熱爐外空間為常溫區(qū)；真空艙室無動密封結構，不干涉夾持系統(tǒng)和施力系統(tǒng)的空間自由度。
[0009]本實用新型在傳統(tǒng)高溫力學性能試驗機的基礎上，通過改進加熱元件、爐體結構，即可提高爐內溫度，又可保溫和減少熱量散失，可滿足長時間工作到1500°C以上的要求，同時，增設的整體真空艙室以及充氣系統(tǒng)，并將底座及伺服系統(tǒng)、立柱、上安裝座、夾持機構和加熱爐裝于真空艙室內，滿足空氣環(huán)境、真空環(huán)境及可控氣氛條件下，150(TC?160(TC高溫力學性能試驗及檢測要求，或者滿足真空環(huán)境及可控氣氛條件下，1600°C以上的高溫力學性能試驗及檢測要求。
[0010]本實用新型具有如下有益的效果:
[0011]1、本實用新型提供一種高溫力學性能試驗設備，實現(xiàn)了傳統(tǒng)力學試驗機所不能實現(xiàn)的1500°C以上力學性能試驗及檢測功能。
[0012]2、發(fā)明的真空艙室系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)真空密封與力學試驗機夾持機構所需自由度之間的矛盾，在保證試驗精度的前提下實現(xiàn)了真空測試環(huán)境的提供。
[0013]3、發(fā)明的充氣系統(tǒng)，與真空系統(tǒng)相配套，實現(xiàn)了高溫力學性能試驗氣氛環(huán)境控制功能。
[0014]本實用新型具有能夠實現(xiàn)試樣空氣、真空和可控氣氛試驗環(huán)境，并在該試驗環(huán)境下進行1500°C?1600°C力學性能試驗及檢測，以及1600°C以上真空和保護氣氛力學性能試驗及檢測的特點。本實用新型主要用于1500°C以上高溫結構材料力學性能試驗及檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0016]圖2為本實用新型真空艙操作門打開狀態(tài)的示意圖。
[0017]圖3為本實用新型加熱爐的結構示意圖。
[0018]圖中:1、真空艙底座；2、真空艙壁；3、底座及伺服系統(tǒng)；4、立柱；5、下夾持機構；
6、加熱爐；7、上夾持機構；8、上安裝座；9、試樣；10引伸計；11、位移測量儀；12、真空艙線路接口 ；13、抽氣接口 ；14、抽氣管路；15、真空機組；16、控制及記錄系統(tǒng)；17、氣源；18、充氣管路；19、真空艙操作門；21、爐殼；22、保溫層；23、加熱爐安裝限位機構；24、上隔熱屏；25、加熱元件；26、電偶；27、電源引出端；28、加熱爐接線座；29、引伸計引出通道；30下隔熱屏。

【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實例對本實用新型作進一步說明。
[0020]如圖1至圖3所示。本實用新型一種可控環(huán)境高溫力學試驗機包括底座及伺服系統(tǒng)、立柱、上安裝座、夾持機構、加熱爐、真空艙及配套的真空機組和充氣系統(tǒng)。其中，底座及伺服系統(tǒng)3、立柱4、上安裝座8、夾持機構與現(xiàn)有高溫力學試驗機中的對應相同，立柱4固定于位于底座及伺服系統(tǒng)3與上安裝座8之間，夾持機構包括上夾持機構7、下夾持機構5，分別固定在底座及伺服系統(tǒng)3、上安裝座8上，加熱爐6位于上夾持機構7與下夾持機構5之間。在測試過程中，試樣9裝夾在上夾持機構7和下夾持機構5之間，引伸計10測量端安裝在試樣9上，引伸計10信號引出端連接到位移測量儀11上，由位移測量儀11將引伸計10的位移信號采集并傳送到控制及記錄系統(tǒng)16。
[0021]加熱爐6與現(xiàn)有的高溫加熱爐不同，加熱爐整體設計圓環(huán)形筒狀結構，加熱爐6外層是爐殼21，中部是保溫層22，靠近保溫層的爐腔內設有電阻加熱元件25。爐殼21外表面裝有加熱爐安裝限位機構23以及；電偶26測量端位于爐內代表試樣環(huán)境溫度的空間區(qū)域，信號引出端從加熱爐接線座28引出；加熱元件的電源引出端27位于加熱爐接線座28處，并于爐殼21絕緣。加熱爐下端面及下隔熱屏上的缺口構成引伸計引出通道29。加熱爐爐殼及保溫層還包括延伸至兩端面上除進出口外的部分，減少熱量散失。在加熱爐兩端面外設有上隔熱屏24和下隔熱屏30，上隔熱屏24、下隔熱屏30上設有與加熱爐兩端面進口或出口配合的通孔，減少熱輻射對夾持有異議機構的影響。加熱元件25為電阻加熱元件。電阻加熱元件可以為硅鑰棒加熱元件，保溫層可以為耐高溫陶瓷纖維層保溫層，用于1500°C?1600°C力學性能試驗及檢測。電阻加熱元件還可以為石墨加熱元件，保溫層還可以為碳氈保溫層，1600°C以上力學性能試驗及檢測。根據試樣尺寸，設計加熱爐尺寸。加熱爐爐膛在保證試樣9、引伸計10及夾持機構穿過爐膛，并保證夾持機構水平方向自由度的前提下，爐膛直徑盡可能的小。爐膛高度應保證試樣夾持區(qū)伸出爐外，并有足夠的夾持長度。每臺試驗機配有上述不同電阻加熱元件的兩臺加熱爐，該兩臺加熱爐尺寸外形、各種接口應保持一致，滿足互換性要求。
[0022]增加的真空艙為采用結構鋼鋼板制成的艙體，包括真空艙底座I和真空艙壁2，整體設計成單層壁橢圓柱或圓柱形。真空艙壁2側壁上留有真空艙抽氣接口 13，通過抽氣管路14與真空機組15連接；下部留有充氣系統(tǒng)進氣接口，中部留有真空艙線路接口 12及真空艙線路轉接座，各類動力線、信號線轉接口在此集中，為避免強電對弱電的干擾，轉接座可設多個，并對信號線路進行屏蔽保護。底座及伺服系統(tǒng)3、立柱4、上安裝座8、夾持機構和加熱爐6整個裝于真空艙艙內，在不影響真空艙結構強度及設備可操作性的前提下，真空艙尺寸可能小，真空艙也可設計成前后兩半對扣的結構，以方便設備安裝及維修。真空艙正前方留有方便開啟的真空艙操作門19，在不影響設備結構強度、或靠性及操作筍的前提下，操作門尺寸盡可能大，以方便試樣，加熱爐的裝卸及設備維保養(yǎng)。真空艙所有對接接縫均采用橡膠密封圈或密封墊進行密封?？刂萍坝涗浵到y(tǒng)16與現(xiàn)有高溫力學試驗機的對應相同。特點是:1、試驗機運動部件在真空艙室內，且與真空艙壁不發(fā)生空間干涉，運動部件不需穿過真空艙壁；2、真空艙室內只有加熱爐內為高溫區(qū)，加熱爐外空間為常溫區(qū)；3、真空艙室無動密封結構，不干涉夾持系統(tǒng)和施力系統(tǒng)的空間自由度，所有接口均采用靜密封結構。
[0023]本實用新型提供的真空艙室方案與傳統(tǒng)試驗機的差別是:傳統(tǒng)的高溫力學試驗機無法提供真空環(huán)境，這是因為進行真空系統(tǒng)升級時，按照傳統(tǒng)內熱式真空爐的設計思路，是對加熱爐內進行抽真空。試樣及夾持機構中間段在加熱區(qū)內，兩頭在加熱爐外，試樣夾持機構會從上下兩個方向穿過加熱爐爐壁。采用傳統(tǒng)動密封結構或者波紋管連接等方法可解決加熱爐與結構試樣夾持機構之間的密封性問題，然而，力學試驗要求上下兩端夾持機構施力方向應與試樣中心線重合，夾持機構在水平方向必須保持一定的自由度，才能在施加載荷時通過邁向軸自動調節(jié)找正，保證試驗及測試精度。傳統(tǒng)思路解決加熱爐與夾持系統(tǒng)密封性的同時限制敢上下夾持機構水平方向的自由度，妨礙了上下夾頭施力過程中自動找正的功能，必然影響力學檢測精度，甚至可能造成試樣非正常破壞，試驗數據無效。本實用新型突破了傳統(tǒng)思路，采用一個包容整個加熱爐、試樣及夾持系統(tǒng)的真空艙室，真空機組對真空艙抽真空，實現(xiàn)試樣區(qū)域真空環(huán)境的提供，從而避免加熱爐與試樣夾持機構之間動密封結構帶來的高成本和精度降低。
[0024]充氣系統(tǒng)由真空艙內進氣通道、充氣管路18及閥門系統(tǒng)、氣源接口組成，氣源接口可與一個或多個氣源17連接。真空艙內進氣通道由一根直徑10_，壁厚1_的不銹鋼管制成，緊貼沿真空艙底部圓周360°分布，一端接真空艙充氣系統(tǒng)艙內接口。管路系統(tǒng)采用直徑10mm，壁厚Imm的不銹鋼管制成，一端接真空艙充氣系統(tǒng)艙外接口，另一端接兩個帶軟管的氣源端口，在靠近真空艙一側的氣源接入點設置一個放氣口，放氣通道及放氣通道旁靠近真空艙一側的主管路上設置閥門，在靠近放氣通道的兩氣源通道上分別設置閥門，方便在更換氣瓶時排空空氣。特點是:1、真空艙內進氣通道由一根可多根相互連通的管道以及上面均布的小孔構成，小孔可以設計成空間上對稱分布，減少艙室內氣氛均勻所需的時間；2、管路及閥門具有連接進氣通道和氣源的功能，并可通過閥門的組合開閉實現(xiàn)管道內部氣體排空及置換；3、氣源部分可同時使用一個或多個氣源，在試驗條件下充入氣體之間、氣體與設備材料、試樣材料之間不可發(fā)生劇烈化學反應，以保證需要人身和設備安全。
[0025]本實用新型可控氣氛高溫力學試驗機的操作步驟:
[0026]1、根據試樣尺寸特點和試驗溫度選擇加熱爐；
[0027]2、開放氣閥，打開真空艙操作門，關閉放氣閥，將加熱爐裝到上夾持機構并懸掛于上夾持機構上部；
[0028]3、裝夾試樣；
[0029]4、加熱爐安裝到位；
[0030]5、關閉真空艙操作門；
[0031]6、抽真空到所需真空度，如空氣氣氛則不需抽真空；
[0032]7、沖入所需氣體介質，如不采用氣氛控制本條不執(zhí)行；
[0033]8、緩慢升溫到試驗溫度；
[0034]9、引申計信號歸零；
[0035]10、加載、記錄加載過程中載荷、試樣伸長量隨時間的變化規(guī)律，直至試樣斷裂或到達規(guī)定停止試驗的條件；
[0036]11、卸載、停止加熱爐、自然降溫至室溫；
[0037]12、開放氣閥，停止設備內外氣壓后關閉放氣閥；
[0038]13、打開真空艙操作門，松開電爐固定裝置，按裝試樣相反的步驟取下試樣；
[0039]14、清理設備，將夾持機構、加熱爐等選配件按定置要求整理妥當；
[0040]15、關閉操作艙門，抽真空至10_2pa以下，關閉真空機組，使設備在真空負壓狀態(tài)下，關閉設備電源，測試工作結束。
[0041]按照上述步驟操作，可以實現(xiàn)空氣、真空或保護氣氛環(huán)境下，結構材料1500°C以上力學性能試驗及檢測。本實用新型可保證人身和設備安全。
【權利要求】
1.一種可控環(huán)境高溫力學試驗機，包括底座及伺服系統(tǒng)(3)、立柱(4)、上安裝座(8)、夾持機構和加熱爐(6)，立柱(4)固定于位于底座及伺服系統(tǒng)(3)與上安裝座(8)之間，夾持機構及加熱爐(6)位于底座及伺服系統(tǒng)(3)與上安裝座(8)之間，加熱爐(6)外層是爐殼(21)，中部是保溫層(22)，靠近保溫層的爐腔內設有加熱元件(25)，其特征在于:還包括真空艙及配套的真空機組(15)、充氣系統(tǒng)；所述加熱爐爐殼及保溫層還包括延伸至兩端面上除進出口外的部分，加熱元件(25)為能耐1500°C以上高溫的電阻加熱元件，在加熱爐兩端面外均設有隔熱屏，隔熱屏上設有與加熱爐兩端面進口或出口配合的通孔；所述真空艙為采用結構鋼鋼板制成的艙體，艙體上留有采用靜密封結構的抽氣、充氣、電源、傳感器及控制信號進出接口，艙體上開有帶密封結構的真空艙操作門(19)，底座及伺服系統(tǒng)(3)、立柱(4 )、上安裝座(8 )、夾持機構和加熱爐(6 )安裝于真空艙艙內，真空機組(15 )與艙體上抽氣接口(13)連接；充氣系統(tǒng)由真空艙內進氣通道、充氣管路(18)及閥門系統(tǒng)、氣源接口組成，真空艙內進氣通道與充氣接口(13)連接。
2.根據權利要求1所述的一種可控環(huán)境高溫力學試驗機，其特征在于:所述的電阻加熱元件為硅鑰棒加熱元件，保溫層為耐高溫陶瓷纖維層保溫層。
3.根據權利要求1所述的一種可控環(huán)境高溫力學試驗機，其特征在于:所述的電阻加熱元件為石墨加熱元件，保溫層為碳氈保溫層。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種可控環(huán)境高溫力學試驗機，其特征在于:所述的充氣系統(tǒng)包括一個或多個氣源接口。
【文檔編號】G01N3/02GK204008278SQ201420302929
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權日:2014年6月9日
【發(fā)明者】張清貴, 張鈾, 張瑩松, 薛華 申請人:襄陽航泰動力機器廠