本發(fā)明屬于高溫高壓實驗裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置。

背景技術(shù)：

鈦合金由于具有許多優(yōu)異的特性，因而，廣泛用于發(fā)電廠的蒸汽輪機(jī)、航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片，高溫壓力容器等高溫高壓的地方。在設(shè)計鈦合金零部件的過程中，要計算在高溫高壓環(huán)境下的疲勞強(qiáng)度、平面應(yīng)力、應(yīng)力集中等，而計算這些參數(shù)需要用到材料的彈性模量。目前，大多數(shù)試驗研究只限于測量金屬材料在常溫常壓下的彈性模量，或者在高溫常壓下的彈性模量。然而，高溫高壓下彈性模量的研究十分缺乏，這其中的主要原因是相關(guān)的試驗儀器缺乏?？捎糜谠诟邷馗邏簵l件下測量鈦合金力學(xué)性能的實驗平臺僅包括paterson壓機(jī)、常規(guī)的三軸應(yīng)力試驗機(jī)和通常用于金屬、合金、陶瓷等材料力學(xué)性能測試的高壓釜+軸向應(yīng)力實驗裝置。但是，該三類平臺各自存在如下不足：

（1）有的三軸應(yīng)力試驗機(jī)做位移控制的數(shù)據(jù)信號來自拉線編碼器，由于拉線編碼器的精度較差，難以保證位移的控制精度；

（2）有的三軸應(yīng)力試驗機(jī)做位移控制的數(shù)據(jù)信號來自電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器，而旋轉(zhuǎn)編碼器是通過測量電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度來推算推板前進(jìn)的距離，同樣存在測量精度差的問題，難以保證位移的控制精度，而且由于旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)位置，沒有考慮推板、力傳感器、推桿等的變形，因此對位移的控制精度難以保證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置，現(xiàn)有的軸向加壓不方便，加壓穩(wěn)定性差，精度低，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置，包括連接到左側(cè)壓桿的推桿，推桿通過直線軸承一連接到固定板一上，其左端連接到推板上，推板固定連接到兩直線軸承二上，其中部連接有絲杠，兩直線軸承二可活動地套接的兩導(dǎo)向桿兩端分別固定連接到固定板二和固定板一，與絲杠相嚙合的絲母固定連接在轉(zhuǎn)軸內(nèi)端內(nèi)孔中，轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動地連接到固定板二上，其外端通過同步帶傳輸機(jī)構(gòu)連接到驅(qū)動電機(jī)。

優(yōu)選的，上述同步帶傳輸機(jī)構(gòu)包括主動輪、從動輪、過渡輪一、過渡輪二、第一皮帶和第二皮帶，主動輪連接到驅(qū)動電機(jī)的輸出軸上，并通過第一皮帶套接到過渡輪一上，過渡輪一通過過渡轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)地連接過渡輪支架上，過渡轉(zhuǎn)軸另一端連接有過渡輪二，過渡輪二通過第二皮帶連接到從動輪，從動輪套接在轉(zhuǎn)軸上。

優(yōu)選的，上述推桿通過力傳感器連接到推板上，力傳感器中部通過螺紋通孔連接到推桿端部，并通過鎖緊螺母鎖緊推桿，力傳感器靠外通過螺釘固定連接在推板上。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的效果如下：

（1）本發(fā)明通過驅(qū)動電機(jī)帶動同步帶傳輸機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線移動，從而推動推桿進(jìn)行壓桿的加載，加載方便快捷，直線軸承和導(dǎo)向桿保證推桿的導(dǎo)向性，加載穩(wěn)定，加載精度高；

（2）同步帶傳輸機(jī)構(gòu)采用二級變速，采用1:10的變速比，大大提高加載的分辨率和降低驅(qū)動電機(jī)的功率；

（3）用兩個位移傳感器進(jìn)行試樣兩端壓桿的位移測量，可以消除試驗機(jī)框架的變形量，其中用兩者的差值的絕對值作為壓桿和樣品的變形量，可以把支撐底座的變形量消除，因樣品尺寸較小，支撐底座變形較大的話會覆蓋樣品的變形量，因此，采用兩個位移傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明同步帶連接處結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的軸向加壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是100℃，10mpa條件下測量的tc11鈦合金的力—變形量曲線圖；

圖6是tc11鈦合金的彈性模量示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步介紹。

實施例1：如圖1-圖6所示，如圖1-圖6所示，一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置，包括連接到左側(cè)壓桿3的推桿12，推桿12通過直線軸承一13連接到固定板一14上，其左端連接到推板15上，推板15固定連接到兩直線軸承二16上，其中部連接有絲杠17，兩直線軸承二16可活動地套接的兩導(dǎo)向桿21兩端分別固定連接到固定板二22和固定板一14，與絲杠17相嚙合的絲母18固定連接在轉(zhuǎn)軸19內(nèi)端內(nèi)孔中，轉(zhuǎn)軸19可轉(zhuǎn)動地連接到固定板二22上，其外端通過同步帶傳輸機(jī)構(gòu)連接到驅(qū)動電機(jī)20。

優(yōu)選的，上述同步帶傳輸機(jī)構(gòu)包括主動輪23、從動輪24、過渡輪一25、過渡輪二26、第一皮帶27和第二皮帶28，主動輪23連接到驅(qū)動電機(jī)20的輸出軸上，并通過第一皮帶27套接到過渡輪一25上，過渡輪一25通過過渡轉(zhuǎn)軸29可旋轉(zhuǎn)地連接過渡輪支架30上，過渡轉(zhuǎn)軸29另一端連接有過渡輪二26，過渡輪二26通過第二皮帶28連接到從動輪24，從動輪24套接在轉(zhuǎn)軸19上。

優(yōu)選的，上述軸向加壓裝置連接左側(cè)壓桿3處設(shè)置有光柵讀數(shù)頭31，光柵讀數(shù)頭31通過連接桿32固定連接在推桿12上，其讀數(shù)頭正對光柵尺33，光柵尺33固定連接在底座1外壁上。

優(yōu)選的，上述推桿12通過力傳感器34連接到推板15上，力傳感器34中部通過螺紋通孔連接到推桿12端部，并通過鎖緊螺母35鎖緊推桿12，力傳感器34靠外通過螺釘固定連接在推板15上。

如圖1-圖6所示，一種在高壓水熱環(huán)境下鈦合金力學(xué)性能試驗裝置，包括壓力容器2，壓力容器2水平方向內(nèi)設(shè)置有密封的軸向左側(cè)壓桿3和軸向右側(cè)壓桿4，左側(cè)壓桿3和右側(cè)壓桿4間放置鈦合金試樣5，左側(cè)壓桿3連接有軸向加壓裝置和測試左側(cè)壓桿移動量的位移傳感器一10，位移傳感器一10通過剛性薄片37連接到左側(cè)壓桿端部，剛性薄片的剛性移動，位移傳感器一測定的即為左側(cè)壓桿的移動量，右側(cè)壓桿4抵靠在底座1內(nèi)，壓力容器2外套接有加熱溶液和鈦合金試樣5的加熱裝置6，其表面設(shè)置有壓液口7，加熱裝置6置于底座1的凹槽8內(nèi)，與壓力容器2接觸面設(shè)置有溫度傳感器9，壓液口9連通到試樣5放置處，并通過管道連接到手動增壓泵，軸向加壓裝置內(nèi)設(shè)置有力傳感器34。

優(yōu)選的，上述右側(cè)壓桿4也設(shè)置有測量右側(cè)壓桿移動量的位移傳感器二11，位移傳感器二11通過剛性薄片38連接到右側(cè)壓桿端部，剛性薄片隨著右側(cè)壓桿的剛性移動，位移傳感器二測定的即為右側(cè)壓桿移動量。

優(yōu)選的，上述位移傳感器一10、位移傳感器二11、溫度傳感器9、加熱裝置6連接到控制器，控制器還連接有連接到管道上的液壓傳感器和驅(qū)動軸向加壓裝置加壓的驅(qū)動電機(jī)，并通過導(dǎo)線連接到上位機(jī)，位移傳感器一10、位移傳感器二11、溫度傳感器9、加熱裝置6以及液壓傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)控變形量、溫度高低、圍壓壓力大小以及采用加熱裝置進(jìn)行溫度控制和采用增壓泵實現(xiàn)壓力控制。

優(yōu)選的，上述軸向加壓裝置采用機(jī)械式加壓裝置或電動式加壓裝置，機(jī)械式采用螺釘頂靠壓桿。

優(yōu)選的，上述電動式加壓裝置（一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置）包括連接到左側(cè)壓桿3的推桿12，推桿12通過直線軸承一13連接到固定板一14上，其左端連接到推板15上，推板15固定連接到兩直線軸承二16上，其中部連接有絲杠17，兩直線軸承二16套可活動地接的兩導(dǎo)向桿21兩端分別固定連接到固定板二22和固定板一14，與絲杠17相嚙合的絲母18固定連接在轉(zhuǎn)軸19內(nèi)端內(nèi)孔中，轉(zhuǎn)軸19可轉(zhuǎn)動地連接到固定板二22上，其外端通過同步帶傳輸機(jī)構(gòu)連接到驅(qū)動電機(jī)20。

優(yōu)選的，上述同步帶傳輸機(jī)構(gòu)包括主動輪23、從動輪24、過渡輪一25、過渡輪二26、第一皮帶27和第二皮帶28，主動輪23連接到驅(qū)動電機(jī)20的輸出軸上，并通過第一皮帶27套接到過渡輪一25上，過渡輪一25通過過渡轉(zhuǎn)軸29可旋轉(zhuǎn)地連接過渡輪支架30上，過渡轉(zhuǎn)軸29另一端連接有過渡輪二26，過渡輪二26通過第二皮帶28連接到從動輪24，從動輪24套接在轉(zhuǎn)軸19上。

優(yōu)選的，上述軸向加壓裝置連接左側(cè)壓桿3處設(shè)置有光柵讀數(shù)頭31，光柵讀數(shù)頭31通過連接桿32固定連接在推桿12上，其讀數(shù)頭正對光柵尺33，光柵尺33固定連接在底座1外壁上。

優(yōu)選的，上述推桿12通過力傳感器34連接到推板15上，力傳感器34中部通過螺紋通孔連接到推桿12端部，并通過鎖緊螺母35鎖緊推桿12，力傳感器34靠外通過螺釘固定連接在推板15上。

優(yōu)選的，上述一種鈦合金力學(xué)性能試驗軸向加壓裝置的試驗方法，該方法包括以下步驟：

（1）用鈦合金經(jīng)機(jī)械加工成長度l=（5～8）d的圓柱形試樣，d為鈦合金試樣的直徑，l為試樣的長度；

（2）加工鈦合金試樣的表面粗糙度參數(shù)ra=0.8μm，兩個底面的平行度小于5μm；

（3）在常溫不同壓力下、常壓不同溫度下和不同溫度不同壓力下對將鈦合金試樣裝入壓力容器中的兩壓桿間進(jìn)行測試，在常溫不同壓力下獲得力—變形量曲線和彈性模量，在不同溫度不同壓力下獲得力—變形量曲線和彈性模量。

優(yōu)選的，上述常壓不同溫度下對鈦合金試樣測試的試驗方法：先用兩個壓桿和樣品進(jìn)行測試，得出壓桿和樣品的力—變形量曲線f1-x1，再用兩根壓桿在相同條件下直接對頂進(jìn)行測試，得出相同溫壓條件下兩根壓桿的力—變形量曲線f2-x2，則樣品的力—變形量曲線為兩根曲線相減（f-x）=（f1-x1）-（f2-x2）；樣品受的力等于力傳感器直接測量的力，則樣品的應(yīng)力為f/s，其中s為樣品的初始橫截面積；樣品的應(yīng)變?yōu)閤/l，其中l(wèi)為樣品初始長度，材料的彈性模量為e=（f/s）/（x/l）；

常溫不同壓力下的試驗流程：

（1）按順序?qū)γ芊馊Α悠?、壓桿、加熱爐、lvdt等進(jìn)行組裝；

（2）給樣品施加設(shè)定的預(yù)緊力，預(yù)緊力大小根據(jù)圍壓作用在壓桿上的推力確定，預(yù)緊力適當(dāng)大于圍壓×壓桿的截面積；

（3）通過手動增壓泵對壓力容器進(jìn)行加壓；

（4）開始測試；

（5）在相同壓力條件下，不放樣品，把壓桿直接對頂，測試一遍，用于儀器變形的校正。

常壓不同溫度下的試驗流程：

（1）按順序?qū)γ芊馊?、樣品、壓桿、加熱爐、lvdt等進(jìn)行組裝；

（2）給樣品施加設(shè)定的預(yù)緊力；

（3）通過設(shè)置加熱程序，開啟循環(huán)冷卻水，開始加熱，加熱到預(yù)定溫度后保溫時間大于30min，使樣品溫度穩(wěn)定；

（4）開始測試。

（5）在相同的溫度條件下，不放樣品，把壓桿直接對頂，測試一遍，用于儀器變形的校正。

不同溫度不同壓力下對鈦合金試樣測試的試驗方法：先用兩個壓桿和樣品進(jìn)行測試，得出壓桿和樣品的力—變形曲線f1-x1，再用兩根壓桿在相同條件下直接對頂進(jìn)行測量，得出相同溫壓條件下兩根壓桿的力—變形曲線f2-x2，當(dāng)f1=f2時，樣品兩端的力桿的變形相等，則樣品的名義力—變形量曲線為兩根曲線相減(f-x)=(f1-x1)-(f2-x2)；力桿實際作用在樣品上力等于力傳感器的力f減去p×(s2-s1)，其中，p為圍壓壓力，s1為樣品的初始橫截面積，s2為力桿的橫截面積，(s2-s1)為力桿與樣品的截面積之差，則樣品的應(yīng)力為[f-p×(s2-s1)]/s1，樣品的應(yīng)變?yōu)閤/l，l為樣品的初始長度。則材料的彈性模量為e={[f-p×(s2-s1)]/s1}/(x/l)。

不同溫度不同壓力下的試驗流程：

（1）按順序?qū)γ芊馊?、樣品、壓桿、加熱爐、lvdt等進(jìn)行組裝；

（2）設(shè)定加熱程序，開啟循環(huán)冷卻水，開始加熱，加熱到目標(biāo)溫度后進(jìn)行保溫，保溫時間大于30min；

（3）給樣品施加設(shè)定的預(yù)緊力，預(yù)緊力大小根據(jù)圍壓作用在壓桿上的推力確定，預(yù)緊力適當(dāng)大于圍壓×壓桿的截面積；

（4）通過手動增壓泵對壓力容器進(jìn)行加壓，加壓到目標(biāo)壓力后繼續(xù)保溫10min；

（5）開始測試；

（6）在相同的溫度、壓力條件下，不放樣品，把壓桿直接對頂，測試一遍，用于儀器變形的校正。

圖5是100℃，10mpa條件下測量的tc11鈦合金的力—變形曲線，其中橫坐標(biāo)是力傳感器測量的數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)是位移傳感器測量的數(shù)據(jù)，變形量是位移傳感器二和位移傳感器一采集到數(shù)據(jù)差值的絕對值，曲線1是放tc11樣品測量的力-變形曲線，曲線2是不放樣品單獨儀器的力-變形曲線，曲線3是曲線1和曲線2的縱坐標(biāo)差值，即扣除儀器變形量后的樣品名義力-變形數(shù)據(jù)。

然后，用樣品的名義力-變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中力傳感器測量的數(shù)據(jù)包含圍壓對壓桿產(chǎn)生一個向外的推力，需要扣除這個圍壓產(chǎn)生的推力才能得出真實作用在樣品上的軸向推力。由于壓桿的橫截面積大于樣品的橫截面積，因此圍壓產(chǎn)生的推力為圍壓p×（s2-s1），其中s2為壓桿的橫截面積，s1為樣品的初始橫截面積，p為圍壓。則樣品的應(yīng)力為[f-p×（s2-s1）]/s1，樣品的應(yīng)變?yōu)閤/l，x為圖5中的曲線3的變形量，l為樣品的初始長度。則材料的彈性模量為e={[f-p×（s2-s1）]/s1}/（x/l），重復(fù)上述步驟，進(jìn)行不同不溫度不同圍壓的實驗，得出的tc11鈦合金的彈性模量數(shù)據(jù)如下圖6所示。

圖6橫坐標(biāo)是圍壓，縱坐標(biāo)是計算得到的彈性模量，方塊點是100℃不同圍壓下測得的彈性模量數(shù)據(jù)，圓點是300℃不同圍壓下測得的彈性模量數(shù)據(jù)，三角是400℃不同圍壓下測得的彈性模量數(shù)據(jù)?？梢娫谕粶囟认?，隨著圍壓升高，tc11鈦合金的彈性模量增加。在同一圍壓下，隨著溫度的升高，tc11鈦合金的彈性模量降低。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。