一种配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体的说，是涉及一种用于配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置。

背景技术

严苛环境下的材料力学性能测试与表征，可以揭示性能退化的物理机制，是工程装备寿命精准评价的前提，想要建立相应的强度设计方法和安全评定机制，就需要发展严苛工况下的材料性能测试的原理与技术，并配合有效的微观表征手段，表达材料在不同情况下的变形机制。研究材料在高温高真空下的失效机制，对航空航天、汽车、军工等领域具有十分重要的意义，与相关领域的设备与系统的先进性与可靠性息息相关。

中子衍射技术是一种测量材料或工程部件内部三维应力状态的方法，在焊接、热加工与热处理过程中的残余应力测量方面有着广泛的应用。将中子衍射谱仪与相应力学装置结合起来，可以很好的对处于服役条件下的材料或工程部件进行实时、原位、无损测量。国内目前适用于中子衍射的测试装置仍处于早期研发阶段，而航空航天、汽车、军工等领域中的设备常在高温真空环境下工作，航空航天发动机开启时，温度甚至可达1000℃以上，这就对极端服役条件下材料的力学性能测试提出了更高的要求，因此，开发一种可配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置，可用于实现1200℃，10

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明提供了一种配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置，包括四个主轴拉杆和四套直线作动机构；还包括高温真空环境系统，所述高温真空环境系统包括外腔机构和内腔机构；

所述外腔机构包括外腔箱体，所述外腔箱体的前后两面分别设置有外腔盖板，所述外腔盖板与所述外腔箱体通过螺栓连接固定并对连接处进行密封；所述外腔盖板中部开孔并在开孔处安装有外腔中子透过板，所述外腔中子透过板通过外腔连接件与所述外腔盖板固定连接；所述外腔中子透过板中部开孔并在开孔处安装有外腔视窗，所述外腔视窗用于观察十字形试样与内腔机构的状况；所述外腔视窗与所述外腔中子透过板之间、所述外腔中子透过板与所述外腔盖板之间均为密封连接；

所述外腔箱体的一侧下部设置有内腔进气管路连接头和外腔进气管路连接头，另一侧的下部设置有内腔抽真空管路连接头和外腔抽真空管路连接头；所述内腔进气管路连接头通过内腔进气管路接管连接至所述内腔箱体并与其内部连通，用于控制所述内腔机构的气体氛围；所述外腔进气管路连接头与所述外腔箱体连通，用于控制所述外腔机构的气体氛围；所述内腔抽真空管路连接头通过内腔抽真空管路接管连接至所述内腔箱体并与其内部连通，用于对所述内腔机构进行抽真空操作；所述外腔抽真空管路连接头与所述外腔箱体连通，用于对所述外腔机构进行抽真空操作；

所述内腔机构包括内腔箱体，所述内腔箱体设置于所述外腔箱体内部并且通过支撑块固定于所述外腔箱体；所述内腔箱体的前后两面分别设置有内腔盖板，所述内腔盖板与所述内腔箱体通过螺栓连接固定；所述内腔盖板中部开孔并在开孔处安装有内腔中子透过板，所述内腔中子透过板通过内腔连接件与所述内腔盖板固定连接；所述内腔中子透过板中部开孔并在开孔处安装有内腔视窗，所述内腔视窗用于观察十字形试样的状况；所述内腔中子透过板与所述内腔盖板之间密封连接；

位于所述内腔箱体后面的所述内腔盖板安装有至少四根电加热棒，所述电加热棒均布在四根所述主轴拉杆的周围；所述内腔箱体环向均布有四个卤素灯固定法兰，所述卤素灯固定法兰用于安装加热卤素灯；所述加热卤素灯和所述电加热棒共同实现对所述内腔机构升温；所述内腔箱体还安装有测温热电偶，所述加热卤素灯、所述电加热棒和所述测温热电偶均与计算机进行连接；

四根所述主轴拉杆与四套所述直线作动机构一一对应连接，用于实现同水平面上两个相互垂直方向的拉伸或压缩作动；所述四根主轴拉杆末端分别安装有试样夹具，用于对十字形试样的四个端部分别进行夹持；每根所述主轴拉杆由外向内依次穿过所述外腔箱体和所述内腔箱体，所述主轴拉杆与所述外腔箱体、所述内腔箱体之间均通过可压缩波纹管连接实现密封。

进一步地，所述外腔箱体的纵向截面为正方形，所述外腔箱体的四个侧面的中间位置分别设置有圆孔，用于穿过所述主轴拉杆。

进一步地，所述外腔连接件为片体结构，其覆盖于所述外腔中子透过板和所述外腔盖板的衔接处，并分别与所述外腔中子透过板和所述外腔盖板分别通过螺栓固定。

进一步地，所述内腔箱体的纵向截面为圆形且其内壁打磨光滑，以保证抽真空时的真空度。

进一步地，所述外腔中子透过板和所述内腔中子透过板的材料为纯铝、蓝宝石材料、氧化铝陶瓷纤维、石英中的一种。

进一步地，所述电加热棒与所述内腔盖板通过螺纹连接，所述电加热棒的位置避免阻挡所述加热卤素灯的照射路径。

进一步地，所述卤素灯固定法兰的轴线与所述主轴拉杆的轴线位置呈45°夹角设置，用于使所述加热卤素灯对十字形试样进行集中加热。

进一步地，所述测温热电偶安装在所述内腔箱体的上部，通过调整所述测温热电偶的自由端至合适角度和距离，使其与十字形试样的被测温区域接触，能够测量十字形试样各部分的对应温度。

进一步地，所述主轴拉杆位于所述外腔箱体以外的部分设置有凸台，所述凸台为空心结构并安装有拉杆水冷管路连接口，所述拉杆水冷管路连接口设置为螺纹通孔且用于外接冷却水管路，所述冷却水管路用于通过所述凸台实现对所述主轴拉杆的降温。

进一步地，所述内腔进气管路连接头、所述外腔进气管路连接头、所述内腔抽真空管路连接头、所述外腔抽真空管路连接头、所述内腔进气管路接管、内腔抽真空管路接管均设置为一用一备。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的真空高温测试装置，包括内外两层保温腔体，内腔体提供高温试验环境，外腔体起到保温缓冲作用，配合可压缩波纹管实现密封能够为被测试样提供高达1200℃的高温环境，同时最高可以提供10

(二)本发明的真空高温测试装置，可以安装在多轴加载试验机上，配合中子谱仪结合样品环境实现对材料在毫米尺度的实时、原位、无损测试，来获取相应工况环境下材料的性能演化。

(三)本发明的真空高温测试装置，其加热方式采用加热卤素灯与电加热棒进行升温，先用电加热棒加热至700℃，再使用加热卤素灯升温至1200℃，能够对试样中心观察区域实现集中加热，从而快速到达所需试验温度，提高实验效率。

(四)本发明的真空高温测试装置，在内外腔体的盖板设置不影响中子透射率的中子透过板，能够保证中子入射路径不被阻挡以及保证可以收集到衍射路径左右大约30°以内的中子数据，中子透过板上设置的视窗可以配合DIC观测系统对腔体内部的试件进行实时观测。

附图说明

图1为本发明实施例所提供高温真空环境系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供高温真空环境系统的外腔体外部结构的主视图；

图3为本发明实施例所提供高温真空环境系统的外腔体外部结构的左视图；

图4为本发明实施例所提供高温真空环境系统的外腔体内部结构示意图；

图5为本发明实施例所提供高温真空环境系统的外腔体和内腔体的的主视图；

图6为本发明实施例所提供高温真空环境系统的内腔体的结构示意图；

图7为本发明实施例所提供高温真空环境系统的内腔体的主视图；

图8为本发明实施例所提供高温真空环境系统的内腔体的仰视图。

上述图中：1：外腔箱体；2:外腔盖板；3：外腔中子透过板；4：外腔视窗；5：外腔连接件；6：内腔进气管路连接头；7：外腔进气管路连接头；8：内腔抽真空管路连接头；9：外腔抽真空管路连接头；10：主轴拉杆；11：拉杆水冷管路连接口；12：测温热电偶；13：加热卤素灯；14：内腔进气管路接管；15：支撑快；16：内腔抽真空管路接管；17：内腔盖板；18：内腔中子透过板；19：内腔视窗；20：内腔连接件；21：电加热棒；22：试验夹具；23：内腔箱体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本实施例提供了一种配合中子衍射谱仪装置的真空高温测试装置，包括高温真空环境系统和四个主轴拉杆10以及四套直线作动机构。

高温真空环境系统由外腔机构，内腔机构以及相应附件组成，能够配合多轴加载试验机实现1200℃高温，10

如图1至图3所示，外腔机构包括外腔箱体1，外腔盖板2，外腔中子透过板3，外腔视窗4，外腔连接件5，内腔进气管路连接头6，外腔进气管路连接头7，内腔抽真空管路连接头8，外腔抽真空管路连接头9。

外腔箱体1的纵向截面为正方形，外腔箱体1的四个侧面的中间位置分别设置有圆孔，用于穿过主轴拉杆4。外腔箱体1的前后两面分别设置外腔盖板2，外腔盖板2与外腔箱体1通过四角处的内六角螺栓连接固定，并且外腔箱体1与外腔盖板2之间安装有垫片，以起到密封作用。

外腔盖板2为正方形片体结构，其中间位置开孔并在开孔处安装外腔中子透过板3。外腔中子透过板3的两个相对边分别通过一块外腔连接件5与外腔盖板2进行固定连接。外腔连接件5为片体结构，其覆盖于外腔中子透过板3和外腔盖板2的衔接处，并分别与外腔中子透过板3和外腔盖板2通过螺栓固定。外腔中子透过板3中间位置开孔并在开孔处安装外腔视窗4，外腔视窗4用于观察十字形试样与内腔机构的状况。外腔视窗4与外腔中子透过板3之间，外腔中子透过板3与外腔盖板2之间均为密封连接。

外腔箱体1的一侧下部设置有内腔进气管路连接头6和外腔进气管路连接头7，另一侧的下部设置有内腔抽真空管路连接头8和外腔抽真空管路连接头9。

内腔进气管路连接头6和外腔进气管路连接头7用于与充气泵连接，实现分别对外腔机构和内腔机构充气，气体根据所需要的试验氛围环境进行选择。其中，内腔进气管路连接头6通过内腔进气管路接管14连接至内腔箱体23并与其内部连通，用于控制内腔机构的气体氛围。外腔进气管路连接头7与外腔箱体1内部连通，用于控制外腔机构的气体氛围。

内腔抽真空管路连接头8和外腔抽真空管路连接头9可以与真空泵连接，用于分别对外腔机构和内腔机构进行抽真空。其中，外腔抽真空管路连接头9与外腔箱体1内部连通，用于连接真空泵与分子泵对外腔机构进行抽真空操作以达到所需真空度。内腔抽真空管路连接头8通过内腔抽真空管路接管16连接至内腔箱体23并与其内部连通，用于连接真空泵与分子泵对内腔机构进行抽真空操作以达到所需真空度。

如图4至图8所示，内腔机构包括内腔箱体23，内腔盖板17，内腔中子透过板18，内腔视窗19，盖板连接件20，电加热棒21，加热卤素灯13，测温热电偶12。

内腔箱体23设置于外腔箱体1的内部，内腔箱体23通过焊接于其底部的支撑块15与外腔箱体1连接固定。支撑块15安装于外腔箱体1内部的底面中间，并且与外腔箱体1通过螺栓连接固定。

内腔箱体23的纵向截面为圆形，其内壁打磨光滑，可以保证抽真空时的真空度。内腔箱体23的前后两面分别设置内腔盖板17，内腔盖板17与内腔箱体23通过环向均布的内六角螺栓连接固定。

位于内腔箱体23前后两面的内腔盖板17均中部开孔，并在开孔处均安装内腔中子透过板18，内腔中子透过板18的两侧分别通过一块盖板连接件20与内腔盖板17进行固定连接。盖板连接件20为片体结构，其覆盖于内腔中子透过板18和内腔盖板17的衔接处，并分别与内腔中子透过板18和内腔盖板17通过螺栓固定。内腔中子透过板18中间位置开孔并在开孔处安装内腔视窗19，内腔视窗19用于观察十字形试样的状况。内腔中子透过板18与内腔盖板17之间密封连接。

外腔中子透过板3和内腔中子透过板18的覆盖面积应不遮挡入射束的中子束流和反射束左右30°范围内的中子束流，实际尺寸设计时根据中子发射收集器的数据进行计算。外腔中子透过板3和内腔中子透过板18的材料可以选用纯铝、蓝宝石材料、氧化铝陶瓷纤维、石英等等，一般对中子透射率较高的材料均可使用，透射率较低则会使中子不能到达试样观测区域，且中子收集器收集不到反射数据，因此要保证内外腔体都不能影响中子的入射以及反射。

位于内腔箱体23后面的内腔盖板17开设有安装孔，该安装孔用于安装四根电加热棒21，电加热棒21均布在四根主轴拉杆4的周围，加热时通过电加热棒21逐步升温，配合与内腔抽真空管路连接头8连接的真空泵，保证内腔体在试验时的真空度。电加热棒21根据内腔体空间可以适当进行增加。电加热棒21与内腔盖板17通过电加热棒21本身设置的外螺纹进行连接，其位置应避免阻挡加热卤素灯13的照射路径。

内腔箱体23环向均布有四个卤素灯固定法兰，卤素灯固定法兰可以与内腔箱体23一体成型。通过卤素灯固定法兰将四个加热卤素灯13安装于内腔箱体23，卤素灯固定法兰的轴线与主轴拉杆10的轴线位置呈45°夹角设置，从而保证加热卤素灯13对十字形试样进行集中加热。

加热卤素灯13和电加热棒21共同实现对内腔箱体23内部的升温。通常先用电加热棒21加热至700℃，再使用加热卤素灯13升温至1200℃，能够对十字形试样中心观察区域实现集中加热，从而快速到达所需试验温度，提高实验效率。

测温热电偶12通常安装在内腔箱体23的上部，以避开内腔箱体23下部的多个管路连接口，通过调整测温热电偶12的自由端至合适角度和距离，使其与十字形试样的被测温区域接触，测量十字形试样各部分的对应温度，保证在实验时十字形试样各位置温度均已达到设定值。

加热卤素灯13、电加热棒21和测温热电偶12均与计算机进行连接。

四根主轴拉杆10与四套直线作动机构一一对应连接，用于实现同水平面上两个相互垂直方向的拉伸或压缩作动。每根主轴拉杆10由外向内依次穿过外腔箱体1和内腔箱体23，主轴拉杆10与外腔箱体1、内腔箱体11之间均通过可压缩波纹管连接实现密封。可压缩波纹管为商业化成熟部件，外腔箱体1的四个侧面外壁和内壁分别开有螺纹孔，主轴拉杆10与外腔箱体1之间的可压缩波纹管固定方式为：可压缩波纹管带有法兰的一端与外腔箱体1外壁通过螺栓固定，另一端与主轴拉杆4通过焊接固定。内腔箱体11与外腔箱体1之间的可压缩波纹管固定方式为：可压缩波纹管带有法兰的一端与外腔箱体1内壁通过螺栓螺纹连接固定，另一端与内腔箱体11通过焊接固定。

四根主轴拉杆10末端分别安装有试样夹具22，用于对十字形试样的四个端部分别进行夹持。主轴拉杆10位于外腔箱体1以外的部分设置有凸台，凸台为空心结构并安装有拉杆水冷管路连接口11，拉杆水冷管路连接口11设置为螺纹通孔且用于外接冷却水管路，冷却水管路用于通过凸台实现对主轴拉杆10的降温。

上述高温真空环境系统的使用过程如下：

在实验开始前，依次拆除外腔盖板2和内腔盖板17，之后调节四台直线作动机构，使直线作动机构带动主轴拉杆10调整至合适位置，随后将十字形试样固定于四个试样夹具22上，再依次装回内腔盖板17与外腔盖板2。之后打开气体进气管路的电动阀，通过内腔体气体进气管路连接头6与外腔体气体进气管路连接头7分别向外腔机构与内腔机构通入气体排净空气，并营造试验所需环境氛围。或者，通过内腔抽真空管路连接头8与外腔抽真空管路连接头9连接真空泵与分子泵，分别对外腔机构与内腔机构进行多级抽真空操作以达到所需真空度，营造真空氛围。内腔进气管路连接头6、外腔进气管路连接头7、内腔抽真空管路连接头8、外腔抽真空管路连接头9、内腔进气管路接管14、内腔抽真空管路接管16均为一用一备，防止其中一个突然受损不能使用。

通过向主轴拉杆10上的拉杆水冷管路连接口11连接冷却水管路，向主轴拉杆10的凸台中通入冷却水，防止局部温度过高而损坏。之后通过计算机启动高温加热单元对内腔机构进行升温，此高温加热单元主要由四台加热卤素灯13与四根电加热棒21组成，并且由测温热电偶12测量十字形试样被测区域的温度，并将信号传递给计算机。

待测温热电偶12所测量温度上升到指定温度之后，开始实验。在整个实验加载过程中，由中子衍射谱仪装置对十字形试样进行原位观测。实验结束之后，应降温至规定温度，之后再结束气体氛围。按照要求依次打开外腔盖板2和内腔盖板17，取下十字形试样，结束实验。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。