高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)研究

王小黨 鎮(zhèn)璐娜 沈陽

摘要：闡述了高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)開發(fā)的必要性，分析了高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的原理和基本結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、測溫模塊設(shè)計以及實際效果3個方面，對高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)進行了研究，對今后熱疲勞試驗系統(tǒng)的開發(fā)有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高通量;熱疲勞;試驗系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

熱疲勞是機械結(jié)構(gòu)在服役過程中，溫度變化引起熱應(yīng)力變化而導(dǎo)致的疲勞失效現(xiàn)象[1]。熱疲勞是高溫工作環(huán)境中設(shè)備結(jié)構(gòu)常見的失效形式[2-4]，設(shè)計人員需要通過大量的熱疲勞試驗來獲得其失效機制以及裂紋萌生與擴展的規(guī)律[5]。熱疲勞試驗的加熱方式主要有流態(tài)床加熱、爐中加熱、火焰加熱和高頻加熱等多種方式[6]。其中，爐中加熱方式具有容易控溫、加熱均勻等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。但是單個試驗件的順序測試方法效率極為低下，不利于大規(guī)模試驗獲得海量數(shù)據(jù)，因此研發(fā)高通量的熱疲勞試驗系統(tǒng)尤為必要。

近年來，材料基因工程在國際材料領(lǐng)域逐漸興起，它的基本理念是將高通量計算、高通量實驗和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，以加速新材料的設(shè)計和研發(fā)[7]。其中，高通量實驗是材料基因組工程的重要組成部分，其核心思想是把原有的順序迭代方法改為并行或高效的串行實驗。典型的高通量測試方法包括：高通量微區(qū)熱力學(xué)表征、高通量微區(qū)力學(xué)性能表征、高通量微區(qū)電化學(xué)性能表征、高通量催化性能表征、高通量光學(xué)性能表征、高通量電磁學(xué)性能表征等[8]。然而目前并未見高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的公開報道。

為了克服目前傳統(tǒng)的電加熱熱疲勞試驗器效率較低的問題，本文采用高通量實驗的思想，通過增加并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)、加熱裝置和測溫模塊，成功研制出了高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)，可大幅度提高熱疲勞試驗的效率。

1 高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的熱疲勞試驗系統(tǒng)，通常由一個升降機構(gòu)、高溫爐和測溫模塊構(gòu)成。這種試驗系統(tǒng)一次只能開展一個試驗件的熱疲勞試驗，效率低下。為了有效解決該問題，本文提出了如圖1所示的高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個執(zhí)行機構(gòu)、多個加熱爐和測溫裝置構(gòu)成，通過一個橫向連接桿將多組升降桿連接在一起，實現(xiàn)將多個試驗件放入和拉出加熱爐的功能。

高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)由步進電機和直線滑軌構(gòu)成。直線滑軌上的滑塊在絲桿的帶動下實現(xiàn)上下運動。橫向連接桿通過螺栓固定在滑塊上，同時還與多組升降桿連接。升降桿末端為陶瓷材料，可在1 200 ℃下工作。為了避免熱量向橫向連接桿傳遞，在橫向連接桿處設(shè)置了水冷模塊。橫向連接桿必須具有較高的剛性，這樣才能避免試驗件在升降過程中發(fā)生過大的抖動，保證試驗件能精準地進出爐膛。由于橫向連接桿是一個懸臂結(jié)構(gòu)，其根部的連接剛性對整體剛性的影響較大，因此需要采用直徑大于8 mm的螺栓。

試驗系統(tǒng)由控制器驅(qū)動步進電機實現(xiàn)試驗件的周期性升降。因為熱疲勞試驗主要包括升溫-保溫和降溫-保溫兩個過程。控制器只需要具備定時升降功能即可，但是需要在執(zhí)行機構(gòu)底部設(shè)置一個停止開關(guān)，以免執(zhí)行機構(gòu)在試驗件的自重下發(fā)生緩慢下滑的情況。

2 高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的溫控模塊設(shè)計

為了保證每個試驗件都能達到設(shè)定的溫度值，本文為每一個溫度循環(huán)通道設(shè)計了獨立的加熱爐和溫控模塊，如圖1所示。加熱爐為對開式，爐腔直徑為50 mm，均溫段約200 mm，能在1 200 ℃下長時間穩(wěn)定工作。溫控器為RP-100P型，溫度波動在2%以內(nèi)，有效保證了溫度的穩(wěn)定性。

溫度的準確測量是熱疲勞試驗系統(tǒng)的基本要求。因為結(jié)構(gòu)材料的熱慣性，試驗件上會存在溫度梯度，因此需要通過多點溫度測量來獲取溫度分布。為了實現(xiàn)這個目標，本文在每個試驗件上設(shè)置6個測溫點，采用32通道測溫儀來獲得3個加載通道的所有18個測溫點數(shù)據(jù)。熱電偶采用具有一定剛性的型號，這樣可以直接利用熱電偶來掛載試件，實現(xiàn)800 ℃及以上溫度的熱疲勞試驗。熱電偶測溫點布置和多通道測溫儀如圖2所示。

3 高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)的實測結(jié)果

3.1? ? 試驗方案

本文設(shè)計的高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)在南京鑫合材料分析檢測有限公司進行了測試。試驗方案如下：

（1）對試驗件進行目視檢驗，查看是否具有明顯缺陷;

（2）對連接結(jié)構(gòu)主要幾何尺寸進行測量、稱重，然后拍攝試樣初始照片;

（3）將試驗件分為3個截面，并在每個截面上標記熱電偶測點位置（至少3個）;

（4）依照上一步測點位置，將多通道熱電偶測點按照從上到下，每個截面按照順時針順序布置熱電偶并使用石棉線固定熱電偶;

（5）將試驗件安裝在高通量熱疲勞試驗機上，拍攝照片;

（6）啟動試驗機裝置，查看試驗件與高溫爐是否發(fā)生干涉，查看熱電偶測點在試驗過程中是否松動，如發(fā)生干涉與松動則進行調(diào)整，若無則進行下一步操作;

（7）將多通道測溫儀與數(shù)據(jù)采集計算機連接，設(shè)置采集參數(shù);

（8）設(shè)置高通量熱疲勞試驗機的測試參數(shù)，保證足夠的升降溫時間;

（9）使用測試試樣進行預(yù)測試，對設(shè)置參數(shù)進行調(diào)整及驗證，主要考核試樣表面溫度、溫度均勻度以及冷卻氣流流量;

（10）設(shè)定目標循環(huán)數(shù)為300次，平均分成30個時間點進行檢測，每10次循環(huán)結(jié)束后取下試驗樣，稱重（水淬試樣應(yīng)先烘干），測量尺寸，使用光學(xué)顯微鏡觀察試驗件表面裂紋，記錄裂紋的位置和長度，如果裂紋長度達到6 mm，則停止試驗并拍攝照片，如果裂紋長度小于6 mm，則拍攝照片后繼續(xù)進行試驗，如果循環(huán)數(shù)達到預(yù)定目標的300次，則停止試驗;

（11）選取代表性試樣，剖切并進行SEM掃描和EDS分析;

（12）封存試樣（防潮、防腐蝕、防碰撞），撰寫試驗報告。

3.2? ? 實測結(jié)果

在試驗過程中試驗件的升降溫方案如圖3所示，每個試驗件的溫度測試通量數(shù)為3個。圖中T1和T2分別為熱疲勞試驗的谷值和峰值溫度點，單位為K。t1、t2、t3、t4分別為加溫、峰值保溫、降溫和谷值保溫的時間。

試驗件表面的溫度-時間曲線如圖4所示。

試驗結(jié)果表明，各試驗件表面溫度-時間曲線無明顯偏差，證實該試驗系統(tǒng)可有效提高試驗效率，同時保證了試驗件表面溫度偏差在5 ℃以內(nèi)。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)電加熱型熱疲勞試驗系統(tǒng)效率低下的問題，借鑒材料基因工程中高通量測試的思想，通過增加并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)、加熱裝置和測溫模塊，研制出了高通量熱疲勞試驗系統(tǒng)。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的工作溫度達到了800 ℃，有效提高了測試效率，其試件溫度波動范圍能夠控制在5 ℃以內(nèi)。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-08-06

作者簡介：王小黨（1988—），男，甘肅隴西人，碩士研究生，研究方向：航空發(fā)動機測試、航空發(fā)動機試驗設(shè)施管理。

鎮(zhèn)璐娜（1989—），女，湖南株洲人，碩士研究生，研究方向：航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計。

沈陽（1961—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：高溫結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)。