高通量熱疲勞試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的必要性，分析了高通量熱疲勞試驗(yàn)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(jì)、測溫模塊設(shè)計(jì)以及實(shí)際效果3個方面，對高通量熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對今后熱疲勞試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

熱疲勞是機(jī)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(jì)人員需要通過大量的熱疲勞試驗(yàn)來獲得其失效機(jī)制以及裂紋萌生與擴(kuò)展的規(guī)律[5]。熱疲勞試驗(yàn)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(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。但是單個試驗(yàn)件的順序測試方法效率極為低下，不利于大規(guī)模試驗(yàn)獲得海量數(shù)據(jù)，因此研發(fā)高通量的熱疲勞試驗(yàn)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(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，以加速新材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)[7]。其中，高通量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(yàn)系統(tǒng)的公開報(bào)道。

為了克服目前傳統(tǒng)的電加熱熱疲勞試驗(yàn)器效率較低的問題，本文采用高通量實(shí)驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，可大幅度提高熱疲勞試驗(yàn)的效率。

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

傳統(tǒng)的熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，通常由一個升降機(jī)構(gòu)、高溫爐和測溫模塊構(gòu)成。這種試驗(yàn)系統(tǒng)一次只能開展一個試驗(yàn)件的熱疲勞試驗(yàn)，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(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)將多個試驗(yàn)件放入和拉出加熱爐的功能。

高通量熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)和直線滑軌構(gòu)成。直線滑軌上的滑塊在絲桿的帶動下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)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(yàn)件在升降過程中發(fā)生過大的抖動，保證試驗(yàn)件能精準(zhǔn)地進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)由控制器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件的周期性升降。因?yàn)闊崞谠囼?yàn)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(jī)構(gòu)底部設(shè)置一個停止開關(guān)，以免執(zhí)行機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)件的自重下發(fā)生緩慢下滑的情況。

2 高通量熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的溫控模塊設(shè)計(jì)

為了保證每個試驗(yàn)件都能達(dá)到設(shè)定的溫度值，本文為每一個溫度循環(huán)通道設(shè)計(jì)了獨(dú)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(zhǔn)確測量是熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的基本要求。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料的熱慣性，試驗(yàn)件上會存在溫度梯度，因此需要通過多點(diǎn)溫度測量來獲取溫度分布。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，本文在每個試驗(yàn)件上設(shè)置6個測溫點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)800 ℃及以上溫度的熱疲勞試驗(yàn)。熱電偶測溫點(diǎn)布置和多通道測溫儀如圖2所示。

3 高通量熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)測結(jié)果

3.1? ? 試驗(yàn)方案

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

（1）對試驗(yàn)件進(jìn)行目視檢驗(yàn)，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(jìn)行測量、稱重，然后拍攝試樣初始照片;

（3）將試驗(yàn)件分為3個截面，并在每個截面上標(biāo)記熱電偶測點(diǎn)位置（至少3個）;

（4）依照上一步測點(diǎn)位置，將多通道熱電偶測點(diǎn)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(yàn)件安裝在高通量熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上，拍攝照片;

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

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

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

（9）使用測試試樣進(jìn)行預(yù)測試，對設(shè)置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整及驗(yàn)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(biāo)循環(huán)數(shù)為300次，平均分成30個時間點(diǎn)進(jìn)行檢測，每10次循環(huán)結(jié)束后取下試驗(yàn)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(yàn)件表面裂紋，記錄裂紋的位置和長度，如果裂紋長度達(dá)到6 mm，則停止試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，如果循環(huán)數(shù)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的300次，則停止試驗(yàn);

（11）選取代表性試樣，剖切并進(jìn)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(yàn)報(bào)告。

3.2? ? 實(shí)測結(jié)果

在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件的升降溫方案如圖3所示，每個試驗(yàn)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(yàn)的谷值和峰值溫度點(diǎn)，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(yàn)件表面的溫度-時間曲線如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各試驗(yàn)件表面溫度-時間曲線無明顯偏差，證實(shí)該試驗(yàn)系統(tǒng)可有效提高試驗(yàn)效率，同時保證了試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)。實(shí)際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的工作溫度達(dá)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)。

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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(jī)測試、航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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