盧 波，姚丙南，馬雙偉，王 慧，賈淏然，楊 彬，任 霞，孫松野

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學工程技術學院，吉林 長春 130118；2.中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

近年來，隨著高推重比航空發(fā)動機、高沖質(zhì)比火箭發(fā)動機及核聚變反應堆、高性能汽車材料、軌道交通的快速發(fā)展，對材料力學性能測試溫度的要求更高，模擬試驗環(huán)境的要求更具多樣性(真空、保護氣體、氧含量、腐蝕介質(zhì)等)[1，2]。目前，國內(nèi)罕有試驗溫度達到2500℃的真空(氣氛)環(huán)境材料力學性能試驗裝置，而國外產(chǎn)品由于受到技術和軍事壟斷一直受限進口，使我國航空航天、核工業(yè)等國防與民用領域的需求受到極大的制約[3]?；诖?，中機試驗裝備股份有限公司研發(fā)了2500℃超高溫真空(氣氛)環(huán)境材料力學性能試驗裝置。該試驗裝置可為我國航空航天、核工業(yè)、石油化工等領域評價金屬材料及復合材料在不同溫度(1200℃～2500℃)、真空環(huán)境或充氣環(huán)境下的力學性能提供有力技術支撐，為新材料的應用提供全面的力學性能試驗數(shù)據(jù)，可有效地提高我國國防軍工等領域產(chǎn)品整體技術水平，確保其安全可靠，意義十分重大。

2 試驗裝置的主要功能和技術參數(shù)

該試驗裝置的主要功能如下：(1)常規(guī)狀態(tài)下材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能試驗；(2)為上述試驗提供2500℃的超高溫和真空(氣氛)試驗環(huán)境；(3)真空(氣氛)環(huán)境下的力-熱耦合加載試驗。該試驗裝置的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 試驗裝置主要技術參數(shù)

3 功能原理設計與技術路線

3.1 試驗裝置的功能原理設計

該試驗裝置除具備傳統(tǒng)試驗機的拉伸、壓縮、彎曲、剪切載荷加載測試功能外，還能實現(xiàn)真空(氣氛)環(huán)境下的力-熱耦合加載測試功能，結(jié)合引伸應變測量裝置與全場應變監(jiān)測組件實現(xiàn)對載荷作用下被測試樣變形損傷和斷裂行為的試驗測試。其功能原理設計采用模塊化思想，其載荷形式主要包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、高溫載荷以及上述載荷模式的力-熱耦合加載。

3.2 試驗裝置研制的技術路線

從實現(xiàn)超高溫極端環(huán)境下的力-熱耦合、靜態(tài)機械載荷下材料力學性能的原理方法出發(fā)，采用功能導向與模塊化設計思路，綜合運用理論分析、仿真研究和試驗測試相結(jié)合的方法，開展儀器多因素耦合的總體架構設計，其總體技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線圖

4 試驗裝置的結(jié)構組成與變形測量方法

4.1 試驗裝置的整體結(jié)構

該試驗裝置主要由靜態(tài)機械載荷加載系統(tǒng)(試驗主機)、真空(氣氛)環(huán)境箱、發(fā)熱體組件、夾具與變形測量組件、抽真空充氣組件和循環(huán)水冷系統(tǒng)等部分組成。其中，靜態(tài)機械載荷加載系統(tǒng)作為機械系統(tǒng)的支撐基礎，其臺面可用來為真空(氣氛)環(huán)境箱提供牢固支撐與精確定位；真空(氣氛)環(huán)境箱和抽真空充氣組件配合使用來保障試驗時所需要的真空環(huán)境和保護氣體環(huán)境；發(fā)熱體組件是力學試驗所處超高溫試驗環(huán)境的熱源；夾具與變形測量組件可實現(xiàn)拉伸、壓縮、彎曲、剪切載荷作用下被測試樣變形損傷和斷裂行為的試驗測試；循環(huán)水冷系統(tǒng)為試驗裝置各部分提供循環(huán)冷卻水以保證相關力學試驗在2500℃超高溫條件下正常工作。整體結(jié)構如圖2所示。

圖2 2500℃超高溫真空(氣氛)環(huán)境材料力學性能試驗裝置

4.2 靜態(tài)機械載荷加載系統(tǒng)

靜態(tài)機械載荷加載系統(tǒng)由主機框架、加載驅(qū)動系統(tǒng)、測力傳感器和控制系統(tǒng)等部分組成。主機框架采用四立柱門形結(jié)構，穩(wěn)固可靠，具有良好的靜態(tài)品質(zhì)，整體結(jié)構如圖3所示。加載驅(qū)動系統(tǒng)由交流伺服電機、減速器、同步帶傳動機構等構成，最大加載力為50kN。測力傳感器采用CLY20型號負荷傳感器，采用4線制端口，精度等級為0.5級，可實現(xiàn)拉壓雙向的負荷測量?？刂葡到y(tǒng)采用TMC1010型靜態(tài)控制器，標準型數(shù)據(jù)采集頻率70Hz，可實現(xiàn)三閉環(huán)(位移、負荷、變形)控制，且不同控制方式間可任意平滑切換。

圖3 主機框架結(jié)構示意圖

4.3 真空(氣氛)環(huán)境箱與抽真空充氣組件

真空(氣氛)環(huán)境箱是發(fā)熱體和夾具及變形測量引伸計工作使用的外部容器，其外形為臥式圓筒形狀，采用奧氏體不銹鋼焊接制造。真空(氣氛)環(huán)境箱由大小不同兩個真空/氛圍室組成，試驗時室內(nèi)氣氛相同。大、小真空/氛圍室全部為雙層水冷結(jié)構并設有觀察窗，上下均設置力學加載口，加載口端部通過焊接波紋管與力學加載裝置接口配合，實現(xiàn)加載過程中的動密封，保證試驗過程中的真空(氣氛)環(huán)境構建。其整體結(jié)構如圖4所示。

1.力學加載口 2.大真空/氛圍室 3.真空壓力傳感器 4.高真空閥組件 5.觀察窗 6.小真空/氛圍室 7.力學加載口圖4 真空(氣氛)環(huán)境箱結(jié)構示意圖

真空(氣氛)環(huán)境箱與抽真空充氣組件連接。試驗時，由分子泵對真空(氣氛)環(huán)境箱進行抽真空以達到試驗要求的真空度。當進行氣氛環(huán)境試驗時，由真空壓力傳感器、高真空閥組件配合使用來檢測并控制環(huán)境箱內(nèi)的氣氛壓力水平。

4.4 發(fā)熱體組件與溫控系統(tǒng)

發(fā)熱體組件由發(fā)熱體和熱防護裝置組成。發(fā)熱體采用半圓管狀的石墨材料，為對開式結(jié)構，通過控制加熱功率合理調(diào)控發(fā)熱體的表面溫度。發(fā)熱體外圍為熱防護裝置，同樣采用對開式結(jié)構，由石墨隔熱屏、水冷爐壁和托架組成。石墨隔熱屏固定在水冷爐壁上，托架和水冷爐壁為整體結(jié)構，統(tǒng)一通入冷卻水。發(fā)熱體通過伸到環(huán)境箱外部的電極桿和水冷電纜接到大功率電源上。當環(huán)境箱的箱門閉合后，發(fā)熱體組件隨之形成閉合整體。發(fā)熱體組件結(jié)構如圖5所示。

1.電極 2.石墨隔熱屏 3.水冷爐壁 4.托架圖5 發(fā)熱體組件結(jié)構示意圖

溫度加載控制采用AI智能溫控表，其具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能，通過移相觸發(fā)的方式控制可控硅的導通幅度，進而控制變壓器的輸出功率，最終控制發(fā)熱體發(fā)熱功率，達到調(diào)節(jié)試驗環(huán)境溫度的目的。其控制原理如圖6所示。

圖6 溫度加載控制原理圖

4.5 變形測量機構與測量方法

常規(guī)高溫環(huán)境下材料靜態(tài)力學性能測試中的應變測量通常采用引伸測量裝置，根據(jù)試驗類型可采用耐高溫引伸桿與耐高溫差動變壓器配合使的用方式或是耐高溫側(cè)插引伸計方式。近年來，隨著非接觸式應變測量技術的逐漸成熟，三維數(shù)字散斑、高景深3D顯微成像也開始應用于高溫應變測量領域。

本試驗裝置的最高試驗溫度2500℃屬于超高溫狀態(tài)，引伸裝置里的傳感器等部件會受到高溫作用而失效，因此將傳感器、放大器等不耐受高溫的部件遠離高溫環(huán)境并進行強制冷卻。同時，利用耐高溫陶瓷材料與耐高溫石墨材料制備成復合結(jié)構的引伸桿，將試樣形變引伸到可承受的較低溫度環(huán)境，并與位移傳感器等功能部件配合使用。為解決超高溫條件下材料應變測量中傳統(tǒng)接觸式測量結(jié)構兼容性差的技術問題，引進三維數(shù)字散斑新技術，研制了超高溫非接觸式測量模塊，應用于項目超高溫應變測試過程中。

5 試驗裝置的系統(tǒng)集成與功能驗證試驗

5.1 機械系統(tǒng)的集成

試驗裝置整體以真空(氣氛)環(huán)境箱為中心，其余各功能模塊圍繞真空(氣氛)環(huán)境箱在空間上輻射布置，在實現(xiàn)預定功能的同時，充分利用試樣周圍的空間，結(jié)構緊湊、高度模塊化。各功能模塊集成完畢后，試驗裝置整體如圖7所示。

圖7 試驗裝置整體照片

5.2 電氣系統(tǒng)的集成

電氣控制系統(tǒng)采用分布式雙層架構進行開發(fā)，由中央管理層和模塊控制層組成。處于頂層的中央管理層負責控制任務的綜合協(xié)調(diào)和分配，處于底層的模塊控制層通過相互獨立的控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制任務，并將關鍵數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡傳送到中央管理層。中央管理層對來自模塊控制層的數(shù)據(jù)進行集中操作管理，具有控制響應快、精度高、可靠性好、易于擴展等優(yōu)點。電控系統(tǒng)架構如圖8所示。

中央管理層主要由一臺高性能工控機和一套自主開發(fā)的操作控制軟件組成。通過操作控制軟件可實現(xiàn)多種試驗任務設計、試驗參數(shù)設定、控制指令發(fā)送、解析底層實時數(shù)據(jù)、試驗信息顯示與存儲等功能。模塊控制層主要由TMC控制器、水冷機組、溫度控制器、復合真空計等功能模塊子控制單元組成。子控制單元間相互獨立，互不干擾，可快速完成對應功能模塊的控制任務，與中央管理層采用相互獨立的通信線路進行數(shù)據(jù)的實時傳輸。

5.3 試驗裝置的功能驗證

本試驗裝置在國家試驗機質(zhì)量檢驗檢測中心開展功能驗證測試，通過開展測力系統(tǒng)、同軸度、高溫加載、應變測量、真空環(huán)境構建等系列檢驗測試對試驗裝置的技術指標進行驗證，開展復雜力-熱耦合試驗，驗證裝置的適用性與先進性。測試數(shù)據(jù)見表2，符合鑒定要求。

圖8 電控系統(tǒng)架構圖

表2 測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

該試驗裝置已按上述設計完成了具體的生產(chǎn)組裝、調(diào)試與綜合試驗，并經(jīng)過國家試驗機質(zhì)量檢驗檢測中心的第三方檢測，達到了預設的技術指標要求，順利通過驗收。成功研發(fā)的該試驗裝置具有一定的先進性及首創(chuàng)性，可為我國航空航天、核能等領域相關科研單位及企業(yè)應用的高溫合金、復合材料等典型材料的超高溫極端環(huán)境(真空或充氣環(huán)境)力學性能測試提供必備的儀器裝備，提升我國在該領域的國際競爭力。