本發明涉及熱疲勞實驗領域，特別涉及一種恒定機械應力加載的以脈沖激光為熱源的熱疲勞實驗裝置。

背景技術：

隨著發動機向高功率密度、高緊湊方向發展，由高熱負荷引起的燃燒室組件及其材料的熱損傷問題日益突出，已引起各國研究機構的高度重視，并分別基于高頻感應線圈、石英燈、高溫輻射、電阻加熱器、高溫燃氣等加熱方法建立起相應的實驗平臺，進行熱疲勞實驗研究，但是這幾種加熱方式在實現準確的構件溫度分布方面難度大，并存在不同程度的缺陷，主要表現在熱源能量不夠集中、可控性較差，導致實驗周期長、耗資巨大。另外，現有對樣品的加熱方式多是采用整體加熱，使得樣品本身的溫度梯度很小。

此外，由于自由膨脹的熱疲勞實驗樣品的疲勞裂紋擴展方向是隨機的，現有實驗中為了在熱疲勞實驗時產生定向擴展裂紋，通常采用帶缺口的樣品，但這樣就不可避免地對樣品表面產生損傷，影響了實驗效果。

技術實現要素：

本發明的目的是要提供一種恒定機械應力加載的以脈沖激光為熱源的熱疲勞實驗裝置。

特別地，本發明提供一種熱疲勞實驗裝置，包括：

工作架，包括激光固定架；

激光加熱系統，安裝在所述激光固定架上，用于加熱樣品；

樣品放置座，位于所述激光發生器的下方，包括固定樣品的夾持裝置，所述夾持裝置包括兩塊相對設置的夾持塊，和驅動兩塊所述夾持塊相對運動的動力裝置；

溫度測量裝置，用于實時監測樣品在實驗過程中的溫度變化；

裂紋觀測裝置，用于通過圖像設備監測樣品表面在實驗過程中的狀態變化；

冷卻裝置，用于降低樣品的溫度；

控制單元，用于控制各部件的實驗參數。

在本發明的一個實施方式中，所述激光固定架通過升降裝置與所述工作架連接，所述工作架包括垂直設置的安裝柱，所述升降裝置包括套在所述安裝柱上的調節套，所述調節套的側邊固定有與所述激光固定架連接的橫桿，所述調節套通過穿過所述調節套的固定螺栓與所述安裝柱固定。

在本發明的一個實施方式中，所述激光發生器包括脈沖激光發生器，和調節所述脈沖激光發生器的激光輸出時空間光強分布的光束變換系統。

在本發明的一個實施方式中，所述溫度測量裝置為紅外測溫儀或熱電偶。

在本發明的一個實施方式中，所述冷卻裝置包括輸送冷卻介質的輸送管路，安裝在所述輸送管路上的電磁閥和流量計；所述輸送管路的輸出端與放置在所述夾持裝置上的樣品相對，所述冷卻介質為壓縮空氣或水。

在本發明的一個實施方式中，兩塊所述夾持塊分為主動夾持塊和被動夾持塊，所述被動夾持塊包括相互垂直連接的夾持板和滑動座，所述主動夾持塊放置在所述滑動座上，在所述主動夾持塊上設置有壓力傳感器和位移傳感器。

在本發明的一個實施方式中，所述動力裝置包括分別設置在所述主動夾持塊和所述被動夾持塊相對外側的夾持氣缸；或將被動夾持塊固定，同時用絲桿連接所述主動夾持塊相對所述被動夾持塊相對運動的機械夾持結構。

在本發明的一個實施方式中，所述樣品放置座還包括傾斜調節結構，所述傾斜調節結構包括固定所述夾持裝置的調節臺，和調節所述調節臺傾斜角度和旋轉角度的調節座，所述調節座包括旋轉臺，和用于插裝所述旋轉臺的插座，以及安裝在所述旋轉臺上調整所述調節臺傾斜角度的高度調節桿，所述高度調節桿通過萬向節與所述調節臺的底面連接，在所述插座上設置有固定插入后旋轉臺的固定螺栓。

在本發明的一個實施方式中，所述樣品放置座還包括調節樣品在平面上任意位置的平面調節裝置，所述平面調節裝置包括設置在所述調節臺與所述夾持裝置接觸一面上的橫向調節結構，和設置在所述工作架上以固定所述插座的縱向調節結構；所述橫向調節結構包括設置在所述調節臺上內凹或外凸的橫向滑槽，所述夾持裝置通過卡入所述橫向滑槽的滑塊與所述調節臺滑動連接；所述縱向調節結構包括設置在所述工作架上的內凹或外凸的縱向滑槽，所述插座卡入所述縱向滑槽后與所述工作架滑動連接。

在本發明的一個實施方式中，所述夾持裝置的夾持力大小與樣品的裂紋擴展速度成正比，且所述裂紋擴展方向與夾持力方向平行。

本發明采用脈沖激光作為熱源，能有效利用脈沖激光的加熱特點，結合不同冷卻速率的冷卻方式，準確模擬受熱零件及材料不同變化頻率的溫度波動，樣品在經歷熱循環溫度波動的同時受到恒定機械應力加載，能在平行于壓縮載荷方向上產生定向擴展裂紋，可以滿足材料樣品以及結構件的熱疲勞性能測試，具有重要的科學意義及工程價值。

本發明中，激光加熱系統僅對樣品表面薄層進行加熱，樣品本身的溫度梯度很大，通過輔助的冷卻裝置，使得裂紋萌生擴展更快，進一步縮短試驗周期。

附圖說明

圖1是本發明一個實施方式的熱疲勞實驗裝置結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明一個實施方式的熱疲勞實驗裝置100一般性地包括工作架10、激光加熱系統20、樣品放置座30、溫度測量裝置40、裂紋觀測裝置70、冷卻裝置50和控制單元60。

該工作架10為各設備提供安裝基座，在工作架上安裝有激光固定架21。

該激光加熱系統20安裝在激光固定架21上，按實驗要求向樣品發射激光，這里的實驗要求包括激光的脈沖間隔、重復率、單脈沖能量以及脈寬等參數。

該樣品放置座30位于激光加熱系統20的下方，包括固定樣品的夾持裝置31，該夾持裝置31可以包括兩塊相對設置以將樣品穩定住的夾持塊，和驅動兩塊夾持塊相對運動以對樣品施加恒定應力的動力裝置。

該溫度測量裝置40用于實時獲取樣品在整個實驗過程中的溫度變化值，可以采用現有的各種測溫設備。

該裂紋觀測裝置70用于通過相應的圖像設備觀測樣品在實驗過程中的狀態變化；該變化主要是樣品在受規律或不規律的高-低循環溫度刺激下，樣品表面出現裂紋時的時間、分布形式、密度、長度和寬度等信息隨時間變化的狀態信息。具體的圖像設備可以是顯微鏡或CCD等能夠持續觀察和獲取樣品變化圖像的設備，其獲取的圖像可以直接輸送至控制單元進行實時分析和/或作為后續研究資料。

該冷卻裝置50根據實驗需要選擇需要的冷卻速率和冷卻介質及流量，以對樣品按指定要求進行降溫，可在樣品加熱結束后的冷卻階段提供較大的冷卻速率，使樣品內部和外表面形成較大的溫度梯度，產生較大的熱應力，從而更易形成裂紋。

該控制單元60控制上述部件按預定實驗條件加載運行參數，包括脈沖激光的各工作參數，冷卻裝置的各冷卻條件，動力裝置的加載力大小等。

本實施方式采用脈沖激光作為熱源，能有效利用脈沖激光的加熱特點，結合不同冷卻速率的冷卻方式，準確模擬受熱零件及材料不同變化頻率的溫度波動，樣品在經歷熱循環溫度波動的同時受到恒定機械應力加載，能在平行于壓縮載荷方向上產生定向擴展裂紋。本實施方式中，激光加熱系統僅對樣品表面薄層進行加熱，樣品本身的溫度梯度很大，通過輔助的冷卻裝置，使得裂紋萌生擴展更快，進一步縮短試驗周期。

在工作時，激光加熱系統安裝在工作架10上，將待測試的樣品放置在樣品放置座30上，利用夾持裝置31的兩個夾持塊將樣品夾持住，同時通過控制單元60控制動力裝置對樣品施加指定大小的恒定應力。然后啟動激光加熱系統20對樣品進行預定脈沖激光參數的激光照射，以模擬樣品所受高溫，利用冷卻裝置50對樣品進行預定溫度的降溫，使樣品表面承受模擬環境下的低溫狀態。通過激光加熱系統20和冷卻系統50可以相對模擬樣品在實際環境中所承受的冷熱溫度變化。通過溫度測量裝置40可以獲取樣品表面和/或內部的溫度變化。而控制單元60可以控制整個實驗過程中各個部件的運行參數，以得到更精確的模擬環境。

在本實施方式中，樣品的擴展裂紋方向與其所受夾持力方向平行，而且夾持裝置31的夾持力大小與樣品的裂紋擴展速度成正比，即夾持力越大樣品產生定向裂紋的擴展速度越快。

本實施方式能夠滿足不同材料樣品以及結構件的熱疲勞性能測試，并提供精確的實驗結果，具有重要的科學意義及工程價值。

在本發明的一個實施方式中，為方便調整激光的照射距離，該激光固定架21可以通過升降裝置11與工作架10連接，工作架10可以包括一根垂直設置的安裝柱12，該升降裝置11可以包括套在安裝柱12上的調節套111，在調節套111的側邊固定有與激光固定架21連接的橫桿112，調節套111通過穿過調節套111的固定螺栓113與安裝柱12固定。

在使用時，具體的激光加熱系統20安裝在激光固定架21上，其激光發射方向朝向下方，通過移動調節套111在安裝柱12上的位置，可以粗調激光加熱系統與樣品的照射距離。在調整至合適位置時，通過擰緊固定螺栓113即可將調節套111固定在安裝柱12的當前位置上。為防止調節套111下滑，可以在安裝柱12上按列設置多個螺紋孔，再將固定螺栓113擰入相應的螺紋孔中。

在其它的實施方式中，也可以在安裝柱12上安裝相應的齒條結構或滑輪組結構來控制激光固定架11的升降。

進一步地，在本發明的一個實施方式中，該激光加熱系統20可以包括脈沖激光發生器，和調節脈沖激光發生器的激光輸出時空間光強分布的光束變換系統22。

在本發明的一個實施方式中，該溫度測量裝置40可以為紅外測溫儀和/或熱電偶。紅外測溫儀可以用于獲取樣品表面的溫度，而熱電偶可以用于獲取樣品內部的溫度。

在本發明的一個實施方式中，該冷卻裝置50可以包括輸送冷卻介質的輸送管路51，安裝在輸送管路51上控制冷卻介質流量的電磁閥和流量計52。本實施方式中，輸送管路51的輸出端與放置在樣品放置座30上的樣品相對，其排出的冷卻介質直接作用到樣品上，達到充分冷卻的目的。具體的冷卻介質可以為壓縮空氣或水。進一步地，在其它實施方式中，可以在樣品放置座30的夾持塊內設置相應的冷卻介質流通通道，直接以夾持塊作為冷卻媒體。此外還可以在樣品內部設置冷卻循環管路，利用冷卻液體或壓縮空氣由樣品內部進行降溫。

在本發明的一個實施方式中，為方便樣品夾持，可以將兩塊夾持塊分為主動夾持塊312和被動夾持塊311，被動夾持塊311包括相互垂直連接的夾持板和滑動座，主動夾持塊312放置在滑動座上并可沿滑動座移動，在主動夾持塊312或被動夾持塊311上設置有壓力傳感器和位移傳感器。

在使用時，樣品可以放置在被動夾持塊311的滑動座上，再驅動主動夾持塊312由樣品相對被動夾持板311一側推動樣品，最終和被動夾持板311一起將樣品夾持住且使其承受恒定的應力。在本實施方式中，被動夾持塊311可以僅作為樣品承載臺與安裝架10或其它固定點固定，并被動承受主動夾持塊312的擠壓。也可以在作為樣品承載臺的同時，受動力裝置的控制而與主動夾持塊312相對運動。壓力傳感器和位移傳感器可以分別測量樣品受到的壓縮載荷以及可移動端的位移量，并反饋給控制單元。

具體的夾持塊上還可以根據需要設置相應的夾持結構，如夾緊氣缸，以固定非對稱樣品或形狀特殊的樣品。

在本發明的一個實施方式中，該動力裝置可以包括分別設置在主動夾持塊312和被動夾持塊311相對外側的夾持氣缸，夾持氣缸在施加夾持力時，可以相對的推動主動夾持塊312和被動夾持塊311同時對中間的樣品進行擠壓。

動力裝置還可以是將被動夾持塊311固定，同時用絲桿連接主動夾持塊312相對被動夾持塊311相對運動的機械夾持結構，如臺鉗。

在本發明的一個實施方式中，為避免樣品反射激光，該樣品放置座30還可以包括傾斜調節結構，傾斜調節結構包括固定夾持裝置31的調節臺33，和調節調節臺33傾斜角度和旋轉角度的調節座，調節座包括旋轉臺35，和用于插裝旋轉臺35的插座37，以及安裝在旋轉臺35上調整調節臺33傾斜角度的高度調節桿34，高度調節桿34通過萬向節與調節臺33的底面連接，在插座37上設置有固定插入后旋轉臺35的固定螺栓38。

當樣品被夾持裝置31夾持后，通過擰動高度調節桿34，可控制其上端凸出旋轉臺35上表面的高度，使其將調節臺33以一側為支點傾斜頂起，也就調整了樣品的傾斜角度。調節臺33可以通過一側邊與夾持裝置31的一側邊軸連接，而高度調節桿34安裝在調節臺33的另一側邊，通過萬向節可使高度調節桿34任意變換方向和角度而不影響調節臺33。旋轉臺35通過固定柱36與插座37插接，使得旋轉臺35能夠在平面上實現360度的旋轉，從而調整樣品反射激光的方向。同時通過升降固定柱36還可以調整樣品在垂直方向上的高度(空間Z方向)。插座37可以是安裝架10的一部分，也可以是獨立的部件。通過將樣品調成傾斜狀態，可以避免樣品表面反射的激光束損壞光束變換系統21或脈沖激光發生器。本實施方式將樣品傾斜的目的除了防止樣品反射激光損壞光纖及光束變換系統外，還可以方便溫度測量裝置的探頭垂直照射于樣品表面，獲取更精確的溫度值。

進一步地，為方便調整樣品受熱位置，該樣品放置座30還可以包括調節樣品在平面上任意位置的平面調節裝置(圖中未示出)，平面調節裝置包括設置在調節臺33與夾持裝置31接觸一面上的橫向調節結構(X方向)，和設置在工作架10上以固定插座37的縱向調節結構(Y方向)。該橫向調節結構可以包括設置在調節臺33上內凹或外凸的橫向滑槽，夾持裝置31通過卡入橫向滑槽的滑塊與調節臺33滑動連接；縱向調節結構可以包括設置在工作架10上的內凹或外凸的縱向滑槽，插座37卡入縱向滑槽后與工作架10滑動連接。

在對樣品的受熱位置進行調節時，可以控制調節臺33在橫向滑槽上滑動至預定位置，再控制插座37在縱向滑槽上滑動至預定位置，從而使樣品可在一定范圍內到達平面內任一點位置。

本實施方式結合傾斜調節結構后，可以實現樣品在空間內X、Y、Z方向任意位置的調整。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。