1500℃高温真空(充气)环境蠕变疲劳试验装置研发

薛吉林，刘孝亮，范志超，马双伟，王　慧，王　冰

(1.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031；3.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

1500℃高温真空(充气)环境蠕变疲劳试验装置研发

薛吉林1,2，刘孝亮1,2，范志超1,2，马双伟3，王慧3，王冰1,2

(1.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031；3.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：研发了高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置，实现了高温真空可充气环境中金属材料的蠕变、持久、疲劳等安全性能的测试。试验装置由3部分组成：复杂应力加载机构及其测控系统、1500℃加热-冷却机构及其测控系统、真空可充气气氛结构及其充气压力测控系统。试验装置可实现高温真空或充气环境中多种波形自由组合动态加载，频率0.01～1Hz可调，加热温度高达1500℃。该试验装置为高温复杂应力真空可充气环境下材料性能数据库建立、失效机理研究、相关理论模型的试验验证等提供了有力的装备支撑。

关键词：试验装置；高温；真空环境；蠕变疲劳

1前言

在航空航天、能源电力、石油化工等领域，航天飞行器零部件、燃气轮机、真空锅炉等设备处于高温真空环境中运行[1-3]，且仍向超高温、高参数、介质苛刻化等极端方向发展，燃气轮机机组温度更是高达1500℃。高温、超高温真空环境中服役的设备常为关键核心部件，一旦发生失效、泄漏或爆炸事故，往往造成生产中断、重大人员伤亡、财产损失和环境污染等问题[4]。因此，在逐步提高其工艺参数和生产效率的同时，必须对设备寿命和可靠性提出更高要求。

国内已经开发出不带环境箱的单一方向动态加载、双向动态加载高温蠕变疲劳试验机[5-6]。在带环境箱方面，也开发出了高温蒸汽环境和高温腐蚀环境下的蠕变疲劳试验装置[7-8]。目前，国内尚无高温真空环境蠕变疲劳试验装置。因此，研发高温真空环境材料性能试验装置，实现在高温甚至超高温真空环境下进行材料蠕变、持久、疲劳等性能测试，无论是机构设计、制造、机电控制，还是人机安全保障、长时运行可靠性保证等，都是一个新的挑战。

2高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置总体构成

2.1试验装置的整体结构

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置由3部分组成：复杂应力加载机构及其测控系统、1500℃加热-冷却机构及其测控系统、真空可充气气氛结构及其充气压力测控系统。高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置的整体结构如图1所示，其构成原理如图2所示。高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置可对试样产生3种作用：复杂应力作用、高温热作用以及真空可充气氛围作用。

图1　高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置

图2　高温真空可充气环境装置原理图

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置可模拟真空氛围下或充保护性气体氛围下的高温试验。该试验装置采用中频感应加热方式，炉壳采用循环水冷却，密封采用波纹管动密封方式，可进行拉压过零疲劳试验。

2.2试验装置的技术参数

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置主要技术参数如表1所示。

表1　试验装置主要技术参数

2.3试验装置的整体控制系统

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置控制系统由触摸屏、PLC、电流电压监测元件以及压力监测装置等构成，其控制系统原理框图如图3所示。

图3　高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置控制系统原理框图

3高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置的结构组成与变形测量方法

3.1复杂应力加载机构及其测控系统

采用伺服电机系统、球体减速器、滚珠丝杠等实现加载，外置载荷传感器测量载荷。实现斜波、三角波、梯形波、余弦波等自由组合加载，最大加载力±50kN，加载频率0.01-1.0Hz。

开发了一套以ARM9芯片为核心的嵌入式加载路径控制系统，如图4所示。该系统与上位机以网络通信的方式进行连接，具有数据高速处理、长时试验稳定可靠的特性。可按照直线、保持、三角波、余弦波、梯形波等波形随意组合成复杂的加载路径。图5是余弦波与三角波的连续组合加载试验曲线，图6是梯形波(局部)、余弦波以及三角波的间断组合加载试验曲线。

图4　嵌入式加载路径控制系统

图5　余弦波与三角波连续组合加载试验曲线

图6　梯形波、余弦波以及三角波间断组合加载试验曲线

3.2高温加热-冷却机构及其测控系统

高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置的最高工作温度为1500℃，试样加热方式为感应加热。炉温控制由温度控制器、感应加热电源、感应圈及温度测量元件构成，并配合冷却水，对真空容器壁、感应圈电极、隔热挡板进行冷却。

3.3真空环境结构及充气压力测控系统

真空环境结构为中空管腔构造，内置用于加热试样的感应加热组件。真空容器的外周围设有加载框架，加载框架上设有穿过真空容器并与试样固定连接的上、下拉杆。上、下拉杆的杆身分别同轴设有上、下环盖，上、下环盖与真空容器的相应管口固定且与波纹管密封连接。上、下环盖、波纹管和真空容器共同围合而成的内腔构成真空试验环境，如图2所示。

此外，真空容器还分别与机械泵、扩散泵等抽真空组件以及充气组件相连接。试验时，先用机械泵抽真空室和扩散泵，达到指定真空度以后，开启扩散泵，进一步对真空室抽真空，达到试验要求真空度。当进行充气环境试验时，可开启充气组件，由压力传感器检测容器内压力水平。

3.4变形测量方法及变形引伸机构

国内1000℃以下的高温引伸计技术比较成熟，但若用于1500℃环境下，现有的应变片性能、弹性体工艺与国外同类产品尚存很大差距。课题组攻克了引伸计弹性体热处理工艺、零点补偿、温度补偿、高性能应变片的应用、冷却结构及方式等系列技术难题，研发了1500℃高温引伸计。引伸计采用双弯曲弹性体、数字式测量方式，自定标距，自紧式夹持方式直接接触测量试样变形。对引伸杆连接件进行水冷，降低引伸杆传导至弹性体的温度，如图7所示。

图7　1500℃高温引伸计

4试验软件系统及长时试验数据备份系统开发

开发了高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置试验软件系统，功能菜单包括试验控制、数据处理、系统帮助、退出系统、辅助工具和权限设置等。其中，监控窗口主要用来监控设备基本运行情况，界面如图8所示。

图8　高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置软件监控窗口界面

此外，还开发了长时试验数据备份系统，实现了数据的共享和实时备份以及主控计算机和备用主控机的冗余控制，其原理如图9所示。

图9　长时试验数据备份系统原理

5结论

高温真空环境下，设备运行过程中会受到高温、真空环境与机械应力的交互作用，导致材料性能退化以至设备失效及破坏。相应的材料性能测试与损伤机理等研究亟待研发同时具有高温加热与复杂交变载荷加载能力的真空环境材料性能测试仪器。基于此，开发了一套高温真空可充气环境蠕变疲劳试验装置，实现了高温真空可充气环境中对金属试样的复杂应力加载。加热温度高达1500℃，多种波形自由组合动态加载，频率0.01～1.0Hz可调，可进行蠕变、持久、疲劳等高温真空可充气环境材料性能测试。该试验装置为高温复杂应力高温真空可充气环境下相关理论模型的试验验证、失效机理研究、材料性能数据库建立等提供了有力的装备支撑。

参考文献

[1]柳晓宁,王奕荣.航天器真空热试验超高温模拟技术实现重大突破[J].中国航天,2015,(2):10.

[2]董亮.火电厂汽轮机低真空运行的原因及对策[J].科技创新与应用,2015,33:127.

[3]何天荣.真空锅炉安全及其改进应用[J].锅炉压力容器安全技术,2003,(4):5-7.

[4]胡树兵,付琴,陈燕玉.汽轮机叶片断裂失效分析[J].材料保护,2014,(S1):172-176.

[5]长春试验机研究所有限公司.新型高温电子蠕变松弛持久疲劳试验机开发成功填补国内技术空白[J].中国仪器仪表,2008,(4):19.

[6]沈维堂,徐景伟,赵兰兰,等.高温蠕变疲劳试验机[J].工程与试验,2014,54(3):48-51.

[7]轩福贞,朱明亮,李煜佳,等.高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法:CN201410160999.6[P].2014-07-30.

[8]张建勋,周涛,朱彤,等.一种腐蚀及高温环境下的低周疲劳试验装置及方法:CN201410020154.7[P].2014-05-07.

Development for Creep Fatigue Testing Apparatus in Vacuum or Inflatable Environment at High Temperature of 1500℃

Xue Jilin1,2,Liu Xiaoliang1,2,Fan Zhichao1,2,Ma Shuangwei3,Wang Hui3,Wang Bing1,2

(1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,Anhui,China; 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline, Hefei 230031,Anhui,China; 3.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China)

Abstract：A new creep fatigue testing apparatus in vacuum or inflatable environment at high temperature is developed,which can be used for creep,fatigue,creep-fatigue interaction test and so on.The testing apparatus consists of a loading system,a heating system and vacuum or inflatable environment system.The specimen can be loaded in various waves-such as sinusoid wave,triangular wave and trapezoidal wave,and the waves can be arbitrarily combined with frequency range of 0.01 to 1Hz by the testing apparatus.The highest test temperature is up to 1500℃.The testing apparatus provides an instrument for safety property test,establishment of material property database and failure analysis of metallic materials in vacuum or inflatable environment at high temperature.

Keywords:testing apparatus;high temperature;vacuum environment;creep fatigue

[收稿日期]2016-02-18

[作者简介]薛吉林(1984—)，男，工程师，主要从事极端环境承压设备安全性能测试仪研发工作。

[基金项目]国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ220233)。

中图分类号：TH87

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.017