一種熔體傳熱式壁材料表面熱疲勞試驗系統及方法
【專利摘要】一種熔體傳熱式壁材料表面熱疲勞試驗系統及方法屬于核能應用研究領域。系統包含高溫和低溫兩個溫度的熔融液體，分別盛裝在兩個溫度可控的坩堝內；系統還要包含裝卡樣品的卡具和一個可使樣品變換位置的機構，能夠讓樣品分別與高溫和低溫熔融液體直接接觸，從而實現樣品的加熱和冷卻。本發明使得樣品表面在所設定的高溫和低溫間反復變溫，使表面發生熱疲勞效應。本發明的目的是提供利用熔體傳導控溫方式進行材料表面熱疲勞性能試驗的方法。這種方法不僅可以提高試驗過程中的溫度控制精度，而且可提高材料表面的冷卻速度，增大表層溫度梯度，減少熱疲勞試驗中的熱循環次數。
【專利說明】一種熔體傳熱式壁材料表面熱疲勞試驗系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于核能應用研究領域，涉及一種利用熔體傳導控溫方式進行聚變內壁材料表面熱疲勞性能試驗的方法，該發明適用于研究核聚變內壁材料表面在服役過程中經受循環溫度變化的情況。
【背景技術】
[0002]核聚變能源的儲量豐富并且安全，具有巨大的應用前景，將可能成為人類的終極能源。
[0003]在核聚變裝置中，內壁的面對等離子體材料表面(以下簡稱“壁表面”)不僅要經受高熱沖擊、高劑量的中子和氘、氦等離子體輻照等嚴酷考驗，而且聚變裝置運行中還存在著持續的溫度波動，使壁表面產生熱疲勞效應，即產生表面熱疲勞裂紋。這些都會使壁表面產生損傷，影響壁表面材料的服役狀況，縮短壁材料的壽命。鎢、鑰等難熔金屬是較常采用的面向等離子體材料，其中金屬鎢是目前較普遍接受的優選的面對等離子體材料。研究壁表面熱疲勞行為并提高其熱疲勞性能是核能應用研究領域的一個重要內容。
[0004]為了進行熱疲勞試驗，目前人們已經采用的方法主要是能量束加熱然后用水冷間接傳熱降溫的方式，即利用激光、電子束以及離子束等方式對樣品表面進行加熱，然后利用水冷臺對樣品冷卻。這些方法存在問題是不同材料對能量束的反射變化很大，例如鑰表面對激光反射率很大，其加熱效果受到很大限制，并且溫度可控性較差；另外，用水冷臺對樣品降溫的速度也受到限制，因為熱量是從樣品背面傳走，并且傳熱途徑中還有一個界面障礙；同時，每次樣品與水冷臺的界面接觸情況很難一致，因此每次試驗的冷卻速度的一致性很難保證，可比性較低。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供利用熔體傳導控溫方式進行材料表面熱疲勞性能試驗的方法。這種方法不僅可以提高試驗過程中的溫度控制精度，而且可提高材料表面的冷卻速度，增大表層溫度梯度，從而可減少熱疲勞試驗中的熱循環次數。
[0006]一種熔體傳熱式壁材料表面熱疲勞試驗系統，其特征在于:
[0007]系統包含高溫和低溫兩個溫度的熔融液體，分別盛裝在兩個溫度可控的坩堝內。系統還要包含裝卡樣品的卡具和一個可使樣品變換位置的機構，能夠讓樣品分別與高溫和低溫熔融液體直接接觸，從而實現樣品的快速加熱和冷卻。
[0008]應用所述系統進行材料表面熱疲勞試驗的方法，其特征在于步驟如下:
[0009]首先，分別用高溫坩堝和低溫坩堝裝入熔體材料，分別控制兩坩堝的加熱溫度達到試驗需要的高溫和低溫溫度值；
[0010]將熱疲勞試驗樣品裝卡在樣品卡具上，樣品卡具通過位置變換機構攜帶樣品變換到高溫坩堝的位置，并將樣品表面浸入高溫熔體中，使樣品表面直接通過傳導傳熱的方式快速加熱，并達到與高溫熔體平衡的溫度；[0011]再通過位置變換機構將樣品轉移到低溫坩堝處，將樣品表面直接浸入低溫熔體中，使樣品表面與低溫熔體溫度達到平衡。
[0012]重復上述步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫間反復快速變溫，使表面發生熱疲勞效應。
[0013]為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案是將樣品表面通過樣品位置變換機構分別浸泡與高溫熔體和低溫熔體中，使樣品表面直接與熔體實現熱傳導，實現樣品表面的快速加熱和冷卻。這樣不僅可以實現高溫和低溫的溫度精確控制，而且可以達到很高的溫度梯度的循環變化。其中高溫熔體和低溫熔體應選擇其飽和蒸汽壓在設定溫度下盡可能低的材料，飽和蒸汽壓越低越好。
[0014]本發明的原理在于:樣品的試驗表面與熔體直接接觸，可以實現傳導傳熱，溫度變化迅速。同時，目前可控溫度的坩堝加熱技術已經很成熟，通過坩堝加熱的熔體去控制樣品表面溫度，可以實現樣品表面溫度的精確控制。
[0015]相比與目前已有的能量束加熱、水冷臺冷卻樣品的熱疲勞系統及方法，本發明的優點在于:[0016]( I)樣品表面直接通過傳導傳熱，加熱迅速，溫度梯度大，減少熱疲勞試驗中發生疲勞效應所需的熱循環次數，縮短試驗時間。
[0017](2)提高了樣品表面的高溫和低溫精確度，使試驗數據更加精準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是材料表面熱疲勞試驗系統的不意圖；
[0019]圖中:1.真空室；2.擺臂；3.樣品卡具；4.樣品；5.聞溫溶體；6.聞溫?甘禍；7.低溫熔體；8.低溫坩堝。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明采用的表面熱疲勞試驗系統及試驗步驟進一步說明。
[0021]一種利用熔體傳導控溫方式進行材料表面熱疲勞性能試驗方法，如圖1所示，所述的熱疲勞試驗系統是由真空室1、擺臂2、樣品卡具3、樣品4、高溫熔體5、高溫坩堝6、低溫熔體7、低溫坩堝8組成。樣品卡具3的上端采用鉸鏈連接固定在擺臂2上，樣品卡具下端可以將樣品4卡緊固定其中，樣品4與樣品卡具3可以通過擺臂2的搖擺分別變換到左右兩邊的位置。在這兩個樣品位置的下面，分別放置高溫坩堝6和低溫坩堝8，并分別在兩個坩堝內放入高溫熔體5和低溫熔體7。上述這些組件全都置于真空室I的內部，真空室I應可以通過常規充氣方法充入氣體。其中，高溫坩堝6和低溫坩堝8可以利用常規溫度測控方法分別進行溫度測控，高溫熔體5和低溫熔體7可以采用同一種材料，也可以采用不同種材料。材料的選擇原則是其熔點應該低于試驗中需要設定的熔體溫度，并且在設定溫度下的飽和蒸汽壓越低越好。
[0022]利用所述熱疲勞試驗系統，首先將樣品4裝卡于樣品卡具3的下端，然后將真空室I抽真空。抽完真空后，根據樣品的抗氧化性能情況，可以充入氬氣進行保護，也可以不充氬氣。[0023]分別加熱并控制兩個坩堝及其內部熔體溫度達到試驗需要的預設高溫和低溫溫度值；
[0024]通過擺臂2將樣品4置于高溫坩堝6的位置，并將樣品4的表面浸入高溫熔體5中，使樣品4的表面直接通過傳導傳熱的方式快速加熱，并達到與高溫熔體5平衡的溫度；
[0025]然后，再通過擺臂2將樣品4轉移到低溫坩堝8的位置，將樣品4的表面浸入低溫熔體7中，使樣品表面與低溫熔體7溫度達到平衡。
[0026]進一步，重復上述步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫之間反復快速變溫，使樣品表面發生熱疲勞效應，產生熱疲勞裂紋。記錄溫度循環的次數，以衡量樣品的耐熱疲勞性能。以下用三個實施例來進一步介紹。
[0027]實施例1:
[0028]對鎢材料進行熱疲勞試驗，樣品為鎢材料；試驗預設高溫和低溫分別為700°C和100°C，高溫熔體5和低溫熔體7分別采用金屬鋁和金屬鎵。將鎢樣品4裝卡于樣品卡具3的下端，然后抽真空，當真空度達到5 X KT5Pa時，充入氬氣作為保護氣體。分別加熱高溫坩堝和低溫坩堝至700°C和100°C，利用擺臂2的搖擺，先將樣品浸入到高溫熔體鋁的熔池中，等待溫度達到平衡；然后，再將樣品變換至低溫坩堝的位置，將樣品浸入到低溫熔體鎵的熔池中，等待溫度達到平衡；循環重復上述步驟。當溫度循環次數達到350次時，鎢樣品表面出現裂紋。
[0029]實施例2:
[0030]對鑰材料進行熱疲勞試驗，樣品為鑰材料；試驗預設高溫和低溫分別為600°C和IOO0C，高溫熔體5和低溫熔體7都采用金屬鎵。將鑰樣品4裝卡于樣品卡具3的下端，然后抽真空，當真空度達到7X 10_4Pa時，充入氬氣作為保護氣體。分別加熱高溫坩堝和低溫坩堝至600°C和100°C，利用擺臂2的搖擺，先將樣品浸入到高溫熔體鎵的熔池中，等待溫度達到平衡；然后，再將樣品變換至低溫坩堝的位置，將樣品浸入到低溫熔體鎵的熔池中，等待溫度達到平衡；循環重復上述步驟。當溫度循環次數達到620次時，鑰樣品表面出現裂紋。
[0031]實施例3:
[0032]對銅材料進行熱疲勞試驗，樣品為銅材料；試驗預設高溫和低溫分別為400°C和50°C，高溫熔體5和低溫熔體7都采用金屬鎵。將銅樣品4裝卡于樣品卡具3的下端，然后將真空室抽至IX 10_3Pa。分別加熱高溫坩堝和低溫坩堝至400°C和50°C，利用擺臂2的搖擺，先將樣品浸入到高溫熔體鎵的熔池中，等待溫度達到平衡；然后，再將樣品變換至低溫坩堝的位置，將樣品浸入到低溫熔體鎵的熔池中，等待溫度達到平衡；循環重復上述步驟。當溫度循環次數達到130次時，銅樣品表面出現裂紋。
【權利要求】
1.一種熔體傳熱式壁材料表面熱疲勞試驗系統，其特征在于: 系統包含高溫和低溫兩個溫度的熔融液體，分別盛裝在兩個溫度可控的坩堝內；系統還要包含裝卡樣品的卡具和一個可使樣品變換位置的機構，能夠讓樣品分別與高溫和低溫熔融液體直接接觸，從而實現樣品的加熱和冷卻。
2.應用權利要求1所述系統進行材料表面熱疲勞試驗的方法，其特征在于步驟如下: 首先，分別用高溫坩堝和低溫坩堝裝入熔體材料，分別控制兩坩堝的加熱溫度達到試驗需要的高溫和低溫溫度值； 將熱疲勞試驗樣品裝卡在樣品卡具上，樣品卡具通過位置變換機構攜帶樣品變換到高溫坩堝的位置，并將樣品表面浸入高溫熔體中，使樣品表面直接通過傳導傳熱的方式加熱，并達到與高溫熔體平衡的溫度； 再通過位置變換機構將樣品轉移到低溫坩堝處，將樣品表面直接浸入低溫熔體中，使樣品表面與低溫熔體溫度達到平衡； 重復上述步驟，使樣品表面在所設定的高溫和低溫間反復變溫，使表面發生熱疲勞效應。
【文檔編號】G01N25/00GK103926268SQ201410142540
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】王波, 胡德志, 張昀, 呂廣宏 申請人:北京工業大學