[发明专利]用于原位与光学监测与同步辐射的高温加热腔

说明书

技术领域

本发明涉及材料高温力学性能测试领域，特别涉及一种材料微观力学性能原位测试领域，尤指一种用于原位与光学监测与同步辐射的高温加热腔。是一种集成高分辨率光学成像和同步辐射分析功能的高温环境加载装置。可在高真空度或惰性气体保护环境下对材料进行高温加载与温度检测，通过光学成像和同步辐射分析的同时表征，可建立材料微结构演化行为和高温环境间的相关性，为深入理解材料高温服役性能提供测试装备。

背景技术

力热耦合材料力学测试是获取结构材料高温服役性能的直接手段。在航空发动机和核电装置等领域，涡轮叶片（如镍基单晶高温合金）和核电材料（如铅基反应堆流道）常工作在高温重载的服役工况下。如何实现高温温度场的均布加载和受热结构件的高精度温度检测是开发力热耦合高温加载系统的关键，亦是评估材料基本高温力学性能（蠕变特性、应力松弛特性和高温疲劳特性等）和服役安全性的关键。

以立方式、圆柱式、球状式等腔体式布局的高温加载系统（装置）是力热耦合测量技术中较为常见的装置。而在超高温加载系统中，考虑到腔体内残余空气会导致被测样品表层发生氧化，从而导致测试对象产生氧化层异质结构，进而影响对基体材料的评估与后续表征。因此，基于较高温度的测试需求，高温腔体内常采用真空处理或填充化学稳定性优异的惰性防护气体。据此，球状式腔体在热力耦合科学研究和工程应用中更为常见。

随着扫描电子显微成像技术、X射线晶体衍射技术、同步辐射表征技术和光学显微成像技术等在材料微观力学性能测试领域的广泛集成和拓展应用，基于多种表征手段同步监测的原位力学测试技术在结构材料和功能材料的微观力学行为和变形损伤机制研究中的作用愈发突出。例如，采用光学显微成像技术和显微CT技术的同步表征，可直观获取材料表面形貌和内部三维微区结构。与此同时，现有高温加热腔（如蠕变试验机采用的加热炉）因其结构、布局和样品加持方法的限制，尚难以实现与光学显微组件的集成。进一步，从技术集成难度的角度看，一方面，考虑到外部组件（如力学加载单元、X射线光路及衍射单元和同步辐射光源等）集成于扫描电子显微镜需克服电镜腔体内的真空和复杂电磁环境，同时需与密闭式的有限空间腔体嵌入式安装，而过高的环境温度不可避免的会对电镜的电子枪（钨灯丝组件等）产生不良影响，因此，在扫描电子显微镜腔体内直接实现多种表征手段同步观测的高温力学性能测试存在技术瓶颈。另一方面，高分辨率X射线衍射分析或同步辐射分析中的X射线源需与被测样品之间互成周期性连续可变夹角，因此，高温加热腔应具备以其中轴线为旋转轴的转动自由度。

综上，可集成于材料微观力学性能原位测试的高温加热腔尚需拓展与多种表征观测技术的通用集成性，而实现材料在高温服役工况下的表面形貌和内部结构的双重同步表征利于对材料微观组织结构演化和失效机制的准确评估。结合对提升关键结构材料的高温服役工况下的安全性的迫切需要，开发一种集成光学显微成像和同步辐射表征的表面形貌/三维结构同时监测的高温加热腔是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于原位与光学监测与同步辐射的高温加热腔，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过集成沉陷式光学显微成像功能和自转式同步辐射表征功能，依托本发明实现的高温加热腔，可构建出样品表面形貌和内部三维结构同步监测的恒温原位力学测试测试。与此同时，通过集成（气氛）端口，亦可在加热腔内部构建出近真空低压环境或特征气氛环境，即可在防止氧化的前提下实现多种服役环境加载。在高温腔外壁处通过法兰端盖集成了八组卤素加热灯和热电偶端子，同时集成了力学加载端口和视窗端口。本发明的机械主体单元的长、宽和高分别为346mm、330 mm和396mm。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于原位与光学监测与同步辐射的高温加热腔，包括复合腔体单元、高温加载单元、温度检测单元、原位监测单元和窗口冷却单元，其中，复合腔体单的加热灯端盖2、热电偶端盖10和光学组件端盖7分别与高温加载单元中的卤素加热灯1、温度检测单元中的热电偶端子9和原位监测单元中的光学成像组件5刚性连接；原位监测单元中的薄壁铝板15通过密封胶圈固定安装于加热腔中层固定端14和加热腔下层固定端18之间，且从动盘式齿轮19通过盘面螺栓刚性连接于加热腔下层固定端18断面的螺纹内孔处；窗口冷却单元中的石英观测窗12、力学加载端口17和真空气氛端口23分别通过窗体、端口端盖与复合腔体单元的加热腔中层固定端14、加热腔下层固定端18和原位监测单元中的薄壁铝板15刚性固连。