一种金属材料高温蠕变性能测试系统的制作方法

1.本发明涉及力学性能测试技术领域，具体涉及一种金属材料高温蠕变性能测试系统。


背景技术：

2.耐高温金属材料是航空发动机、燃气轮机等众多设备的重要组成部分，由于以上设备中许多热端部件需要长期服役于热负载和机械负载的共同作用下，所使用的金属材料经常会产生蠕变等现象，对于这类机件的材料，其高温下的力学性能直接关系或决定着设备的运行性能和安全性。因此，对金属材料在高温环境下的力学性能进行实时准确的测试，显得尤为重要。
3.现有技术中，通常使用高温应变片或高温引伸计测量高温环境下金属材料产生的变形/应变。虽然应变片传感器具有灵敏度高、价格低廉等优点，但是在高温条件下，零点漂移的不稳定性、栅丝和导线的氧化腐蚀、导线外表皮和胶粘剂的碳化分解、振动、湿度、电磁干扰、栅丝的蠕变等因素，都会带来测量误差。相关影响高温应变片测量精度的研究文献中提到，使用高温应变片传感器测量高温环境下金属材料的力学性能，很难剔除温度对传感器造成的影响，无法准确检测出高温环境下金属材料的力学性能。相关高温引伸计的研究中提到，使用高温引伸计进行测量时，由于试验机夹头有同轴度误差，试样有初弯曲以及试样夹持部位与标距段也有同轴度误差等,所以试样一般都处在偏心拉伸的情况下工作，如果高温引伸计的选用不恰当，这种偏心拉伸影响带来的测量误差比较大。
4.因此，设计一种可剔除传统应变测量中的温度交叉影响的、保证测试结果准确的测试技术，是非常有必要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种准确度高的金属材料高温蠕变性能测试系统。
6.本发明采用的技术方案为：一种金属材料高温蠕变性能测试系统，包括待测金属测试件、光纤复合传感器、热力加载装置、计算机和解调仪；所述待测金属测试件的两端分别固定在热力加载装置内，热力加载装置用于对待测金属测试件加热拉伸；所述待测金属测试件的表面开设有安装槽，所述光纤复合传感器固定在安装槽内；所述光纤复合传感器通过传输光纤与解调仪相连，解调仪与计算机连接进行数据传输。
7.按上述方案，所述光纤复合传感器，包括第一套管、第二套管、入射光纤、金属层和反射光纤，所述第一套管和第二套管同轴且沿安装槽轴线前后布置；所述入射光纤的一端通过传输光纤与解调仪相连，入射光纤的另一端穿过第一套管进入第二套管，且该端面镀有金属层，构成本征型法布里-珀罗腔；所述反射光纤的内端面为平整端面，其穿入并固定在第二套管内，反射光纤的内端面与金属层之间的空气腔构成非本征型法布里-珀罗腔。
8.按上述方案，入射光纤镀有金属层的一端穿过第一套管，入射光纤的外壁通过电
弧放电熔接或co2激光器熔接的方式与第一套管的内壁熔接。
9.按上述方案，反射光纤穿入第二套管，反射光纤的外壁通过电弧放电熔接或co2激光器熔接的方式与第二套管的内壁熔接。
10.按上述方案，所述待测金属测试件采用耐高温金属制作，待测金属测试件的表面刻有安装槽，在所述第一套管和第二套管的外壁开设有环形的凹槽，凹槽内覆上可用于激光烧结的金属粉，采用激光烧结的方式将光纤复合传感器安装于待测金属测试件的安装槽内。
11.按上述方案，所述入射光纤、反射光纤均采用耐高温的石英材料制作，所述第一套管与第二套管的外径和内径均相同，二者均采用高纯的石英材料制作。
12.本发明的有益效果为：
13.1、本发明可对温度和应变进行同时测量，可以有效剔除传统应变测量中的温度交叉影响，其安装方式也降低了对被测试件的要求，测量结果更加准确，对高温环境下金属材料力学性能的研究具有重要意义；测量装置及方法操作方便，工作稳定可靠，测试数据准确。
14.2、本发明采用光纤复合传感器，基于法布里-珀罗干涉式传感原理，具有很高的灵敏度，且具有绝缘、耐腐蚀、耐辐射、抗电磁干扰等独特优势，可长期稳定工作于1100℃以内的高温，避免了传统电测法如高温应变片的应变丝材料高温蠕变问题，可为金属材料的高温力学性能测试提供更可靠的测试方法。
15.3、本发明中采用的光纤复合传感器，由金属层本征型法布里-珀罗腔与非本征型法布里-珀罗空气腔级联构成，前者对温度进行测量，后者对应变进行测量，由于金属层的热膨胀系数远大于石英，相较于其他本征型法布里-珀罗腔温度传感器具有更高的灵敏度，空气腔对温度不敏感，避免了交叉敏感。
16.4、本发明中入射光纤和反射光纤通过电弧放电熔接或co2激光器熔接的方式分别与第一套管和第二套管熔接固定，当待测金属测试件产生应变时，入射光纤和反射光纤端面在第二套管内发生相对滑移，使得腔长发生变化，相较于其他非本征型法布里-珀罗腔该发明具有更大的应变测量范围。
17.5、本发明中在待测金属测试件表面采用传统机械加工或激光加工方式刻出安装槽，方便光纤复合传感器的定位和安装。
18.6、本发明采用金属粉激光烧结的方式安装光纤复合传感器，可耐受高温，且有效避免了采用传统安装方式如高温胶粘贴带来的温度不匹配问题，安装方式更加牢靠。
19.7、本发明采用两个外径相同的套管构成的光纤复合传感器，两套管外壁加工有环形凹槽，可通过co2激光器的激光销蚀功能加工，涂覆金属粉末时可以增大接触面积，起到更好的固定和保护作用。
附图说明
20.图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。
21.图2为本实施例中光纤复合传感器的结构示意图。
22.图3为本实施例中待测金属测试件的结构示意图。
23.图4为本实施例中光纤复合传感器安装的结构示意图。
24.图5为本实施例中石英管的结构示意图。
25.其中：1-光纤复合传感器，2-待测金属测试件，3-解调仪，4-计算机，5-传输光纤，6-热力加载装置，7-第一套管，8-第二套管，9-入射光纤，10-金属层，11-反射光纤，12-凹槽，13-熔接点a，14-熔接点b，15-安装槽，16-通孔，17-安装点a，18-安装点b。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
27.如图1所示的一种金属材料高温蠕变性能测试系统，包括待测金属测试件2、光纤复合传感器1、热力加载装置6、计算机4和解调仪3；所述待测金属测试件2的两端分别固定在热力加载装置6内，热力加载装置6用于对待测金属测试件2加热拉伸；所述待测金属测试件2的表面开设有安装槽15，所述光纤复合传感器1固定在安装槽15内；所述光纤复合传感器1通过传输光纤5与解调仪3相连，解调仪3与计算机4连接进行数据传输。本实施例中，所述热力加载装置6可为高温蠕变机。
28.如图2所述的光纤复合传感器1，包括第一套管7、第二套管8、入射光纤9、金属层10和反射光纤11，所述第一套管7和第二套管8同轴且沿安装槽15轴线前后布置；所述入射光纤9的一端通过传输光纤5与解调仪3相连，入射光纤9的另一端穿过第一套管7进入第二套管8，且该端面镀有金属层10，构成本征型法布里-珀罗腔；所述反射光纤11的内端穿入并固定在第二套管8内(所述反射光纤11的内端面为平整端面)，反射光纤11的内端面与金属层10之间的空气腔构成非本征型法布里-珀罗腔。本实施例中，在第二套管8内形成两个法布里-布罗腔。
29.优选地，入射光纤9镀有金属层10的一端穿过第一套管7，入射光纤9的外壁通过电弧放电熔接或co2激光器熔接的方式与第一套管7的内壁熔接(熔接点a13如图2所示)。反射光纤11穿入第二套管8，反射光纤11的外壁通过电弧放电熔接或co2激光器熔接的方式与第二套管8的内壁熔接(熔接点b14如图2所示)。
30.本发明中，如图3所示，所述待测金属测试件2的两端开设有用于与热力加载装置6相连的通孔16。所述待测金属测试件2采用耐高温金属制作，待测金属测试件2的表面可由传统机械加工或激光加工方式刻出安装槽15，安装槽15可为u型槽；如图5所示，在所述第一套管7和第二套管8的外壁开设有环形的凹槽12，凹槽12内覆上可用于激光烧结的金属粉，采用激光烧结的方式将光纤复合传感器1安装于待测金属测试件2的安装槽15内,第一套管7在安装槽15内的安装点a17、第二套管8在安装槽15内的安装点b18均分别如图4所示,两安装点之间的距离也即第一套管7的凹槽12与第二套管8的凹槽12之间的距离。
31.本实施例中，所述入射光纤9和反射光纤11均采用耐高温的石英材料制作，所述第一套管7与第二套管8的外径和内经均相同，二者均采用高纯的石英材料制作。
32.本实施例中，本征型法布里-珀罗腔的长度为l1，非本征型法布里-珀罗腔的长度为l2，所述光纤复合传感器1的工作原理如下：
33.金属层10具有与入射光纤9纤芯折射率不同的折射率，该金属层10构成本征型法布里-珀罗腔，其置于第二套管8中，只受温度影响，金属层10的厚度即该本征型法布里-珀罗腔的腔长，温度升高时，其自由膨胀，腔长变长，因而可用于温度测量，温度变化量δt可以使用下列公式进行计算：
[0034][0035]
上式中，α为金属层10的热膨胀系数，1/℃；l1为本征型法布里-珀罗腔的初始长度，μm；δl1为本征型法布里-珀罗腔长度的变化量，μm。
[0036]
入射光纤9的末端与反射光纤11布置于第二套管8内，中间间隔距离l2，形成非本征型法布里-珀罗腔，当待测金属测试件2发生轴向拉伸或压缩时，通过光纤复合传感器1的两个安装点(如图4所示的安装点a17和安装点b18)，使得入射光纤9和反射光纤11端面在第二套管8内发生相对滑移，从而使腔长发生变化，由材料力学可知，应变变化量δε可以使用下列公式进行计算：
[0037][0038]
上式中，l2为非本征型法布里-珀罗腔长度，μm；δl2为非本征型法布里-珀罗腔长度的变化量，μm；d为两安装点之间的距离，μm，如图4所示。
[0039]
上述所测得的应变变化量δε包括待测金属测试件2的热应变和机械应变两部分，根据所测得的温度变化量δt和应变变化量δε可以计算得到待测金属测试件2由温度造成的热应变和外力造成的机械应变，待测金属测试件2的热应变ε
热
和机械应变ε
机
可以使用下列公式进行计算：
[0040][0041]
上式中，α1为待测金属测试件2的材料的热膨胀系数，1/℃。
[0042]
本发明的工作原理为：测试前，将待测金属测试件2和光纤复合传感器1安装连接到位；测试时，首先打开解调仪3和计算机4，解调仪3向光纤复合传感器1传输光信号，观察光纤复合传感器1的反射光谱信号，开启热力加载装置6，设置热力加载装置6的升温程序和力加载程序，热力加载装置6开始升温；当热力加载装置6温度升高到设定温度后，开始对待测金属测试件2进行拉伸；安装于待测金属测试件2表面安装槽15内的光纤复合传感器1检测温度响应和待测金属测试件2的应变响应，温度变化和待测金属测试件2应变变化时，光纤复合传感器1的反射光谱发生变化，变化的信号经过传输光纤5传给解调仪3，解调仪3将光信号转换成电信号，通过网线或usb接口传输给计算机4，计算机4计算分析，获得实时测量的温度数据和应变数据并存储。
[0043]
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。