【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种与x射线光源结合的原位超高温压痕测试装置及方法，属于仪器科学与精密测试领域。本专利技术结合了石墨发热体高发热效率和高导热系数的特点，实现了在x射线光源成像下的原位超高温压痕测试，为探究在力热耦合工况下材料温度、组织结构、变形行为和力学性能间的本构关系提供了仪器基础。
技术介绍
1、精密测试仪器与测试技术是保障高端装备制造质量与服役寿命的重要基石，也是推动科技进步的重要支撑。在众多力学测试技术中，纳米压痕测试可用于测量材料表面硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变特性、残余应力等多种材料特性，在材料力学性能表征领域应用广泛。为了动态监测压头与试样作用区域的变形行为，研究人员提出了原位压痕测试技术，目前主要与光学显微镜(om)、扫描电子显微镜(sem)和透射电子显微镜(tem)集成联用。受限于以上显微镜的成像原理，原位试验仅能同步监测样品表面二维空间的局域信息。为此，发展了与x射线光源结合的原位压痕测试技术，可用于压痕区域表面及亚表面的三维表征，从而监测分析材料内部的裂纹萌生与缺陷演化机理。
2、随着航空航天领域的蓬勃发展，高温材料的应用与需求逐年提高。多数的高温材料服役于极端的超高温环境和复杂的机械载荷下，这些物理场会诱导材料产生特殊的力学行为。例如，航空发动机中的涡轮叶片及热障涂层等核心部件，由于长期服役于复杂的超高温富氧环境中，往往失效于疲劳断裂、蠕变断裂和氧化腐蚀等。准确评估材料在超高温下的力学性能，并获得材料在力热耦合工况下自身温度、组织结构、变形行为和力学性能间的本构关系成为广大工程人员持续关注的热
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种与x射线光源结合的原位超高温压痕测试装置及方法，最高可实现1600℃温度下与x射线光源结合的原位压痕测试，可用于开展材料在超高温环境下“表层变形-内部缺陷-力学性能”等多参量的动态监测与同步表征，揭示超高温环境下材料的力学性能演化规律与损伤机理，对于材料科学技术的发展与进步具有重要意义。
2、本专利技术为实现上述目的采用的技术方案如下：
3、一种与x射线光源结合的原位超高温压痕测试装置包括壳体、压痕测试模块、热辐射屏蔽模块、超高温模块和三轴定位模块；所述的壳体按照端盖、上连接筒、石英观察窗、下连接筒和底座的顺序自上而下依次通过螺钉和o型圈密封连接组成，下连接筒处设有气嘴用于对装置抽真空或通入惰性保护气体；所述的压痕测试模块通过螺纹安装于端盖，按照直动式闭环压电驱动器、力传感器、水冷压杆、压头套筒和压头的顺序自上而下连接组成，其中水冷压杆用于压头与力传感器间的热量隔绝以避免力传感器发生热漂移；基于直动式闭环压电驱动器的位移测量值和力传感器的载荷测量值，经校准后可绘制出压痕测试的载荷-深度曲线；所述的热辐射屏蔽模块通过轴肩安装于上连接筒，其表面制备有金或银等金属涂层以提高对红外辐射的反射率，从而避免热辐射引起力传感器发生热漂移；所述的超高温模块包括压头加热单元和样品加热单元，该模块基于石墨发热体的焦耳热效应可实现室温至1600℃的超高温加载；所述的压头加热单元通过轴肩安装于上连接筒，由外绝缘层i、石墨发热体i、内绝缘层i、电极i、热电偶i、保温层i和水冷壳体i组成；所述的样品加热单元固定安装于三轴定位模块，由外绝缘层ii、石墨发热体ii、内绝缘层ii、电极ii、热电偶ii、保温层ii和水冷壳体ii组成，样品粘贴于外绝缘层ii；所述的样品加热单元以热传导的形式对样品进行加热，压头加热单元以热辐射的形式对压头进行同步加热，从而减小由于压头与样品间温差所引起的压痕测试热漂移；所述的热辐射屏蔽模块和压头加热单元中心设有通孔，压头从中穿过；所述的三轴定位模块固定安装于底座，其结构由三轴微型电机平台组成，可用于更换压痕位置和压痕测试过程中的接触判断。
4、本专利技术的另一目的在于提供一种与x射线光源结合的原位超高温压痕测试装置的使用方法，包括以下步骤：
5、步骤一：将压头加热单元按照外绝缘层i、石墨发热体i、内绝缘层i、保温层i和水冷壳体i的顺序连接固定，热电偶i直接接触并测量内绝缘层i的温度，电极i连接于石墨发热体i两端,样品加热单元按相同方法安装；
6、步骤二：将样品加热单元、三轴定位模块和底座依次叠放连接；
7、步骤三：将压头加热单元和热辐射屏蔽模块依次通过轴肩安装于上连接筒，将直动式闭环压电驱动器、力传感器、水冷压杆、压头套筒和压头依次连接组成压痕测试模块，压痕测试模块一端固定连接于端盖，另一端将压头穿过热辐射屏蔽模块和压头加热单元；
8、步骤四：将样品粘贴于样品加热单元的外绝缘层，并将壳体按照端盖、上连接筒、石英观察窗、下连接筒和底座的顺序自上而下依次通过螺钉和o型圈密封连接，通过下连接筒处的气嘴将装置抽真空或通入惰性保护气体；
9、步骤五：通过底座将该原位超高温压痕测试装置固定安装于与x射线光源配套的旋转台上，移动三轴定位模块的x、y轴，使样品位于压头正下方，调节x射线光源使其可以垂直于压痕加载方向穿透石英观察窗和样品到达探测器；
10、步骤六：移动三轴定位模块的z轴使压头和样品进行小载荷预接触，水冷压杆、水冷壳体i和水冷壳体ii通入循环冷却水，随后压头加热单元和样品加热单元开始工作，分别以热辐射和热传导的形式对压头和样品进行同步加热，待实测温度达到预设温度并稳定后，移动三轴定位模块的x、y、z轴更换压痕区域，直动式闭环压电驱动器开始进行分段压痕加载，每段加载结束后旋转台匀速旋转360°用于x射线成像，可同时获得载荷-深度曲线和加载过程中压痕区域的三维形貌特征。
11、本专利技术的有益效果在于：
12、1、本专利技术结构紧凑，设计合理，石英观察窗附近无机架遮挡，可与x射线光源结合，用于原位监测加载过程中压痕表面及亚表面的三维形貌特征。
13、2、本专利技术具备超高温加载及气体保护功能，可实现最高至1600℃的超高温加载，同时装置腔体内可抽真空或通入惰性气体以防止样品氧化，可用于探究材料的力学性能及损伤机理对服役温度的依赖性。
14、3、本专利技术采用模块化设计方案，由壳体、压痕测试模块、热辐射屏蔽模块、超高温模块和三轴定位模块五部分组成，各功能模块间相互独立，协同工作，具有便于集成与维护的特点。
15、综上，本专利技术可用于开展材料在超高温环境下“表层变形-内部缺陷-力学性能”等多参量的动态监测与同步表征，揭示超高温环境下材料的力学性能演化规律与损伤机理，对于材料科学技术的发展与进步具有重要意义。
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1.一种与X射线光源结合的原位超高温压痕测试装置，其特征在于：该装置包括壳体(1)、压痕测试模块(2)、热辐射屏蔽模块(3)、超高温模块(4)和三轴定位模块(5)；所述的壳体(1)按照端盖(1.1)、上连接筒(1.2)、石英观察窗(1.3)、下连接筒(1.4)和底座(1.5)的顺序自上而下依次通过螺钉和O型圈密封连接组成，下连接筒(1.4)处设有气嘴用于对装置抽真空或通入惰性保护气体；所述的压痕测试模块(2)通过螺纹安装于端盖(1.1)，按照直动式闭环压电驱动器(2.1)、力传感器(2.2)、水冷压杆(2.3)、压头套筒(2.4)和压头(2.5)的顺序自上而下连接组成，其中水冷压杆(2.3)用于压头(2.5)与力传感器(2.2)间的热量隔绝以避免力传感器(2.2)发生热漂移；基于直动式闭环压电驱动器(2.1)的位移测量值和力传感器(2.2)的载荷测量值，经校准后可绘制出压痕测试的载荷-深度曲线；所述的热辐射屏蔽模块(3)通过轴肩安装于上连接筒(1.2)，其表面制备有金或银等金属涂层以提高对红外辐射的反射率，从而避免热辐射引起力传感器(2.2)发生热漂移；所述的超高温模块(4)包括
2.根据权利要求1所述的一种与X射线光源结合的原位超高温压痕测试装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种与x射线光源结合的原位超高温压痕测试装置，其特征在于：该装置包括壳体(1)、压痕测试模块(2)、热辐射屏蔽模块(3)、超高温模块(4)和三轴定位模块(5)；所述的壳体(1)按照端盖(1.1)、上连接筒(1.2)、石英观察窗(1.3)、下连接筒(1.4)和底座(1.5)的顺序自上而下依次通过螺钉和o型圈密封连接组成，下连接筒(1.4)处设有气嘴用于对装置抽真空或通入惰性保护气体；所述的压痕测试模块(2)通过螺纹安装于端盖(1.1)，按照直动式闭环压电驱动器(2.1)、力传感器(2.2)、水冷压杆(2.3)、压头套筒(2.4)和压头(2.5)的顺序自上而下连接组成，其中水冷压杆(2.3)用于压头(2.5)与力传感器(2.2)间的热量隔绝以避免力传感器(2.2)发生热漂移；基于直动式闭环压电驱动器(2.1)的位移测量值和力传感器(2.2)的载荷测量值，经校准后可绘制出压痕测试的载荷-深度曲线；所述的热辐射屏蔽模块(3)通过轴肩安装于上连接筒(1.2)，其表面制备有金或银等金属涂层以提高对红外辐射的反射率，从而避免热辐射引起力传感器(2.2)发生热漂移；所述的超高温模块(4)包括压头加热单元(4.1)和样品加热单元(4.2)，该模块基于石墨发热体的焦耳热效应可实现室温...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，衣春学，吴浩翔，张旭，赵宏伟，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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