一种基于计算机断层扫描系统原位超高温拉伸实验装置的制作方法

本发明涉及高精度工业计算机断层扫描(ct)系统技术领域，具体为一种基于计算机断层扫描系统原位超高温拉伸实验装置。

背景技术

温度场对材料性能的影响及其显著，材料对不同的温度表现出不同的热-力学性能，尤其在高温、超高温条件下，材料的热-力性能与常温环境相比有极大的不同，研究材料的超高温力学性能，对于材料结构的优化设计，服役过程中可靠性的提高等具有重要的指导意义，对评估材料在高温条件下的变形和损伤机制具有重要意义。

目前，国内外研究学者基于原位测试技术开展了广泛的研究,但在高温条件下对材料内部结构无损的检测的设备却少之又少。

通常对于极端条件下力学性能的研究都是得到材料的不同温度下的应力-应变曲线等，不能实时观测材料内部形貌的变化，而很多特征就会随着卸载等条件的改变而发生变化。在常规原位观测的热-力学性能实验中，只能观测材料表面的变形,不能对于材料内部的变形、演化实时进行表征,而材料内部与表面的演化有很大不同，因此,原位超高温拉伸在位观测实验装置对于极端条件下材料力学性能的研究非常重要。

计算机断层扫描(ct)是基于射线与物质的相互作用原理，x射线透过物质后，由于吸收系数不同，通过投影重建方法获取被测物三维立体的图像，ct是最好的3d无损定量检测方法之一，可以获得试样的三维定量信息。通过基于ct的原位加载装置可以获得材料内部的真实变形情况,揭示材料超高温条件下在变形、损伤和破坏的过程中内部结构和缺陷的演化。

目前，基于ct平台的原位直接加热的超高温拉伸加载装置未见报道。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于计算机断层扫描系统原位超高温拉伸实验装置，结构简单、操作简便，在ct平台基础上，能够实现对导电材料在超高温环境下，拉伸加载对材料内部形貌变化实时检测的功能，且能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于计算机断层扫描系统原位超高温拉伸实验装置，包括对超高温拉伸试样进行原位观测的ct测试系统、用于施加载荷的加载系统、用于控制加载系统的加载控制系统、用于对试样进行加热的加热系统、用于测量试样所处环境温度的测温系统、用于模拟试样服役条件下气体环境的保护气装置以及用于控制加热系统且接收测温系统所反馈温度信息的温度控制系统，所述加热系统分别与测温系统、加载系统连接，所述加载系统与ct测试系统连接。

进一步地，所述加载系统通过ct旋转工作台固定安装，且加载系统设置在ct旋转工作台的上方，加载系统与ct旋转工作台之间设置有定位座，所述定位座的中心设置有定位销，所述定位销设置在ct旋转工作台中心的定位孔内，且定位座四角的位置均通过定位螺丝与ct旋转工作台连接，加载系统上丝杆上方设置有力传感器，加载系统的上方设置有加载腔体，所述测温系统设置在加载腔体的内部，所述加热系统设置在加载腔体的内侧，所述保护气装置设置在加载腔体上，加载腔体的内部还设置有用于安装试样的夹持装置。

进一步地，所述夹持装置包括用于夹紧试样上端的上夹头和用于夹紧试样下端的下夹头，所述上夹头设置在下夹头的上方，且上夹头的上端通过螺杆连接有带内螺纹的金属连接件a，下夹头的下端连接有金属连接件b，所述金属连接件a上端穿过加载腔体上端延伸至加载腔体的外侧，并与加热系统连接，所述金属连接件b下端穿过加载腔体下端延伸至加载腔体的外侧，且在靠近腔体处与加热系统连接，一端与力传感器连接，金属连接件a与加载腔体的连接处、金属连接件b与加载腔体的连接处均设置有绝缘连接套环，上夹头、下夹头均包括用于安装试样的凹形固定槽和用于压紧试样的固定凸起，所述固定凸起对应设置在凹形固定槽内。

进一步地，所述加热系统包括电源模块和两条加热导线，两条所述加热导线一端分别与金属连接件a、金属连接件b连接，另一端均与电源模块连接，所述电源模块通过竖直设置的安装支架固定安装，所述安装支架的底端安装在ct固定工作台。

进一步地，所述测温系统包括红外测温探头和测温反射镜，所述加载腔体的上端面上设置有观察窗口，所述观察窗口上方左右两侧均设置有探头固定架，左右两个所述探头固定架之间设置有连接杆，所述连接杆的下端铰接有探测杆，所述红外测温探头设置在探测杆的下端，所述测温反射镜通过可调角度的安装板设置在加载腔体内腔下端。

进一步地，所述保护气装置包括保护气入口和保护气出口，所述保护气入口设置在加载腔体的上端面上，保护气入口上端连接有进气管，所述保护气出口设置在加载腔体下端面上，保护气出口的下端连接有出气管，所述出气管和进气管上均设置有控制阀门。

进一步地，所述可调角度的安装板上表面左右两侧均设置有弹性条，所述测温反射镜设置在两个弹性条之间，活动安装板的下端铰接有l形固定杆，所述l形固定杆一端与加载腔体内壁连接。

进一步地，所述力传感器的中心与定位座的中心同心。

进一步地，所述安装支架最顶端的高度高于金属连接件a最顶端的高度。

进一步地，所述加载腔体的顶端设置有上层盖，且所述上层盖通过卡口或螺纹旋合的方式与加载腔体连接，所述金属连接件a、金属连接件b均通过螺母与加载腔体连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结合现有ct技术，通过加热系统的设置，创造了超高温的实验环境，实现了对待检测试样进行超高温拉伸原位ct检测的功能；通过力传感器和光栅尺，可对原位超高温拉伸检测过程中，待检测试样力-位移曲线进行测量；通过夹持装置的设置，在原位超高温拉伸实验过程中，对待检测的试样起到了固定夹持的作用；通过测温系统、温度控制系统和加热系统共同作用，可根据待检测试样的材料和尺寸，调整电压和电流，从而更快实现超高温环境；通过保护气装置的设置，模拟了待检测试样在服役条件下的气体环境，也可以有效减少了待检测试样在超高温环境下的氧化，保证了实验结果的准确可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的信号流程示意图；

图3为本发明的加载腔体上层盖俯视结构示意图；

图4为本发明的加载腔体下端面仰视结构示意图；

图5为本发明的测温反射镜结构示意图；

图6为本发明的夹持装置纵剖面结构示意图。

图中标号：

1-ct测试系统；2-加载系统；3-加载控制系统；4-加热系统；5-测温系统；6-保护气装置；7-温度控制系统；8-加载腔体；9-夹持装置；10-安装支架；11-ct固定工作台；12-观察窗口；13-探头固定架；14-连接杆；15-探测杆；16-活动安装板；17-弹性条；18-l形固定杆；19-上层盖；

201-ct旋转工作台；202-定位座；203-定位销；204-定位孔；205-定位螺丝；206-力传感器；

401-电源模块；402-加热导线；

501-红外测温探头；502-测温反射镜；

601-保护气入口；602-保护气出口；603-进气管；604-出气管；605-控制阀门；

901-上夹头；902-下夹头；903-凹形固定槽；904-固定凸起；905-螺杆；906-金属连接件a；907-金属连接件b；908-绝缘连接套环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明提供了一种基于计算机断层扫描系统原位超高温拉伸实验装置，包括对超高温拉伸试样进行原位观测的ct测试系统1、用于施加载荷的加载系统2、用于控制加载系统的加载控制系统3、用于对试样进行加热的加热系统4、用于测量试样所处环境温度的测温系统5、用于模拟试样服役条件下气体环境的保护气装置6以及用于控制加热系统4且接收测温系统5所反馈温度信息的温度控制系统7，加热系统4分别与测温系统5、加载系统2连接，加载系统2与ct测试系统1连接。

进一步说明的是，测温系统5、温度控制系统7和加热系统4形成闭合反馈，根据试样材料和尺寸，通过温度控制系统7调整加热系统4电流、电压，为试样加电压和电流，实现对试样的加热功能，达到稳定的预期超高的温度，通过测温系统5对加热系统4所提供的电流、电压进行实时检测，并将温度信息反馈到温度控制系统7。

加载系统2通过ct旋转工作台201固定安装，且加载系统2设置在ct旋转工作台201的上方，加载系统2与ct旋转工作台201之间设置有定位座202，定位座202的中心设置有定位销203，定位销203设置在ct旋转工作台201中心的定位孔204内，且定位座202四角的位置均通过定位螺丝205与ct旋转工作台201连接，从而保证了ct旋转工作台201的旋转中心与加载系统2中心同心，加载系统2上表面设置有力传感器206，且力传感器206的中心与定位座202的中心同心，通过力传感器206，用来测量加载系统2在对试样加载过程中的载荷，加载系统2的上方设置有加载腔体8，加载腔体8的上端需承载拉伸的压力，所以采用10mm厚的不锈钢材料制成，加载腔体8的下端不承担作用力，所以采用绝缘材料，测温系统5设置在加载腔体8的内部，加热系统4设置在加载腔体8的外侧，保护气装置6设置在加载腔体8上，加载腔体8的内部还设置有用于安装试样的夹持装置9，整个装置通过定位座202安装在ct旋转工作台201上，从而实现了ct测试系统1对超高温拉伸试样的原位观测。

夹持装置9包括用于夹紧试样上端的上夹头901和用于夹紧试样下端的下夹头902，上夹头901设置在下夹头902的上方，且上夹头901的上端通过螺杆905连接有带内螺纹的金属连接件a906，下夹头902的下端连接有金属连接件b907，金属连接件a906上端穿过加载腔体8上端延伸至加载腔体8的外侧，并与加热系统4连接，金属连接件b907下端穿过加载腔体8下端延伸至加载腔体8的外侧，且一端与加热系统4连接，一端与力传感器206连接，金属连接件a906与加载腔体8的连接处、金属连接件b907与加载腔体8的连接处均设置有绝缘连接套环908，绝缘连接套环908的设置，起到了绝缘保护的作用，上夹头901、下夹头902均包括用于安装试样的凹形固定槽903和用于压紧试样的固定凸起904，固定凸起904对应设置在凹形固定槽903内。

夹持装置9夹持试样的工作流程如下：

首先，在加载腔体8内安装好金属连接件a906和金属连接件b907，使金属连接件b907下端与力传感器206连接，上端与加载腔体8内的下夹头902连接，然后，将待检测试样下端放置在下夹头902的凹形固定槽903内，并通过下夹头902的固定凸起904实现对待检测试样下端的固定夹持，最后，根据待检测试样的长度，通过转动螺杆905，调节上夹头901相对下夹头902的位置高度，将待检测试样上端放置在上夹头901的凹形固定槽903内，并通过上夹头901的固定凸起904实现对待检测试样上端的固定夹持，这样就实现了对待检测试样整体的夹持固定功能。

加热系统4包括电源模块401和两条加热导线402，两条加热导线402一端分别与金属连接件a906、金属连接件b907连接，另一端均与电源模块401连接，通过电源模块401，实现对待检测试样的通电加热功能，电源模块401通过竖直设置的安装支架10固定安装，安装支架10的底端设置在ct固定工作台11，由于安装支架10的设置，是用于超高温原位拉伸实验中各种线的引出，所以，安装支架10最顶端的高度要高于金属连接件a906最顶端的高度，这样才能避免在ct旋转工作台201旋转测试过程中遮挡射线或者缠绕。

补充说明的是，本发明的超高温环境是指1000摄氏度至1600摄氏度的高温，在超高温环境下，对试样采用直接通电加热的方式，使待测试试样达到超高温度的同时，实现对待测试试样的拉伸加载测量，并且原位通过工业ct对在此高温拉伸过程中的试样内部形貌的演化实时观测。

对于试样采用直接通电加热的原理，根据焦耳定律和电阻定律：

q＝i2rt；(1)

r＝ρl/a；(2)

q＝(i2ρlt)/a；(3)

其中q为电阻r上产生的热量，i为电阻r上的输入电流，t为通电时间，ρ为r的电阻率，l为电阻r的长度，a为电阻r的横截面积。

由公式(3)可知，热量q正比于电阻的长度l，反比与横截面积a，因此，在材料确定的条件下，通过增加电流或者减少电阻的横截面积，从而得到高热量，得到所需温度。

测温系统5包括红外测温探头501和测温反射镜502，加载腔体8的上端面上设置有观察窗口12，观察窗口12上方左右两侧均设置有探头固定架13，左右两个探头固定架13之间设置有连接杆14，连接杆14的下端铰接有探测杆15，红外测温探头501设置在探测杆15的下端，通过转动探测杆15，调整探测杆15与连接杆14的相对位置，进而使红外测温探头501的位置发生改变，直至使红外测温探头501可通过观察窗口12观测到加载腔体8内测温反射镜502中的试样，反馈到测温系统5中，测温反射镜502通过活动安装板16设置在加载腔体8内腔下端，通过活动安装板16，调整测温反射镜502的角度，使其刚好能够观察到加载腔体8中的待测试样。

保护气装置6包括保护气入口601和保护气出口602，保护气入口601设置在加载腔体8的上端面上，保护气入口601上端连接有进气管603，保护气出口602设置在加载腔体8下端面上，保护气出口602的下端连接有出气管604，出气管604和进气管603上均设置有控制阀门605，当实验所有部分安装完毕后，打开进气管603上的控制阀门605，通过进气管603，向加载腔体8内部通入ar和h2混合的保护气，从而减少了在超高温环境下试样的氧化，保证了实验结果的准确可靠性。

进一步地，加载腔体8内的保护气还可以更换成其他的气体，只要能够模拟试样服役条件中的气体环境即可。

活动安装板16上表面左右两侧均设置有弹性条17，测温反射镜502设置在两个弹性条17之间，对测温反射镜502起到了稳定的作用，活动安装板16的下端铰接有l形固定杆18，l形固定杆18一端与加载腔体8内壁连接，通过转动活动安装板16，使得测温反射镜502的角度可发生改变，操作简便。

加载腔体8的顶端设置有上层盖19，且上层盖19通过卡口或螺纹旋合的方式与加载腔体8连接，金属连接件a906、金属连接件b907均通过螺母与加载腔体8连接，从而固定待检测试样的位置，在安装待检测试样时，先打开上层盖19，安装完毕后，再通过旋转上层盖19，使得上层盖19与加载腔体8固结，操作简单便捷。

本发明在对待检测试样进行原位超高温拉伸实验方法的操作步骤如下：

(1)在加载腔体内通过夹持装置安装好待检测试样；

(2)在加载腔体的内部安装好测温系统，并通过保护气装置向加载腔体内通入保护气；

(3)打开温度控制系统，设定温度，对试样加热，得到预设的温度；

(4)通过力传感器和光栅尺测量加载系统在对待检测试样加载过程中的载荷以及位移的变化，从而实现ct测试系统对超高温拉伸试样的原位观测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。