[发明专利]超高温压痕载荷-位移曲线测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高温材料在接近服役条件下压痕载荷-位移曲线测试系统和测试方法，特别涉及超高温涂层薄膜材料的力学性能测试，属于超高温力学测试技术领域。 

背景技术

超高音速飞行器在长时间巡航、大气层再入等极端环境下飞行时，某些部位会产生严重的气动加热现象，甚至产生明显的烧蚀，造成气动外形的破坏，影响飞行器的正常飞行，甚至造成灾难性的后果。超高温材料在高温条件下具有较高的强度和良好的抗氧化性，能保证超高音速飞行器在极端环境下正常飞行，特别是超高温涂层材料的成功应用极大地促进了超高音速飞行器的发展。 

基于深度测量的压痕技术作为一种简单的材料力学性质测试方法，在材料科学的领域得到了广泛的应用。该技术通过连续控制和记录加卸载时的载荷-位移曲线，可以得到材料压痕硬度、杨氏模量、压痕蠕变、压痕松弛和断裂韧性等力学性能指标，为材料力学性能的研究提供了有力的工具。 

超高温材料的力学性能测试作为指导超高音速飞行器结构设计的重要工具，具有十分重要的意义。而基于深度测量的压痕技术作为薄膜材料力学性能测试的一种方法，在超高温涂层等薄膜材料领域存在着广阔的应用前景。但是，超高温压痕技术还面临以下四个难题：第一、在加载—卸载转变时由于引伸计与加载装置或试件之间的非理想固定连接导致的反向运动空程会对卸载曲线测量精度造成严重影响；第二、温度变化引起的压杆热漂移会降低压入深度的测量精度；第三、高温条件下，压头发生氧化等化学变化，对压头与试件的真实接触面积的确定带来困难；第四、位移测量、加载等外连装置、隔热系统的可靠性会对加载系统的热稳定性造成影响。因此，如何尽量减小温度的影响，提高测量精度一直是超高温压痕测试系统的设计依据。目前，国内外学者在高温微纳米压痕技术领域开展了相关的研究，并将该技术商业化，其中，美国的Hysitron,Inc.、MTS、Micromaterials,Inc.公司开发的商用高温微纳米压痕仪器在相关领域得到了应用。但是，上述商用仪器最高工作温度（800℃）均较低，未达到理想的超高温范围（1600-1800℃）。同时，传统的精密位移传感器无法在超高温条件下正常工作，一般利用超高温引伸计完成位移测量工作，此时压痕实验在加载、卸载转换时， 由于反向运动空程引起的测量误差需得到合理的修正。因此，如何进一步提高仪器工作温度和测量精度，开发具有我国自主知识产权的测试设备和方法，已成为了当前国内超高温微米压痕仪器研制的重要课题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高、操作简单的超高温压痕载荷-位移曲线测试方法及装置，实现对于超高温材料在超高温条件下承受载荷时的力学参数测量和接触力学行为研究。 

本发明从位移测量方法上进行了创新，技术方案如下： 

一种超高温压痕载荷-位移曲线测试装置，包括加载装置、精密位移传感器、加载杆、高温炉、超高温引伸计和试件加载平台，其中：试件加载平台置于高温炉中，用于放置待测试的超高温材料试件；加载杆的一端与位于高温炉外的加载装置连接，另一端具有压头，伸入到高温炉内试件加载平台的上方以接触试件；超高温引伸计装配于高温炉上，用于在高温炉内测量加载杆的位移；精密位移传感器在高温炉外，用于在高温炉外测量加载杆的位移。 

上述超高温压痕载荷-位移曲线测试装置中，所述加载装置可以是电磁驱动力加载装置或者其他的压力加载装置；所述精密位移传感器由于在高温炉外，不受高温环境的影响，可以使用诸如线性可变差动变压器（LVDT）、电容位移传感器、激光位移传感器等；所述加载杆必须由耐高温材料制成，例如陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、难熔金属硅化物基复合材料等；所述压头需要由耐超高温材料制成，例如超高温共晶陶瓷。 

本发明的超高温压痕载荷-位移曲线测试装置是基于双位移传感器——超高温引伸计和精密位移传感器，来测试超高温材料在超高温环境中的压痕载荷-位移曲线，通过高温炉将放置在试件加载平台上的试件和耐高温加载杆顶端的耐超高温压头同时加热到试验温度，待温度稳定后，利用加载装置对试件进行加载和卸载，并同时利用靠近试件的超高温引伸计和远离试件的精密位移传感器测量压入位移。