[发明专利]一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于核能应用研究领域，涉及一种利用熔体传导控温方式进行聚变内壁材料表面热疲劳性能试验的方法，该发明适用于研究核聚变内壁材料表面在服役过程中经受循环温度变化的情况。

背景技术

核聚变能源的储量丰富并且安全，具有巨大的应用前景，将可能成为人类的终极能源。

在核聚变装置中，内壁的面对等离子体材料表面（以下简称“壁表面”）不仅要经受高热冲击、高剂量的中子和氘、氦等离子体辐照等严酷考验，而且聚变装置运行中还存在着持续的温度波动，使壁表面产生热疲劳效应，即产生表面热疲劳裂纹。这些都会使壁表面产生损伤，影响壁表面材料的服役状况，缩短壁材料的寿命。钨、钼等难熔金属是较常采用的面向等离子体材料，其中金属钨是目前较普遍接受的优选的面对等离子体材料。研究壁表面热疲劳行为并提高其热疲劳性能是核能应用研究领域的一个重要内容。

为了进行热疲劳试验，目前人们已经采用的方法主要是能量束加热然后用水冷间接传热降温的方式，即利用激光、电子束以及离子束等方式对样品表面进行加热，然后利用水冷台对样品冷却。这些方法存在问题是不同材料对能量束的反射变化很大，例如钼表面对激光反射率很大，其加热效果受到很大限制，并且温度可控性较差；另外，用水冷台对样品降温的速度也受到限制，因为热量是从样品背面传走，并且传热途径中还有一个界面障碍；同时，每次样品与水冷台的界面接触情况很难一致，因此每次试验的冷却速度的一致性很难保证，可比性较低。

发明内容

本发明的目的是提供利用熔体传导控温方式进行材料表面热疲劳性能试验的方法。这种方法不仅可以提高试验过程中的温度控制精度，而且可提高材料表面的冷却速度，增大表层温度梯度，从而可减少热疲劳试验中的热循环次数。

一种熔体传热式壁材料表面热疲劳试验系统，其特征在于：

系统包含高温和低温两个温度的熔融液体，分别盛装在两个温度可控的坩埚内。系统还要包含装卡样品的卡具和一个可使样品变换位置的机构，能够让样品分别与高温和低温熔融液体直接接触，从而实现样品的快速加热和冷却。

应用所述系统进行材料表面热疲劳试验的方法，其特征在于步骤如下：

首先，分别用高温坩埚和低温坩埚装入熔体材料，分别控制两坩埚的加热温度达到试验需要的高温和低温温度值；

将热疲劳试验样品装卡在样品卡具上，样品卡具通过位置变换机构携带样品变换到高温坩埚的位置，并将样品表面浸入高温熔体中，使样品表面直接通过传导传热的方式快速加热，并达到与高温熔体平衡的温度；

再通过位置变换机构将样品转移到低温坩埚处，将样品表面直接浸入低温熔体中，使样品表面与低温熔体温度达到平衡。

重复上述步骤，使样品表面在所设定的高温和低温间反复快速变温，使表面发生热疲劳效应。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是将样品表面通过样品位置变换机构分别浸泡与高温熔体和低温熔体中，使样品表面直接与熔体实现热传导，实现样品表面的快速加热和冷却。这样不仅可以实现高温和低温的温度精确控制，而且可以达到很高的温度梯度的循环变化。其中高温熔体和低温熔体应选择其饱和蒸汽压在设定温度下尽可能低的材料，饱和蒸汽压越低越好。

本发明的原理在于：样品的试验表面与熔体直接接触，可以实现传导传热，温度变化迅速。同时，目前可控温度的坩埚加热技术已经很成熟，通过坩埚加热的熔体去控制样品表面温度，可以实现样品表面温度的精确控制。

相比与目前已有的能量束加热、水冷台冷却样品的热疲劳系统及方法，本发明的优点在于：

（1）样品表面直接通过传导传热，加热迅速，温度梯度大，减少热疲劳试验中发生疲劳效应所需的热循环次数，缩短试验时间。

（2）提高了样品表面的高温和低温精确度，使试验数据更加精准。

附图说明

图1是材料表面热疲劳试验系统的示意图；

图中：1.真空室；2.摆臂；3.样品卡具；4.样品；5.高温熔体；6.高温坩埚；7.低温熔体；8.低温坩埚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明采用的表面热疲劳试验系统及试验步骤进一步说明。