[发明专利]具有惰性气体保护功能的高温微纳米压痕测试装置及方法

说明书

本发明涉及一种具有惰性气体保护功能的高温微纳米压痕测试装置及方法，属于机电一体化精密仪器领域。由隔热单元、惰性氛围加热单元、宏观调整‑精密加载单元、显微成像单元、XY精密位移平台与大理石基座等组成。XY精密位移平台带动隔热单元、惰性氛围加热单元及试验样品进行XY方向的位移以实现压入点更换和显微成像位置的调整。本发明可在惰性气体保护下开展室温至800℃高温环境下的材料微纳米压痕响应及力学性能的测试，结合带有滤光镜头的同轴显微镜能对高温作用下材料试验样品压痕区域的表面形貌与变形损伤进行原位观测。具有结构紧凑、模块化程度高、测试精度高、可控环境氛围以及便于操作使用等优点。

技术领域

本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种具有惰性气体保护功能的高温微纳米压痕测试装置及方法，为研究高温环境下材料的微观力学行为、变形损伤机制和性能演化规律提供了有效的技术手段，在航空航天、材料科学及钢铁冶金等领域具备广阔的应用前景。

背景技术

获取材料的力学性能是新材料应用的重要条件，但随着微机械和微电子技术的发展及薄膜、涂层材料的大量应用，其特征尺寸越来越小，传统力学测试技术已无法满足新材料在微观尺度下力学性能的获取。微纳米压痕测试是在传统硬度测试的基础上提出的新型微尺度力学测试技术。微纳米压痕测试采用高精度的载荷和位移传感器实时测量压头施加给试验样品的压入载荷和压深，最终得到压入过程的载荷-压深曲线。通过对载荷-压深曲线进行分析，可以准确测量材料的硬度、弹性模量及断裂韧度等力学性能参数。微纳米压痕测试具有操作方便、近乎无损、测试内容丰富、操作方便等优点，目前广范应用于测量微小尺寸材料如薄膜材料、梯度功能材料及纳米材料等的力学性能测试。

由于发动机涡轮叶片及火箭喷管等服役于高温环境下的材料其力学性能受温度场的影响巨大，常规测试得出的力学性能往往无法指导其在服役环境下的应用，因此开展力-热耦合加载条件下的力学性能测试至关重要。由于高温下材料的氧化会对测试结果造成极大的影响，因此目前国内外的高温微纳米压痕测试装置通常放置在密闭的真空腔或氛围腔内，这既不利于操作人员操作也大大增加了成本。同时由于温度场及高温下热辐射的影响，目前国内外的高温微纳米压痕测试装置大多缺少在高温下对压痕形貌进行原位观测的手段，难以获得高温作用下原始压痕形貌。例如中国专利(CN106404574A)，涉及一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置，采用氛围式加热炉对压头和试验样品进行同步非接触式加热的设计最小化了测试中的“温漂”；但是整个装置放置在密闭的真空腔内，需要在测试前进行长时间的抽真空过程且不利于人员操作调整；同时缺乏观测手段无法对压入前后的表面形貌进行观测。

因此开发一种无需密封腔或真空腔的具有惰性气体保护及原位观测功能的高温微纳米压痕测装置具有广泛的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有惰性气体保护功能的高温微纳米压痕测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明无需真空腔或密封腔，即可在惰性气体保护下开展室温至800℃高温环境下的微纳米压痕响应及力学性能的测试，结合带有滤光镜头的同轴显微镜能对处于高温作用下试验样品压痕区域的表面形貌与变形损伤进行原位观测；以得到材料在不同温度下的硬度、弹性模量的等力学性能参数。为研究高温环境下材料的微观力学行为、变形损伤机制和性能演化规律提供了有效的技术手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

具有惰性气体保护功能的高温微纳米压痕测试装置，包括隔热单元2、惰性氛围加热单元5、宏观调整-精密加载单元3、显微成像单元4、XY精密位移平台6及大理石基座1，所述惰性氛围加热单元5固定在隔热单元2的水冷底座27上，隔热单元2安装在XY精密位移平台6上，宏观调整-精密加载单元3、显微成像单元4、XY精密位移平台6分别固定在大理石基座1上，XY精密位移平台6带动隔热单元2、惰性氛围加热单元5及试验样品35进行XY方向的位移以实现压入点更换和显微成像位置的调整；