Изобретение относится к области прочностных свойств материалов при высоких температурах, в частности к конструкциям вакуумных индукционных испытательных установок с рабочими температурами до 1200°С.
Известна представленная фирмой Walter+bai ag (w+b) высокотемпературная установка для испытания механических свойств материалов при высоких температурах на воздухе в условиях индукционного нагрева испытуемого образца.
Дан общий вид установки и показан процесс проведения испытания образца.
Каркас установки состоит из жесткой сварной рамы, где по вертикально расположенным винтам перемещается подвижная траверса. На ней установлен захват (нижний), где закрепляется образец. Второй захват (верхний) установлен соосно с нижним на верхней балке рамы и непосредственно связан с датчиком силы.
Пневмозахваты цанговые надежно удерживают образец, размещенный в центре ВЧ индуктора, который закреплен на отдельной стойке рядом.
Два индентора экстензометра подходят к расчетной части образца и определяют деформацию его во время испытания.
При подаче напряжения на ВЧ индуктор образец разогревается до рабочей температуры, экстензометр замеряет деформацию (термодеформацию), а при движении нижней траверсы вниз происходит разрушение образца с записью полной его деформации.
Недостатками данной конструкции являются невысокая рабочая температура, испытания на воздухе, неравномерное распределение температуры по образцу из-за разницы шага витков в ВЧ индукторе, отсутствие защитных экранов.
Задача изобретения - повышение рабочей температуры на испытуемом образце до 4000°С в вакуумной камере.
Решение этой задачи достигается тем, что в вакуумную водоохлаждаемую камеру установлен источник индукционного нагрева - ВЧ индуктор.
Камера выполнена в виде цилиндра с двумя боковыми крышками, которые плотно, через резиновые уплотнения, прилегают к корпусу камеры и прижимаются к ней замками.
ВЧ индуктор установлен по центру камеры. Соосно с ним расположены верхняя и нижняя тяги. Верхняя тяга соединена с датчиком силы, нижняя (подвижная) тяга обеспечивает перемещение образца. На концах тяг установлены захваты, удерживающие образец.
На чертеже представлена вакуумная камера с источником нагрева - ВЧ индуктором.
Камера полностью выполнена из нержавеющей стали, по торцам ее корпуса 1 проточены кольцевые канавки для вакуумных уплотнений 2.
Неподвижная крышка 3 плотно прижата к корпусу камеры замком (не показано), но аналогично позиции 20.
На дне камеры, по центру, расположен держатель теплового экрана 4. несъемная часть теплового экрана 5 должна устанавливаться в паз плотно, т.к. через две прорези в нем проходит ВЧ индуктор.
Нижняя тяга захвата 6 с минимальным зазором проходит через держатель теплового экрана. Это необходимо для того, чтобы избежать падение разрушенного образца 19 на ВЧ индуктор.
ВЧ индуктор введен в вакуумную камеру через стальной стакан 7, герметично установленный в неподвижной крышке 3 с помощью уплотнения 8, обжатого гайкой 13. Внутри стакана размещены два текстолитовых изолятора 9, между которыми находится вакуумное уплотнение 10. Это уплотнение через втулку 11 поджимается гайкой 12 и плотно обжимает трубки ВЧ индуктора.
В верхней части камеры расположен корпус силоизмерителя 15, а ниже, в самой камере, на верхнем захвате 18 расположен экран 16, который может лежать на самом захвате. Его ставят для защиты внутренней поверхности 14 камеры от напыления со стороны образца.
Смотровое окно 17 имеет шторку (не показана) для того, чтобы не перегрелось стекло и уплотнение. Шторка открывается лишь в момент контроля температуры образца пирометром.
Испытуемый образец 19 устанавливается в захваты.
При использовании ВЧ индуктора необходимо исключить замыкание его витков. Причиной замыкания в нашем случае может послужить часть разрушенного при разрыве образца, выпавшего из захвата.
Учитывая это, необходимо выполнить верхний захват закрытым. Это известная форма захвата, когда два полусухаря с гнездами под образец и тягу после их установки на тяге фиксируются цилиндром, образуя неразъемное соединение при нагружении образца.
Нижний захват можно выбрать любым, так как разорванный образец и захват лежат ниже ВЧ индуктора.
Подвижная крышка 21 уплотняется и поджимается замком 20.
В нижней части камеры условно показан механизм перемещения нижней тяги 22. Конструкция вакуумных испытательных установок является известной; она не составляет предмета патентной охраны и поэтому в настоящей заявке не раскрыта.
Вакуумная камера с индукционным нагревом работает следующим образом.
В камеру напускают воздух (в выключенном состоянии система находится под вакуумом, кроме форвакуумного насоса) и открывают подвижную крышку 21. Концевые выключатели на крышке отключают высокочастотный генератор.
Снимают ближайшую половину теплового экрана 5, после чего вынимают из захватов 6 и 18 испытанный образец 19.
Протирают внутренние поверхности камеры 1 спиртом и в захваты 6 и 18 устанавливают новый образец 19, после чего в держатель экрана 4 помещают снятую вторую половину теплового экрана 5.
Закрывают подвижную крышку 21 и прижимают ее замком 20.
После этого подключают форвакуумный и диффузионный насосы и обеспечивают необходимый вакуум в рабочей камере. При достижении необходимого вакуума включают высокочастотный генератор и проводят нагрев образца. Контроль температуры осуществляют пирометром. При достижении заданной температуры проводят выдержку образца и его испытание.
При применении индукционного способа нагрева зона максимального нагрева ограничивается высотой ВЧ индуктора, одновременно существенно упрощается задача с тепловыми экранами. Для самого корпуса камеры не требуется многослойная защита из тугоплавкого материала. Процесс нагрева испытуемого образца может идти со скоростью до 100°С в секунду.
Рабочая часть образца должна полностью находиться в зоне нагрева ВЧ индуктора, что необходимо для получения заданной и стабильной температуры на его расчетной длине.
