高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置的制造方法
【專利說明】高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及核工程領域，更具體地，涉及一種高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置。
【背景技術】
[0003]隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源供應正在成為制約我國經(jīng)濟、社會和環(huán)境發(fā)展的瓶頸，人們對于核能在我國能源可持續(xù)供應中的重要地位已逐漸形成共識。作為核反應堆建造的基礎，核材料是保證其安全性、可靠性和經(jīng)濟性的關鍵。核技術的每一步進展都與材料輻照性能的改進密不可分，因此相關的研究工作一直受到格外的重視。
[0004]當前研究反應堆材料輻照性能的最重要的手段是入堆輻照，然后利用熱室設備對出堆后的樣品進行檢驗和測試。但是，無論是堆內(nèi)輻照還是輻照后試驗都面臨著程序多、周期長、費用高等問題。為了充分利用寶貴的受輻照材料，同時減少γ射線對樣品溫度的影響以及降低大尺寸樣品內(nèi)部的輻照梯度，國內(nèi)外又發(fā)展了多種利用小樣品進行輻照性能研究的方法。
[0005]在諸多適用于小樣品測試和微納測試的方法中，儀器化壓痕方法(instrumentedindentat1n)方法由于空間分辨率高(尤適合燃料包殼等薄壁材料體系以及焊接部位等非均質材料體系)、所需樣品尺寸小、可進行原位測試、可進行多種力學量(彈性模量、硬度、屈服強度、應變硬化、斷裂韌性、蠕變激活能和應力指數(shù)、粘彈性參數(shù)、焊接殘余應力等等)的測量及綜合成本低等優(yōu)點，近幾年來在核材料的輻照硬化、輻照損傷、回火脆化和疲勞變形等重要問題的機理研究上獲得了重要的應用，已經(jīng)成為核材料性能評估和輻照效應研究的有力工具。然而，由于常規(guī)的微\納壓痕設備只能在室溫下工作，上述研究工作也都是在室溫下對輻照后的材料進行檢測和表征，獲得的數(shù)據(jù)尚不能充分反映材料在實際的高溫輻照環(huán)境下的力學特性。特別是考慮到新概念堆型的工作溫度更高(比如法國鳳凰鈉冷快中子堆冷卻劑出口溫度達560°C，我國石島灣高溫氣冷示范堆的冷卻劑出口溫度達750°C以上)，利用室溫壓痕設備獲得的力學性能數(shù)據(jù)和實際工況下的材料特性勢必相差更遠。因此發(fā)展適用于研究材料輻照效應研究的高溫壓痕設備和相應的測試方法就顯得尤為必要。
[0006]在輻照的過程中，材料不斷地產(chǎn)生貧原子區(qū)、間隙原子、空位等各類缺陷，這些缺陷不斷擴散、演化、發(fā)生相互反應，還和材料的固有缺陷如位錯、沉淀粒子、晶界等相互作用，引起材料的微觀組織結構和宏觀力學性能發(fā)生變化。這個過程是一個熱激活的動態(tài)過程，溫度直接影響著缺陷演化和相互作用的速率。目前普遍采用的輻照后(POSt-1rradiat 1n)檢驗雖然可以控制樣品的溫度，但樣品再經(jīng)轉移運輸、重新加熱等過程后，其內(nèi)部的缺陷分布、微觀組織結構和輻照時相比已經(jīng)有所變化，因此發(fā)展原位(Insitu)測試方法，即邊輻照邊測試方法，對研究輻照缺陷演化及材料的疲勞和蠕變等動態(tài)過程就特別有價值。
[0007]綜上可以發(fā)現(xiàn)，微\納壓痕方法已成為研究材料輻照效應的有力工具，高溫壓痕設備和方法也在多個領域需求的驅動下獲得了重要的進展，但應用高溫壓痕方法研究材料輻照效應的工作仍遠不充分，亟需在測試設備和測試方法上開展深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案如下:
一種高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置，包括高溫輻照器、用于加熱樣品的加熱器、輻照準直器、壓頭、軸套、控制器和驅動器；所述高溫輻照器內(nèi)有空腔且開設有第一直線通孔和第二直線通孔，所述第一直線通孔的一個口位于高溫輻照器的一個側面且該第一直線通孔與空腔相通；所述第二直線通孔的一個口位于高溫輻照器的頂面且該第二直線通孔與空腔相通；此外，高溫輻照器還開設有第三直線通孔，所述第三直線通孔位于高溫輻照器的一個側面且該第一直線通孔與空腔相通。
[0010]所述加熱器位于高溫輻照器的空腔內(nèi)，所述輻照準直器通過第一直線通孔與空腔連通并正對樣品，所述軸套位于第二直線通孔內(nèi)，壓頭安裝在軸套底部；所述驅動器用于驅動壓頭，所述控制器與加熱器和驅動器連接。
[0011]上述技術方案，在需要對樣品進行輻照時，將樣品置于加熱器上，并通孔控制器控制加熱器進行加熱，輻照射線或粒子通過準直器對樣品進行照射。在輻照和加熱過程中，如需進行力學測試，控制器控制驅動器帶動壓頭以指定的速度壓入樣品，控制器連續(xù)記錄壓入力和壓入深度。
[0012]本技術方案的原位測試裝置是一種在樣品經(jīng)受輻照時能對樣品進行加熱并進行原位力學測試的顯微壓痕裝置，為評估高溫輻照環(huán)境下新型核材料的可靠性以及在微細觀尺度上開展輻照缺陷和損傷研究提供一種新型的、高精度的表征手段。
[0013]進一步地，為了更好的對樣品進行加熱，所述加熱器包括第一加熱器和第二加熱器，所述第一加熱器位于高溫輻照器的空腔底部的中心，且樣品放置在所述第一加熱器上，所述第二加熱器位于空腔頂部，與第一加熱器正對。
[0014]進一步地，為了保護高溫輻照器，所述加熱器與高溫輻照器的內(nèi)壁之間設有隔熱層。
[0015]進一步地，所述加熱器為陶瓷電熱片；所述隔熱層為隔熱陶瓷。
[0016]進一步地，為了實時監(jiān)測加熱器的溫度，以達到對樣品加熱進行實時監(jiān)控的目的，所述加熱器上設有與控制器連接的溫度傳感器。上述溫度傳感器和加熱器的引線穿過第三直線通孔與控制器連接。
[0017]進一步地，為了屏蔽產(chǎn)生的γ射線，所述高溫輻照器位于輻射屏蔽室(如鉛室)內(nèi)。
[0018]上述高溫輻照器除加熱樣品外，還需要保證樣品不被氧化、本身不會將熱量散發(fā)到顯微壓痕儀器上，故進一步地，所述原位測試裝置還包括惰性氣體保護模塊和水冷模塊；所述惰性氣體保護模塊包括與空腔連通的保護通孔，所述保護通孔用于注入的惰性氣體對高溫輻照器的空腔進行氣體保護；所述水冷模塊為若干個水冷通道，所述水冷通道分布在第一加熱器下方和第二加熱器兩側的高溫輻照器處。
[0019]惰性氣體保護模塊由高溫輻照器上的開孔引入，其開口通向高溫輻照器內(nèi)部的空腔，由于該高溫輻照器內(nèi)部為接近密封環(huán)境，在進行高溫實驗時，通過持續(xù)通入惰性氣體，即可實現(xiàn)了加熱室內(nèi)部的惰性氣體環(huán)境，進而防止了樣品和壓頭的氧化。此外，上述原位測試裝置的用電端和用水(水冷模塊中的水冷通道)、用氣端(惰性氣體保護模塊的保護通孔)不在同一縱面上，以保證該原位測試裝置有效避免觸電及短路事故。
[0020]進一步地，為屏蔽輻射，所述高溫輻照器的空腔內(nèi)壁、第一直線通孔及第三直線通孔內(nèi)涂覆有輻照吸收層(硼)。
[0021]上述裝置主要采用不銹鋼和隔熱材料，主要的技術參數(shù)和技術特征為:
(O最高實驗溫度:1000攝氏度；
(2)水冷模塊中通入的水速度:~0.2m/s (自來水)；
(3)適用惰性氣體:氬氣等
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案的有益效果是:本發(fā)明為一種高溫輻照模擬環(huán)境下核材料力學性能的原位測試裝置，是一種可在微米尺度上對核材料的高溫輻照效應進行定量評估和表征的高溫儀器化壓入裝置。該裝置可在進行高溫輻照的同時測量樣品的彈粘塑性力學參數(shù)，這將為評估高溫輻照環(huán)境下新型核材料的可靠性以及開展輻照缺陷和損傷研究提供一種極有創(chuàng)新性的手段。本發(fā)明首次對核結構材料在高溫輻照環(huán)境下的力學性能演化進行了原位表征，為核材料的評估、選型及開展輻照效應研究提供了一種新型的、高分辨率的手段，為構造涵蓋溫度效應、應變率效應和輻照效應的統(tǒng)一型粘塑性本構模型提供了重要的依據(jù)。
【附圖說明】
[0022]圖1為高溫輻照腔示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附