一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱

摘要

本发明属于材料力学性能测试技术领域，公开了一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，包括箱体和箱门；箱体由半球壳体和圆柱壳体一体成型，箱体设置有中子入射束视窗和横向衍射束视窗，连接有感应线圈接入法兰、真空泵接入法兰、热电偶接入法兰和真空计接入法兰，并且通过拉杆接入法兰和波纹管与力学试验机的四根拉杆连接；箱门由箱门固定部和箱门移动部组成，箱门固定部焊接在箱体上，箱门移动部与箱门固定部通过铰链结构连接，并且箱门移动部设置有轴向衍射束视窗。本发明能够实现对中子衍射路径完全无遮挡，并且对测试样品进行四轴加载，同时具备温度上限高、控温精准、极限真空度高、测试样品拆卸方便、操作简单，安全可靠等特点。

权利要求

1.一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，包括箱体和箱门；其特征在于，

所述箱体由半球壳体和圆柱壳体一体成型，并且该半球壳体的圆形开口与该圆柱壳体一端的圆形端口对接；所述箱体的半球壳体和圆柱壳体的对接面在四自由度高温真空环境箱使用时垂直于水平面；

所述箱体的半球壳体设置有中子入射束视窗和横向衍射束视窗，分别用于透过中子入射束和横向衍射束；所述中子入射束视窗和所述横向衍射束视窗均由石英玻璃制成并且均由可伐合金封装之后与所述箱体焊接；

所述箱体的半球壳体顶部焊接有感应线圈接入法兰，所述感应线圈接入法兰采用标准CF法兰，其上开有通孔并焊接有陶瓷管，所述陶瓷管内部焊接有感应线圈，所述感应线圈用于连接外部感应加热设备；

所述箱体的半球壳体前部焊接有真空泵接入法兰，所述真空泵接入法兰采用标准CF法兰，用于接入真空泵对所述箱体内进行抽气而实现真空环境；

所述箱体的半球壳体还焊接有热电偶接入法兰和真空计接入法兰；所述热电偶接入法兰采用标准KF法兰，用于接入热电偶与温度控制箱测量并控制被测样品温度；所述真空计接入法兰采用标准KF法兰，用于接入真空计实时监测所述箱体内的真空度；

所述箱体通过拉杆接入法兰和波纹管与力学试验机的四根拉杆连接，四根所述拉杆的轴线均位于所述箱体的半球壳体与圆柱壳体的对接面内；

所述箱门由箱门固定部和箱门移动部组成，所述箱门固定部焊接在所述箱体的圆柱壳体另一端圆形端口上，所述箱门移动部与所述箱门固定部通过铰链结构连接；

所述箱门移动部设置有轴向衍射束视窗，用于透过轴向衍射束；所述轴向衍射束视窗由石英玻璃制成并且均由可伐合金封装之后与所述箱门移动部焊接。

2.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述箱体由内箱体与外箱体构成双层结构，所述内箱体与所述外箱体之间设置有隔板隔出循环水管路，所述循环水管路用于通入循环水降低所述箱体温度。

3.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述箱体的半球壳体底部焊接有支架，支架用于将所述箱体安装于力学试验机上。

4.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述箱体的半球壳体还焊接有第一备用法兰接口和第二备用法兰接口，所述第一备用法兰接口和所述第二备用法兰接口均采用标准KF法兰，用于接入额外设备扩展功能。

5.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述拉杆接入法兰为标准KF法兰，一端与所述箱体焊接，另一端与所述波纹管通过KF法兰卡箍连接，并且所述拉杆接入法兰和所述波纹管采用氟橡胶O型圈密封；所述波纹管的另一端焊接在所述拉杆上，能够使所述拉杆沿轴线运动。

6.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述箱门固定部主体为框体结构，所述箱门移动部主体为平板结构。

7.根据权利要求1所述的一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，其特征在于，所述箱门移动部表面设置有箱门把手。

说明书

一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱

技术领域

[0001] 本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体的说，是涉及一种用于中子衍射条件下的高温真空环境箱。

背景技术

[0002] 金属材料的力学性能是优化设计与安全评估工程部件的重要因素，随着工业的飞速发展，对材料的服役条件也提出了更高的要求。为了评估材料在恶劣工况下的应用性能，在高温真空环境条件下对材料进行力学测试受到广泛需求。金属材料力学性能的本质是材料内部微细观结构演化的结果，根据晶体学原理深入分析其内在机制，对于材料的安全应用和新材料的发展具有重要意义。

[0003] 中子具有穿透力强、不影响材料本身结构的特点，中子衍射技术作为一种原位无损研究晶体材料微细观结构变化的优秀技术而受到国内外的广泛关注。随着中国散裂中子源‑应力材料中子衍射谱仪的成功建成与出束，标志着中国目前唯一的飞行时间工程材料谱仪设备研制与安装取得成功。为了迎合国家对于材料发展的重大需求以及科研人员对于材料分析的迫切需要，在中子衍射谱仪上配备可与力学试验机配合的高温真空环境箱势在必行。

[0004] 然而，由于中子衍射路径的特点，对合理设计高温真空环境箱的视窗和位置，并辅以可靠的密封与冷却结构提出了巨大的挑战。目前，在散裂源中子衍射谱仪上配合力学试验机而配备的恶劣环境系统包括：美国散裂源的高温氩气拉伸气氛炉以及日本散裂源的低温真空拉伸炉，尚未见可用于力学测试的高温真空环境箱。因此，设计一种符合中子衍射条件，并可配合进行力学测试的高温真空环境箱，能够满足国家发展与科学进步的迫切需求，并具有国际先进性。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，能够实现对中子衍射路径完全无遮挡，并且对测试样品进行四轴加载，同时具备温度上限高、控温精准、极限真空度高、测试样品拆卸方便、操作简单，安全可靠等特点。

[0006] 本发明通过以下的技术方案予以实现：

[0007] 本发明提供了一种用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱，包括箱体和箱门；

[0008] 所述箱体由半球壳体和圆柱壳体一体成型，并且该半球壳体的圆形开口与该圆柱壳体一端的圆形端口对接；

[0009] 所述箱体的半球壳体设置有中子入射束视窗和横向衍射束视窗，分别用于透过中子入射束和横向衍射束；所述中子入射束视窗和所述横向衍射束视窗均由石英玻璃制成并且均由可伐合金封装之后与所述箱体焊接；

[0010] 所述箱体的半球壳体顶部焊接有感应线圈接入法兰，所述感应线圈接入法兰采用标准CF法兰，其上开有通孔并焊接有陶瓷管，所述陶瓷管内部焊接有感应线圈，所述感应线圈用于连接外部感应加热设备；

[0011] 所述箱体的半球壳体前部焊接有真空泵接入法兰，所述真空泵接入法兰采用标准CF法兰，用于接入真空泵对所述箱体内进行抽气而实现真空环境；

[0012] 所述箱体的半球壳体还焊接有热电偶接入法兰和真空计接入法兰；所述热电偶接入法兰采用标准KF法兰，用于接入热电偶与温度控制箱测量并控制被测样品温度；所述真空计接入法兰采用标准KF法兰，用于接入真空计实时监测所述箱体内的真空度；

[0013] 所述箱体通过拉杆接入法兰和波纹管与力学试验机的四根拉杆连接，四根所述拉杆的轴线均位于所述箱体的半球壳体与圆柱壳体的对接面内；

[0014] 所述箱门由箱门固定部和箱门移动部组成，所述箱门固定部焊接在所述箱体的圆柱壳体另一端圆形端口上，所述箱门移动部与所述箱门固定部通过铰链结构连接；

[0015] 所述箱门移动部设置有轴向衍射束视窗，用于透过轴向衍射束；所述轴向衍射束视窗由石英玻璃制成并且均由可伐合金封装之后与所述箱门移动部焊接。

[0016] 进一步地，所述箱体的半球壳体和圆柱壳体的对接面在四自由度高温真空环境箱使用时垂直于水平面。

[0017] 进一步地，所述箱体由内箱体与外箱体构成双层结构，所述内箱体与所述外箱体之间设置有隔板隔出循环水管路，所述循环水管路用于通入循环水降低所述箱体温度。

[0018] 进一步地，所述箱体的半球壳体底部焊接有支架，支架用于将所述箱体安装于力学试验机上。

[0019] 进一步地，所述箱体的半球壳体还焊接有第一备用法兰接口和第二备用法兰接口，所述第一备用法兰接口和所述第二备用法兰接口均采用标准KF法兰，用于接入额外设备扩展功能。

[0020] 进一步地，所述拉杆接入法兰为标准KF法兰，一端与所述箱体焊接，另一端与所述波纹管通过KF法兰卡箍连接，并且所述拉杆接入法兰和所述波纹管采用氟橡胶O型圈密封；所述波纹管的另一端焊接在所述拉杆上，能够使所述拉杆沿轴线运动。

[0021] 进一步地，所述箱门固定部主体为框体结构，所述箱门移动部主体为平板结构。

[0022] 进一步地，所述箱门移动部表面设置有箱门把手。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] (一)本发明的四自由度高温真空环境箱通过对箱体形状构造的优化设计，使中子束通过的视窗最小化，能够节省成本、降低视窗应力状态、增强可靠性、提升密封性能。同时，视窗通过合理选材为石英玻璃，能够满足中子衍射路径的完全无遮挡，满足中子衍射测试的需求。

[0025] (二)本发明的四自由度高温真空环境箱所用法兰均为标准CF法兰和KF法兰，能够‑3保证优良的密封性，配合600L/s分子泵真空系统可使箱内极限真空度达10 Pa以上。

[0026] (三)本发明的四自由度高温真空环境箱内通过CF法兰接入感应加热系统，能够加热被测样品，使其温度达1200℃以上。进一步地，箱体的双层设计能够使箱体通入循环水降温，保证箱体温度处于较低温度水平，以在高温工况下保证强度与密封性。

[0027] (四)本发明的四自由度高温真空环境箱可通过波纹管与力学试验机连接，可在高温真空环境下对被测样品施加拉压、循环、蠕变、松弛等载荷，同时利用中子衍射技术表征被测样品。

附图说明

[0028] 图1为本发明所提供的四自由度高温真空环境箱(俯视)与中子路径配合示意图；

[0029] 图2为本发明所提供的四自由度高温真空环境箱的主视图；

[0030] 图3为本发明所提供的四自由度高温真空环境箱中双层箱体结构示意图；

[0031] 图4为本发明所提供的四自由度高温真空环境箱的后视图。

[0032] 上述图中：1、中子入射束；2、轴向衍射束；3、横向衍射束；4、箱体；41、内箱体；42、外箱体；43、隔板；5、感应线圈接入法兰；6、陶瓷管；7、感应线圈；8、热电偶接入法兰；9、第一备用法兰接口；10、中子入射束视窗；11、第二备用法兰接口；12、真空泵接入法兰；13、真空计接入法兰；14、支架；15、横向衍射束视窗；16、拉杆接入法兰；17、波纹管；18、拉杆；19、箱门固定部；20、铰链结构；21、箱门移动部；22、轴向衍射束视窗；23、箱门把手。

具体实施方式

[0033] 为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0034] 图1为本发明实施例所提供的用于中子衍射条件下的四自由度高温真空环境箱(俯视)与中子路径配合示意图。从图1中可以看出，中子入射束1为一平行光束，其入射方向与被测样品成45°角。轴向衍射束2与横向衍射束3相互平行，并且均与中子入射束成90°角。

[0035] 如图1和图2所示，本发明的四自由度高温真空环境箱包括箱体4，箱体4由一个半球壳体和一个圆柱壳体连接构成，半球壳体的圆形开口与圆柱壳体一端的圆形端口尺寸相同，并且以一体成型的方式对接，该对接面在四自由度高温真空环境箱使用时垂直于水平面。箱体4的半球壳体部分能够提供较大的表面积，方便布置更多的接口与外部设备配合；此外，半球壳体部分还能实现在空间的多个方向上开设中子视窗，使视窗轴线与中子束的轴线重合而最小化视窗，视窗的小型化可以增强密封性和增强视窗承载能力。箱体4的圆柱壳体部分能够实现在平面部分设置箱门，从而减小箱门体积与重量，并方便开启关闭。

[0036] 如图3所示，由于箱内有热负载，本发明的箱体4设计为内箱体41与外箱体42构成的双层结构。内箱体41与外箱体42之间为空心结构，空心结构内设有隔板43隔出循环水管路，在其中通入循环水可以降低箱体4的温度，保证箱体4的可靠性与整体密封性。

[0037] 箱体4的半球壳体底部焊接有支架14，支架14底部为平面结构且布置有通孔，用于将箱体4稳定安装于力学试验机上。

[0038] 箱体4的半球壳体顶部焊接有感应线圈接入法兰5。感应线圈接入法兰5为标准CF法兰，并且开有通孔焊接陶瓷管6。陶瓷管6具有中空结构并在该中空结构内焊接有铜制的感应线圈7，感应线圈7与外部感应加热设备连接，达到给加热被测样品的效果。

[0039] 热电偶接入法兰8、真空计接入法兰13、第一备用法兰接口9、第二备用法兰接口11均焊接在箱体4的半球壳体上。热电偶接入法兰8采用标准KF法兰，用于接入热电偶与温度控制箱测量并控制被测样品温度。真空计接入法兰13采用标准KF法兰，用于接入真空计实时监测箱体4内的真空度。第一备用法兰接口9和第二备用法兰接口11均采用标准KF法兰，用于接入额外设备扩展高温真空环境箱功能。

[0040] 中子入射束视窗10由石英玻璃制成，能够使中子入射束1通过而不降低中子强度，中子入射束视窗10由可伐合金封装之后焊接在箱体4的半球壳体上。

[0041] 箱体4的半球壳体前部焊接有真空泵接入法兰12，真空泵接入法兰12采用标准CF法兰。真空泵接入法兰12用于接入真空泵，对箱体4内进行抽气而实现真空环境。真空泵优‑3选采用600L/s分子泵真空系，能够使箱体4内极限真空度达10 Pa以上。

[0042] 横向衍射束视窗15由石英玻璃制成，可使横向衍射束3通过而不降低中子强度，横向衍射束视窗15由可伐合金封装之后焊接在箱体4上。

[0043] 拉杆接入法兰16为标准KF法兰，一端焊接在箱体4上，另一端与波纹管17通过KF法兰卡箍连接，并且拉杆接入法兰16和波纹管17采用氟橡胶O型圈密封。波纹管17的作用为动密封，另一端焊接在拉杆18上，能够使拉杆18沿轴线运动。拉杆18是力学试验机的作动轴，沿轴线运动可对被测样品施加拉伸或压缩载荷。四根拉杆18同平面设置且相邻拉杆18呈90°夹角，四根拉杆18的轴线均位于箱体4的半球壳体与圆柱壳体的对接面之内。

[0044] 如图4所示，本发明的四自由度高温真空环境箱的箱门由箱门固定部19和箱门移动部21组成。箱门固定部19主体为框体结构，焊接在箱体4中圆柱壳体另一端的圆形端口上。箱门移动部21主体为平板结构，与箱门固定部19通过铰链结构20连接，方便开关以拆装试样。箱门移动部21表面还可以设置箱门把手23以方便操作。

[0045] 轴向衍射束视窗22由石英玻璃制成，可使轴向衍射束2通过而不降低中子强度，轴向衍射束视窗22由可伐合金封装之后焊接在箱门移动部21上。

[0046] 本发明选用石英玻璃制成中子入射束视窗10、横向衍射束视窗15、轴向衍射束视窗22，能够满足较小截面、高温强度好、密封性好的要求。

[0047] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。