CN113533111A - 模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，涉及材料表面运动磨蚀测试技术领域。包括：铅铋合金环境模拟腔，铅铋合金环境模拟腔设置有彼此抵接的第一金属体和第二金属体，第一金属体通过夹持装置固定，夹持装置连接有水平周向往复运动机构，第二金属体连接有轴向往复运动机构；其能够模拟第一金属体和第二金属体在铅铋环境下受到的温度、载荷及运动的交互作用，研究这种交互作用对第一金属体和第二金属体磨蚀性的影响规律。此外本发明还提出一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，包括上述的***，能够实现同等的有益效果。

Description

模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***及方法
技术领域
本发明涉及材料表面运动磨蚀测试技术领域，具体而言，涉及一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***及方法。
背景技术
铅铋快堆代表未来核电发展方向的6种***核能***之一，具有高度的固有安全与非能动安全性，且有利于防止核扩散，在先进核能***中发展前景较好。铅铋反应堆中的冷却剂湍流流动与燃料棒之间存在流致振动现象，流致振动会导致棒表面局部出现磨损，而铅铋合金又具有一定的腐蚀性，进而导致出现严重的微动磨蚀。而微动磨蚀特性，对于堆芯安全分析至关重要。目前已有的研究大多在空气中，或者水中开展，主要针对压水堆情况，而针对铅铋合金环境下的研究公开调研文献中未见发表，因此通过模拟铅铋合金环境下试验得到其微动磨蚀特性对于铅铋快堆安全性分析非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其能够模拟第一金属体和第二金属体在铅铋环境下受到的温度、载荷及运动的交互作用，研究这种交互作用对第一金属体和第二金属体磨蚀性的影响规律。
本发明的另一目的在于提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***及方法，其能够达到和上述相同的有益效果。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其包括铅铋合金环境模拟腔，铅铋合金环境模拟腔设置有彼此抵接的第一金属体和第二金属体，第一金属体通过夹持装置固定，夹持装置连接有水平周向往复运动机构，第二金属体连接有轴向往复运动机构；
铅铋合金环境模拟腔设置有加热***，铅铋合金环境模拟腔远离水平周向往复运动机构的一侧设置有局部载荷施加机构，局部载荷施加机构作用于第二金属体，铅铋合金环境模拟腔靠近轴向往复运动机构的一侧设置有多级动密封***，铅铋合金环境模拟腔远离多级动密封***的一侧设置有抽真空***；
还包括数据采集控制***，数据采集***与水平周向往复运动机构、轴向往复运动机构和局部载荷施加机构电性连接。
在本发明的一些实施例中，上述水平周向往复运动机构包括气动活塞装置、往复齿轮、旋转齿轮、第一连杆、转动角位移测量传感器，第一金属体通过夹持装置固定于第一连杆的一端，旋转齿轮套设于第一连杆，旋转齿轮与往复齿轮相连，往复齿轮与旋转齿轮相连；
转动角位移测量传感器设置于第一连杆远离第一金属体的一端，并与数据采集控制***电性连接。
在本发明的一些实施例中，上述轴向往复运动机构包括第二连杆、螺旋固定件、步进电机驱动装置和位移测量传感器，第二金属体的一端与第二连杆连接，第二金属体的另一端与螺旋固定件相连，步进电机驱动装置设置于第二连杆远离螺旋固定件的一端，位移测量传感器设置于第二连杆并与数据采集控制***相连。
在本发明的一些实施例中，上述局部载荷施加机构包括彼此连接的螺旋施力装置和力传感器，螺旋施力装置的一侧与第二金属体抵接，力传感器与数据采集控制***相连。
在本发明的一些实施例中，上述多级动密封***包括气瓶、减压阀、连接阀和多级密封套，多级密封套设置于铅铋合金环境模拟腔靠近轴向往复运动机构的一侧，第二连杆穿设于多级密封套，多级密封套通过连接阀与气瓶相连，减压阀设置于气瓶的出口端。
在本发明的一些实施例中，上述多级密封套包括一级密封套、二级密封套和三级密封套。
在本发明的一些实施例中，上述抽真空***包括设置于铅铋合金环境模拟腔下侧外壁的真空泵，铅铋合金环境模拟腔顶侧设有用于注入铅铋合金的注入口。
在本发明的一些实施例中，上述加热***包括加热器、温度传感器和调节开关，温度传感器设置于铅铋合金环境模拟腔的外侧壁并与数据采集控制***连接，调节开关设置于加热器。
第二方面，本申请实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，其包括如下步骤：
气动活塞装置通过驱动往复齿轮带动旋转齿轮，旋转齿轮带动第二连杆作周向往复运动；
步进电机驱动装置带动第一连杆，第一连杆带动第一金属体作轴向往复运动；
通过气瓶对多层密封套补充高压气体，从而实现第二连杆与多层密封套之间的密封；
通过抽真空***实现铅铋合金环境模拟腔的真空环境，然后注入铅铋合金；
通过局部载荷施加机构对第二金属体施加负荷，并传导于第一金属体；
通过加热***将铅铋合金环境模拟腔内的铅铋合金由固态转换为液态。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明的实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其包括铅铋合金环境模拟腔，铅铋合金环境模拟腔设置有彼此抵接的第一金属体和第二金属体，第一金属体通过夹持装置固定，夹持装置连接有水平周向往复运动机构，第二金属体连接有轴向往复运动机构；铅铋合金环境模拟腔设置有加热***，铅铋合金环境模拟腔远离水平周向往复运动机构的一侧设置有局部载荷施加机构，局部载荷施加机构作用于第二金属体，铅铋合金环境模拟腔靠近轴向往复运动机构的一侧设置有多级动密封***，铅铋合金环境模拟腔远离多级动密封***的一侧设置有抽真空***；还包括数据采集控制***，数据采集***与水平周向往复运动机构、轴向往复运动机构和局部载荷施加机构电性连接。在本发明中，水平周向往复运动机构带动第一金属体作周向往复运动，由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的周向往复运动；轴向往复运动机构带动第二金属体作轴向直线往复运动，并由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的轴向往复运动；局部载荷施加机构用于对第二金属体施加局部力载荷，并由第二金属体传导于第一金属体，模拟局部载荷对第一金属体和第二金属体的磨蚀所造成的影响；加热***用于将铅铋合金环境模拟腔内的铅铋合金由固态融化为液态，使得第一金属体和第二金属体浸泡在铅铋合金内；多级动密封***实现了第二连杆与铅铋合金环境模拟腔之间的动密封；抽真空***实现了铅铋合金环境模拟腔的真空环境，避免铅铋合金接触氧气后影响其磨蚀特性。本发明用于模拟第一金属体和第二金属体在铅铋环境下受到的温度、载荷及运动的交互作用，研究这种交互作用对第一金属体和第二金属体在铅铋环境下磨蚀性的影响规律。
此外，本发明的实施例还提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，能够达到和上述相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例整体的示意图。
图标：1-铅铋合金环境模拟腔，110-多级密封***，111-气瓶，112-减压阀，113-连接阀，114-多级密封套，120-抽真空***，121-真空泵，122-注入口，2-第一金属体，210-夹持装置，220-水平周向往复运动机构，221-气动活塞装置，222-往复齿轮，223-旋转齿轮，224-第一连杆，225-转动角位移测量传感器，3-第二金属体，310-轴向往复运动机构，311-第二连杆，312-步进电机驱动装置，313-位移测量传感器，314-螺旋固定件，320-局部载荷施加机构，321-螺旋施力装置，322-力传感器，4-加热***，401-加热器，402-温度传感器，403-调节开关。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，若出现术语“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参照图1，图1所示为本发明的实施例。
第一方面，本实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其包括铅铋合金环境模拟腔1，铅铋合金环境模拟腔1设置有彼此抵接的第一金属体2和第二金属体3，第一金属体2通过夹持装置210固定，夹持装置210连接有水平周向往复运动机构220，第二金属体3连接有轴向往复运动机构310；
铅铋合金环境模拟腔1设置有加热***4，铅铋合金环境模拟腔1远离水平周向往复运动机构220的一侧设置有局部载荷施加机构320，局部载荷施加机构320作用于第二金属体3，铅铋合金环境模拟腔1靠近轴向往复运动机构310的一侧设置有多级动密封***，铅铋合金环境模拟腔1远离多级动密封***的一侧设置有抽真空***120；
还包括数据采集控制***，数据采集***与水平周向往复运动机构220、轴向往复运动机构310和局部载荷施加机构320电性连接。
水平周向往复运动机构220带动第一金属体2作周向往复运动，由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的周向往复运动；轴向往复运动机构310带动第二金属体3作轴向直线往复运动，并由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的轴向往复运动。
局部载荷施加机构320用于对第二金属体3施加局部力载荷，并由第二金属体3传导于第一金属体2，模拟局部载荷对第一金属体2和第二金属体3的磨蚀性所造成的影响。
铅铋合金在常温状态下为固态，加热***4用于将铅铋合金环境模拟腔1内的铅铋合金由固态融化为液态，使得第一金属体2和第二金属体3浸泡在铅铋合金内。
多级动密封***实现了第二连杆311与铅铋合金环境模拟腔1之间的动密封。
抽真空***120实现了铅铋合金环境模拟腔1的真空环境，避免铅铋合金接触氧气后影响其磨蚀特性。
本发明用于模拟第一金属体2和第二金属体3在铅铋合金环境中所受到的温度、载荷及运动的交互作用，研究这种交互作用对第一金属体2和第二金属体3在铅铋环境下磨蚀性的影响规律。
在本发明的一些实施例中，上述水平周向往复运动机构220包括气动活塞装置221、往复齿轮222、旋转齿轮223、第一连杆224、转动角位移测量传感器225，第一金属体2通过夹持装置210固定于第一连杆224的一端，旋转齿轮223套设于第一连杆224，旋转齿轮223与往复齿轮222相连，往复齿轮222与旋转齿轮223相连；
转动角位移测量传感器225设置于第一连杆224远离第一金属体2的一端，并与数据采集控制***电性连接。
上述轴向往复运动机构310包括第二连杆311、螺旋固定件314、步进电机驱动装置312和位移测量传感器313，第二金属体3的一端与第二连杆311连接，第二金属体3的另一端与螺旋固定件314相连，步进电机驱动装置312设置于第二连杆311远离螺旋固定件314的一端，位移测量传感器313设置于第二连杆311并与数据采集控制***相连。
在本发明的一些实施例中，上述局部载荷施加机构320包括彼此连接的螺旋施力装置321和力传感器322，螺旋施力装置321的一侧与第二金属体3抵接，力传感器322与数据采集控制***相连。
需说明的是，轴向往复运动机构310、水平周向往复运动机构220、局部载荷施加机构320，这三者可以同时配合使用，也可以任意组合。主要为了模拟第一金属体2和第二金属体3在铅铋合金这种腐蚀环境下，受到不同条件的作用力(不同的运动及载荷)后所产生的影响，从而研究第一金属体2和第二金属体3在铅铋环境下受到不同作用力(运动、载荷)的磨蚀特性。
在本发明的一些实施例中，上述多级动密封***包括气瓶111、减压阀112、连接阀113和多级密封套114，多级密封套114设置于铅铋合金环境模拟腔1靠近轴向往复运动机构310的一侧，第二连杆311穿设于多级密封套114，多级密封套114通过连接阀113与气瓶111相连，减压阀112设置于气瓶111的出口端。
在本发明的一些实施例中，上述多级密封套114包括一级密封套、二级密封套和三级密封套。
在本实施例中，气瓶111内填充有惰性气体，通过对一级密封套、二级密封套和三级密封套层层补充高压气体，使得多层密封套外部的压力高于内部的压力即可实现密封第二连杆311和多层密封套之间的动密封，即当第二连杆311受到轴向往复运动机构310的作用力时，能够保持第二连杆311与铅铋合金环境模拟腔1之间的密封性，避免空气进入铅铋合金环境模拟腔1，从而影响其腐蚀的特性。
在本发明的一些实施例中，上述抽真空***120包括设置于铅铋合金环境模拟腔1下侧外壁的真空泵121，铅铋合金环境模拟腔1顶侧设有用于注入铅铋合金的注入口122。
在本实施例中，先将铅铋合金环境模拟腔1中的空气抽取出，然后再通过注入口122注入铅铋合金，最大化地减小铅铋合金接触氧气后对其磨蚀特性的影响。
在本发明的一些实施例中，上述加热***4包括加热器401、温度传感器402和调节开关403，温度传感器402设置于铅铋合金环境模拟腔1的外侧壁并与数据采集控制***连接，调节开关403设置于加热器401。
在本实施例中，通过控制调节开关403，将铅铋合金环境模拟腔1加热到能够将固铅铋合金融化为液态的温度。
第二方面，本实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，其包括如下步骤：
气动活塞装置221通过驱动往复齿轮222带动旋转齿轮223，旋转齿轮223带动第二连杆311作周向往复运动；
步进电机驱动装置312带动第一连杆224，第一连杆224带动第一金属体2作轴向往复运动；
通过气瓶111对多层密封套补充高压气体，从而实现第二连杆311与多层密封套之间的密封；
通过抽真空***120实现铅铋合金环境模拟腔1的真空环境，然后注入铅铋合金；
通过局部载荷施加机构320对第二金属体3施加负荷，并传导于第一金属体2；
通过加热***4将铅铋合金环境模拟腔1内的铅铋合金由固态转换为液态。
综上，本发明的实施例提供一种装置及方法：
本发明的实施例提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其包括铅铋合金环境模拟腔1，铅铋合金环境模拟腔1设置有彼此抵接的第一金属体2和第二金属体3，第一金属体2通过夹持装置210固定，夹持装置210连接有水平周向往复运动机构220，第二金属体3连接有轴向往复运动机构310；铅铋合金环境模拟腔1设置有加热***4，铅铋合金环境模拟腔1远离水平周向往复运动机构220的一侧设置有局部载荷施加机构320，局部载荷施加机构320作用于第二金属体3，铅铋合金环境模拟腔1靠近轴向往复运动机构310的一侧设置有多级动密封***，铅铋合金环境模拟腔1远离多级动密封***的一侧设置有抽真空***120；还包括数据采集控制***，数据采集***与水平周向往复运动机构220、轴向往复运动机构310和局部载荷施加机构320电性连接。在本发明中，水平周向往复运动机构220带动第一金属体2作周向往复运动，由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的周向往复运动；轴向往复运动机构310带动第二金属体3作轴向直线往复运动，并由数据采集控制***实现不同幅值和频率下的轴向往复运动；局部载荷施加机构320用于对第二金属体3施加局部力载荷，并由第二金属体3传导于第一金属体2，模拟局部载荷对第一金属体2和第二金属体3的磨蚀所造成的影响；加热***4用于将铅铋合金环境模拟腔1内的铅铋合金由固态融化为液态，使得第一金属体2和第二金属体3能够浸泡在铅铋合金中；多级动密封***实现了第二连杆311与铅铋合金环境模拟腔1之间的动密封，使得第二连杆311受到轴向往复运动机构310的作用力时，能够保持与铅铋合金环境模拟腔1之间的密封性，从而避免氧气进入铅铋合金环境模拟腔1，影响铅铋合金的腐蚀特性；抽真空***120实现了铅铋合金环境模拟腔1的真空环境，避免铅铋合金接触氧气后影响其磨蚀特性。本发明用于模拟第一金属体2和第二金属体3在铅铋环境下受到的温度、载荷及运动的交互作用，研究这种交互作用对第一金属体2和第二金属体3在铅铋环境中磨蚀性的影响规律。
此外，本发明的实施例还提供一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，能够达到和上述相同的有益效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，包括铅铋合金环境模拟腔，所述铅铋合金环境模拟腔设置有彼此抵接的第一金属体和第二金属体，所述第一金属体通过夹持装置固定，所述夹持装置连接有水平周向往复运动机构，所述第二金属体连接有轴向往复运动机构；
所述铅铋合金环境模拟腔设置有加热***，所述铅铋合金环境模拟腔远离所述水平周向往复运动机构的一侧设置有局部载荷施加机构，所述局部载荷施加机构作用于所述第二金属体，所述铅铋合金环境模拟腔靠近所述轴向往复运动机构的一侧设置有多级动密封***，所述铅铋合金环境模拟腔远离所述多级动密封***的一侧设置有抽真空***；
还包括数据采集控制***，所述数据采集***与所述水平周向往复运动机构、所述轴向往复运动机构和所述局部载荷施加机构电性连接。
2.根据权利要求1所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述水平周向往复运动机构包括气动活塞装置、往复齿轮、旋转齿轮、第一连杆、转动角位移测量传感器，所述第一金属体通过所述夹持装置固定于所述第一连杆的一端，所述旋转齿轮套设于所述第一连杆，所述旋转齿轮与所述往复齿轮相连，所述往复齿轮与所述旋转齿轮相连；
所述转动角位移测量传感器设置于所述第一连杆远离所述第一金属体的一端，并与所述数据采集控制***电性连接。
3.根据权利要求1所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述轴向往复运动机构包括第二连杆、螺旋固定件、步进电机驱动装置和位移测量传感器，所述第二金属体的一端与所述第二连杆连接，所述第二金属体的另一端与所述螺旋固定件相连，所述步进电机驱动装置设置于所述第二连杆远离所述螺旋固定件的一端，所述位移测量传感器设置于所述第二连杆并与所述数据采集控制***相连。
4.根据权利要求1所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述局部载荷施加机构包括彼此连接的螺旋施力装置和力传感器，所述螺旋施力装置的一侧与所述第二金属体抵接，所述力传感器与所述数据采集控制***相连。
5.根据权利要求3所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述多级动密封***包括气瓶、减压阀、连接阀和多级密封套，所述多级密封套设置于所述铅铋合金环境模拟腔靠近所述轴向往复运动机构的一侧，所述第二连杆穿设于所述多级密封套，所述多级密封套通过所述连接阀与所述气瓶相连，所述减压阀设置于所述气瓶的出口端。
6.根据权利要求5所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述多级密封套包括一级密封套、二级密封套和三级密封套。
7.根据权利要求1所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述抽真空***包括设置于所述铅铋合金环境模拟腔下侧外壁的真空泵，所述铅铋合金环境模拟腔顶侧设有用于注入铅铋合金的注入口。
8.根据权利要求1所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述加热***包括加热器、温度传感器和调节开关，所述温度传感器设置于所述铅铋合金环境模拟腔的外侧壁并与所述数据采集控制***连接，所述调节开关设置于所述加热器。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的磨蚀***，其特征在于，所述数据采集控制***包括彼此连接的数据采集模块和PC端。
10.一种模拟金属在铅铋合金环境下多种运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：
气动活塞装置通过驱动往复齿轮带动旋转齿轮，旋转齿轮带动第二连杆作周向往复运动；
步进电机驱动装置带动第一连杆，第一连杆带动第一金属体作轴向往复运动；
通过气瓶对多层密封套补充高压气体，从而实现第二连杆与多层密封套之间的密封；
通过抽真空***实现铅铋合金环境模拟腔的真空环境，然后注入铅铋合金；
通过局部载荷施加机构对第二金属体施加负荷，并传导于第一金属体；
通过加热***将铅铋合金环境模拟腔内的铅铋合金由固态转换为液态。
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