詹霞 Joe Kelleher 高建波 馬艷玲 初銘強 張書彥 張鵬 Sanjooram Paddea 貢志鋒 侯曉東

1)(東莞材料基因高等理工研究院,東莞 523808)

2)(英國散裂中子源,哈維爾 OX11 0QX)

3)(松山湖材料實驗室,東莞 523808)

4)(中國商飛上海飛機制造有限公司,上海 200436)

5)(英國公開大學(xué)材料工程學(xué)院,米爾頓凱恩斯 MK7 6AA)

6)(英國考文垂大學(xué)未來運輸與城市研究所,考文垂 CV1 5FB)

1 引 言

工程材料衍射譜儀廣泛應(yīng)用在材料及加工領(lǐng)域,用于研究材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),如殘余應(yīng)力、相變、微觀力學(xué)等,涉及的行業(yè)包括航空航天、軌道交通、核能開發(fā)等.為了更準確地研究材料性能,高溫原位實驗樣品環(huán)境受到越來越多的關(guān)注,資料顯示在中子衍射和同步輻射裝置的工程應(yīng)用中原位實驗采用紅外加熱型高溫爐較為普遍[1,2].考慮樣品通常較小高溫爐反射罩優(yōu)先選用橢圓形[3],自1979年Eyer等[4]提出雙橢圓反射罩高溫爐開始,改進型雙橢圓高溫爐[5]、四橢圓高溫爐[6]及六橢圓高溫爐[7]陸續(xù)投入應(yīng)用.英國散裂中子源工程材料衍射譜儀Engin-X采用紅外加熱型四橢圓反射罩高溫爐,最高設(shè)計溫度可達1100 ℃,至今已使用十余年[8?10].與Engin-X相似的中子譜儀還包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室的SMART[11,12]以及日本散裂中子源的TAKUMI[13,14],前者高溫爐為電阻絲加熱型,后者為紅外加熱型.兩臺中子譜儀均有著良好的實驗應(yīng)用經(jīng)驗,SMART電阻絲高溫爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格昂貴,加載條件下樣品最高加熱溫度可達1500 ℃,但在中低溫實驗中高溫爐調(diào)試過程復(fù)雜且耗時較長; TAKUMI使用鹵素?zé)艄芗訜?最高溫度可達1000 ℃.隨著用戶對中子衍射原位實驗提出更高要求,Engin-X現(xiàn)有條件已不能滿足部分合金材料的高溫實驗需求,本文將詳細介紹Engin-X紅外加熱型高溫爐的現(xiàn)狀和優(yōu)化設(shè)計.

2 高溫爐現(xiàn)狀

Engin-X紅外加熱型高溫爐中樣品位于高溫爐中心處,上下兩側(cè)各有2個加熱單元,每個加熱單元含半橢圓形鋁制外罩及鹵素?zé)艄?鋁罩內(nèi)層拋光處理增強反射效果.圖1(a)為Engin-X高溫爐加熱單元實物圖[8],圖1(b)為Engin-X高溫爐加熱單元簡化圖.

圖1 (a)Engin-X高溫爐加熱單元實物圖;(b)Engin-X高溫爐加熱單元簡化圖Fig.1.(a)Engin-X furnace heating unit current layout;(b)Engin-X furnace heating unit simplified schematic drawing.

圖2為Engin-X高溫原位實驗設(shè)備布置示意圖,共設(shè)有兩組中子探測器,以中子入射方向為參考方向(垂直紙面向內(nèi)),探測器分別位于 ± 90°位置,探測器在垂直方向覆蓋范圍為 ± 21°[15],故要求高溫爐半橢圓反射罩需為衍射中子預(yù)留至少42°的衍射覆蓋角,Engin-X實際留有約60°的衍射覆蓋角,整套加熱裝置由PRECISION CONTROL SYSTEMS公司研制[16].為進一步提升加熱溫度,本文從反射罩結(jié)構(gòu)、布局、反射涂層以及衍射覆蓋角等方面著手優(yōu)化設(shè)計.

圖2 Engin-X高溫原位實驗設(shè)備布置示意圖Fig.2.Engin-X setup for in-situ high temperature experiments.

3 高溫爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬

3.1 反射罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計,橢圓-圓組合反射罩和橢圓-圓-橢圓組合反射罩,相似的幾何設(shè)計理念在專利“一種基于雙反射罩的均勻照明系統(tǒng)”中也有體現(xiàn)[17].橢圓-圓組合反射罩及其幾何特征如圖3(a)所示,燈管位于橢圓第一焦點處,樣品位于橢圓第二焦點處,并以燈管中心為圓心、燈管至橢圓弧邊緣點距離為半徑作兩段對稱圓弧,同時滿足橢圓弧邊緣點、圓弧邊緣點和樣品中心點三點共線以實現(xiàn)較優(yōu)光線出射量.要確定橢圓-圓組合反射罩的最優(yōu)形狀,需要設(shè)定四個變量,包括橢圓第一焦距L1、第二焦距L2、橢圓弧深度D以及切線夾角q,對反射罩幾何形狀進行設(shè)定.Engin-X現(xiàn)有高溫爐衍射覆蓋角可由60°縮小至55°,對四反射罩布局而言,可推算出q取值應(yīng)為(180??55??4×3?)÷4=28.25°,此處的3°為考慮的反射罩厚度.

圖3 (a)橢圓–圓組合反射罩幾何關(guān)系圖;(b)橢圓–圓–橢圓組合反射罩幾何關(guān)系圖Fig.3.(a)Combined ellipse-sphere reflector geometrical layout;(b)combined ellipse-sphere-ellipse reflector geometrical layout.

橢圓-圓-橢圓組合反射罩及其幾何特征如圖3(b)所示,外橢圓第一焦點與內(nèi)橢圓第一焦點重合,外橢圓第二焦點與內(nèi)橢圓第二焦點重合; 燈管位于第一焦點處,樣品位于第二焦點處; 以燈管中心為圓心、燈管至外橢圓弧邊緣點距離為半徑作兩段對稱圓弧,該圓弧再分別與內(nèi)橢圓弧相交.要確定橢圓-圓-橢圓組合反射罩的最優(yōu)形狀,需要設(shè)定四個變量,包括外橢圓第一焦距L1、第二焦距L2、圓弧深度D以及連線夾角q,對反射罩幾何形狀進行設(shè)定,此處q值為28.25°,與橢圓-圓組合反射罩布局保持一致.

3.2 光線聚焦模擬計算

模擬計算采用的TracePro程序是一款普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光學(xué)仿真軟件,具體地,對加熱爐組件進行三維建模,設(shè)定光源參數(shù)如功率、光譜分布、光線數(shù)量等,定義各部件性能參數(shù)包括材料、表面特性等,以樣品為研究對象,軟件可追跡到達樣品表面的光源直射光線、反射光線的數(shù)量和光譜分布,再結(jié)合樣品材料特性計算出可吸收的熱輻射能量,即稱為樣品吸收能量.模擬運用Macro Language進行設(shè)定,可追跡加熱爐三維模型動態(tài)變化過程中樣品處的光線聚焦效果,確定樣品最優(yōu)吸收能量.模擬時除反射罩截面形狀改變、反射罩內(nèi)層鍍金以外,部件其他性能參數(shù)和幾何尺寸均與Engin-X現(xiàn)有高溫爐實際情況保持一致,具體參數(shù)見表1.高溫爐通常選用短波光鹵素?zé)艄軐饘贅悠愤M行熱輻射加熱,集中在近紅外波段,該波段范圍內(nèi)鍍金層有更好的反射效率[18,19],也在其他加熱裝置反射罩上得到了應(yīng)用[6,7,20].

表1 TracePro模擬中高溫爐各部件參數(shù)設(shè)定Table 1.Parameters of furnace components in TracePro simulation.

橢圓-圓組合反射罩L1,L2取值不同反射罩形狀各異,從而導(dǎo)致樣品加熱效果不同,Engin-X現(xiàn)有高溫爐中橢圓第二焦距為100 mm,為匹配相同樣品臺尺寸,優(yōu)化模擬中L2擬定在80—120 mm的范圍.結(jié)果如圖4所示,整體而言L2值越小樣品吸收能量越多,當(dāng)L2為定值時,樣品吸收能量隨著L1值的變化先增大后減小.取出各曲線最優(yōu)值并擬合,結(jié)果見圖5(a)中的紅線,此曲線即為樣品最優(yōu)能量吸收曲線,任一L2值對應(yīng)一個最優(yōu)反射罩形狀.為了進一步驗證最優(yōu)反射罩形狀的內(nèi)在幾何關(guān)系,增加了一組模擬對比,即限定橢圓弧深度與L1值相等并稱之為臨界形狀,模擬結(jié)果見圖5(a)中的黑線.對比可知,臨界形狀和最優(yōu)形狀的樣品能量吸收非常接近,即表明當(dāng)橢圓弧深度剛好取到第一焦點或附近時可使加熱單元實現(xiàn)最優(yōu)聚光效果,達到樣品的最高加熱溫度,與Engin-X現(xiàn)有高溫爐模擬結(jié)果相比,樣品最大能量吸收可提高72%.在上下反射罩之間增加鋁制擋板,靠樣品側(cè)內(nèi)表面進行拋光處理,可進一步增加反射到樣品的光線數(shù)量,尤其可以增加到達樣品兩端加載軸的光線數(shù)量,兩者均有利于樣品溫度的提升.在四周（軸向兩端和側(cè)向兩端）增加擋板后增強效果明顯,但實驗時通常在側(cè)向兩端預(yù)留中子散射窗口以減少中子強度損失同時實現(xiàn)觀測目的,以兩側(cè)各設(shè)置一半面積擋板為例,此時樣品最大能量吸收可提升109%.

圖4 橢圓–圓組合反射罩下樣品能量吸收模擬結(jié)果Fig.4.Sample energy absorption mounted by combined ellipse-sphere reflector.

圖5 (a)橢圓–圓組合反射罩下樣品能量吸收對比;(b)橢圓–圓組合反射罩和橢圓–圓–橢圓組合反射罩下樣品最優(yōu)能量吸收對比Fig.5.(a)Sample energy absorption comparison under combined ellipse-sphere reflector;(b)sample energy absorption comparison between optimized ellipse-sphere and optimized ellipse-sphere-ellipse reflector.

參考橢圓-圓模擬結(jié)果,可以假定橢圓-圓-橢圓組合反射罩中外橢圓弧深度與第一焦距L1值相等,TracePro模擬橢圓-圓-橢圓結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)能量吸收結(jié)果如圖5(b)(粉線)所示,整體變化趨勢與橢圓-圓組合反射罩模擬結(jié)果類似但樣品的能量吸收略優(yōu)10%,增加相同設(shè)置的反射擋板后較橢圓-圓組合反射罩擋板模型提升了6%.

4 高溫爐溫度場模擬計算

采用ANSYS軟件對橢圓-圓組合反射罩結(jié)構(gòu)的高溫爐溫度場進行熱模擬計算,模擬計算的加熱單元幾何結(jié)構(gòu)與TracePro中光路模擬結(jié)構(gòu)保持一致,TracePro模擬計算得到的樣品吸收能量值同時作為輸入?yún)?shù)代入熱計算.選用的標(biāo)準棒狀試樣中間段長度42 mm（螺紋段除外）、直徑8 mm,僅考慮反射罩單一結(jié)構(gòu)優(yōu)化,此時試樣最高加熱溫度可達1291 ℃; 從應(yīng)用角度考慮,參照上文軸向、側(cè)向擋板設(shè)置方案進行分析,試樣中軸線溫度分布見圖6(a),溫度從中心往軸向兩側(cè)逐漸降低.中子衍射實驗試樣的取樣大小典型值為4 mm × 4 mm ×4 mm的立方體,為了進一步研究取樣范圍內(nèi)的溫度分布,選取棒狀試樣中心位置4 mm × 4 mm ×4 mm的體積元并沿著試樣軸向、徑向各截取中心面,相應(yīng)的溫度分布分別見圖7(a)和圖8(a).從兩個橫截面溫度分布可以看出,選取的體積元內(nèi)溫度差可控制在5 ℃以內(nèi),最高溫度約為1399 ℃,且從表面到中心逐漸降低.

橢圓-圓-橢圓組合反射罩結(jié)構(gòu)高溫爐溫度場熱模擬計算同樣選取棒狀試樣中心位置4 mm ×4 mm × 4 mm的體積元.僅考慮反射罩單一結(jié)構(gòu)優(yōu)化,此時試樣最高加熱溫度可達1317 ℃,設(shè)置相同擋板后,模擬結(jié)果如圖6(b)、圖7(b)和圖8(b)所示.結(jié)果表明,溫度差仍控制在5 ℃以內(nèi),最高溫度約為1423 ℃.

圖6 熱模擬中棒狀試樣在(a)橢圓–圓組合反射罩下和(b)橢圓–圓–橢圓組合反射罩下中軸線的溫度分布Fig.6.Simulated central axial temperature distribution of screw-threaded sample under(a)ellipse-sphere reflector and(b)ellipsesphere-ellipse reflector.

圖7 熱模擬中棒狀試樣中心處4 mm × 4 mm × 4 mm體積元在(a)橢圓–圓組合反射罩下和(b)橢圓–圓–橢圓組合反射罩下軸向橫截面溫度分布Fig.7.4 mm × 4 mm × 4 mm gauge volume simulated axial cross-section temperature distribution of screw-threaded sample under(a)ellipse-sphere reflector and(b)ellipse-sphere-ellipse reflector.

圖8 棒狀試樣中心處4 mm × 4 mm × 4 mm體積元在(a)橢圓–圓組合反射罩下和(b)橢圓–圓–橢圓組合反射罩下徑向橫截面溫度分布Fig.8.4 mm × 4 mm × 4 mm gauge volume simulated radial cross-section temperature distribution of screw-threaded sample under(a)ellipse-sphere reflector and(b)ellipse-sphere-ellipse reflector.

5 高溫爐溫度場實驗驗證

為驗證模擬計算的準確性,在Engin-X中子譜儀上完成高溫拉伸實驗: 直徑8 mm因科鎳棒狀試樣,k型熱電偶,空氣氛圍,在燈管70%功率下試樣最高溫度達到860 ℃,100%功率下最高溫度達到1003 ℃.圖9為試樣加熱階段實物圖展示,中心和兩側(cè)共設(shè)有3個熱電偶.

用上文中提及的思路,對現(xiàn)有高溫爐進行光線聚焦和溫度場的模擬計算,設(shè)置相同參數(shù)（含高溫爐形狀、燈管、反射層、夾具、試樣等）后,得到如圖10所示的結(jié)果.可以看出,70%加熱功率下試樣最高加熱溫度可達899 ℃,100%加熱功率下試樣最高加熱溫度可達1048 ℃.考慮到現(xiàn)有高溫爐裝置在中子譜儀上已使用10余年,存在焦點對中略有錯位,反射罩反射層質(zhì)量略有下降等原因,所以實驗測量值比理論模擬值略低一些,總體而言實驗與模擬結(jié)果基本一致,驗證了模擬思路和方法的可行性.

結(jié)合上一章節(jié)模擬結(jié)果分析,僅考慮反射罩單一結(jié)構(gòu)優(yōu)化,橢圓–圓組合反射罩比現(xiàn)有半橢圓反射罩使樣品最高加熱溫度從1048 ℃提高到1291 ℃,橢圓-圓-橢圓組合反射罩則提高到1317 ℃,優(yōu)化結(jié)果較為明顯.

圖9 高溫拉伸實驗試樣加熱階段實物圖Fig.9.Sample heating process in high temperature tensile test.

圖10 熱模擬中棒狀試樣在(a)70%加熱功率和(b)100%加熱功率下的溫度分布Fig.10.Simulated temperature distribution of screw-threaded sample under(a)70% heating power and(b)100% heating power.

6 結(jié) 論

英國散裂中子源工程材料衍射譜儀Engin-X通過優(yōu)化原位加載衍射實驗樣品環(huán)境中紅外加熱型高溫爐反射罩形狀、布局、反射涂層,以及合理設(shè)置反射擋板等措施實現(xiàn)更優(yōu)的光線聚焦效果,樣品最高加熱溫度可以達到1400 ℃,制造周期短經(jīng)濟性良好且安裝調(diào)試簡便.在其他參數(shù)相同的前提下,橢圓–圓–橢圓組合反射罩相對橢圓–圓組合反射罩的光線聚焦效果略優(yōu),樣品加熱溫度約高20 ℃,但該結(jié)構(gòu)使得樣品操作空間變小,考慮更換及維護的便利性,橢圓–圓組合反射罩優(yōu)勢更明顯,下一步將完成反射罩制造并安裝于Engin-X樣品臺進行實驗驗證.該優(yōu)化設(shè)計有望拓展Engin-X中子衍射技術(shù)在材料研究領(lǐng)域的應(yīng)用,同時也為中國散裂中子源工程材料衍射譜儀樣品環(huán)境設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗.