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方法文章

通过枪膛末端弹托加热系统开展高温常压及高压-剪切耦合平板冲击实验

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DOI：

10.3791/57232

⸱

2018年8月7日

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于开展高温逆向正向平板撞击以及压力-剪切复合平板撞击的新方法的详细实验方案。该方法采用枪膛端电阻线圈加热器，将固定在耐热弹托前端的样品加热至所需温度。

摘要

一种用于在高达1000 °C的测试温度下开展常规或组合式压力-剪切平板撞击实验的新方法被提出。该方法可实现高温条件下的平板撞击实验，旨在研究材料在极端热力耦合条件下的动态行为，同时克服了采用传统平板撞击方法进行类似实验时所面临的一系列特殊实验挑战。在凯斯西储大学的一级气炮炮尾端进行了定制化改造，包括采用SAE 4340钢精密加工制成的延伸部件，其结构经过精心设计，可与现有炮管匹配，并在孔径和键槽方面实现高公差配合。该延伸部件包含一个垂直圆柱形加热井，用于容纳加热组件。一个电阻线圈加热头（最高温度可达1200 °C）连接在具有轴向/旋转自由度的垂直杆上，可使固定在耐热弹托前端的薄金属试样在整个直径范围内均匀加热至目标测试温度。通过在炮管的炮尾端（而非靶端）加热飞板（本实验中即样品），可避免若干关键性实验难题，包括：1）由于靶 holder 组件各部分热膨胀导致加热过程中靶板对准发生严重偏移；2）因诊断元件即，聚合物全息光栅和光学探针）过于靠近加热的目标组件；3）对于带有光学窗口的目标板，样品、粘结层与窗口之间的关键公差在高温下越来越难以维持；4）在组合压缩-剪切平板冲击实验中，需要耐高温的衍射光栅以测量目标自由表面横向粒子速度；5）由于边界目标板的热软化及可能发生的屈服，对冲击速度的限制影响了自由表面速度-时间曲线的明确解析。通过采用上述改进措施，本文展示了在一系列商业纯度铝的反向几何正交平板冲击实验中获得的结果，实验覆盖了不同样品温度条件。这些实验结果显示，随着样品温度升高，冲击状态下的粒子速度降低，表明材料发生软化（屈服后流动应力下降）。

引言

在工程应用中，材料会经历各种各样的条件，这些条件可能是静态或动态的，同时伴随着从室温到接近熔点的温度范围内的大范围变形。在这些极端的热力耦合条件下，材料的行为可能发生显著变化；因此，近一个世纪以来，已开发出多种实验方法，旨在研究材料在受控加载条件下的动态响应及其他行为特征1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14。对于在低至中等应变率（10-6-100 /s）下加载的金属材料，通常采用伺服液压或精密螺杆式万能试验机来研究其在不同加载模式和变形程度下的响应行为。然而，当施加的应变率超过中等水平（即，>102/s）时，必须采用其他实验技术以探究材料的力学响应。例如，在加载速率为103/s至5 × 104/s范围内，可利用全尺寸或微型分离式霍普金森压杆装置实现此类测量8,15。

传统上，轻气炮和/或炸药驱动的平板撞击实验已被用于研究动态非弹性行为以及其他在极高应变率（105–107/s）16,17,18,19,20,21,22 或高压力与动态加载共同作用下发生的现象，例如层裂或相变。通常，平板撞击实验涉及由弹托携带的飞片，该弹托初始位于气炮的药室端，随后沿炮管长度方向运动，并在撞击室中与精心对准的静止靶板发生碰撞。撞击后，在飞片与靶板的界面处产生法向和/或复合的压力与剪切应力，这些应力以纵向和/或复合的纵向与横向应力波形式在板的各个空间维度中传播。当这些应力波到达靶板的背面时，会影响靶板自由表面的瞬时质点速度，该速度通常通过干涉测量技术进行监测。为了能够解释所测得的质点速度随时间变化的历史曲线，必须在撞击瞬间产生波阵面与撞击表面平行的平面波14,23。为确保这一点，撞击时的倾斜角必须小于约1毫弧度12,24，且撞击表面的平面度必须优于数微米5,25。

已对平板撞击实验进行改进，增加了加热元件，使得材料行为的研究能够扩展到热力学极端条件26,27,28,29。这些改进通常包括在气枪的目标端增加感应线圈或电阻加热元件；尽管这些改进已被证明在实验上是可行的，但该方法本身会带来特殊的实验挑战，需要仔细考虑。其中一些实验复杂性包括在加热目标（样品）平板时，目标夹具组件和/或对准装置中各种组分的热膨胀差异，这需要实时进行对准调整，通常需借助远程控制的对准工具并结合连续反馈，以维持样品与目标板之间关键的平行度公差。在压力-剪切平板撞击实验方案中，由于需要监测目标板自由表面的横向粒子速度，因此加热样品时必须用耐高温的金属光栅替代传统的聚合物光栅。此外，样品加热可能会限制某些实验方案中可采用的撞击速度，例如在高应变率下结合压力和剪切的平板撞击构型中，可能需要特别考虑，以避免对实验结果产生歧义解释，因为这些结果是利用前后目标板的声阻抗计算得出的，而声阻抗可能具有温度依赖性。最后，对于其他需要带有光学窗口的目标板的实验方案，在高温下维持样品、粘结层和/或涂层之间的公差将变得愈发困难19。

为了缓解上述实验挑战，我们对位于凯斯西储大学（Case Western Reserve University，CWRU）现有的单级气枪进行了定制化改进7,30,31,32。这些改进使得固定在耐热弹托前端的薄金属试样在发射前可被加热至超过1000 °C的温度，从而能够开展高温条件下的正向和/或压-剪复合平板冲击实验。与大多数传统高温平板冲击研究方法相比，该方法已被证明可有效缓解上述多项实验难题。例如，该方法已成功实现小于1毫弧度的倾斜角，而无需远程调节倾斜角度30，也无需在实验过程中额外使用光学元件来监测倾斜变化。其次，由于靶板保持在环境温度下，该方法无需使用特殊的耐高温全息光栅来测量斜向冲击实验中的横向粒子速度；此外，可使用更高的冲击速度而无需担心靶板发生屈服，从而降低了实验结果解释的复杂性。此外，该方法还可用于开展高温反向构型的正向平板冲击实验，以获得特定样品材料的Us-Up关系。这些关系可通过阻抗匹配技术获得，或进一步通过分析样品背面释放波稀疏区的信息来确定，该稀疏区携带了样品在卸载过程中冲击速度变化的相关信息33,34。在高温压-剪复合平板冲击构型中，该方法能够研究薄膜材料在宽温度范围和大塑性变形范围内的动态非弹性行为，应变率可达107/s，具体数值取决于薄试样的厚度16,27,29。

我们将介绍上述典型的高温平板撞击实验所需的操作步骤。随后将介绍使用本技术获得的代表性结果。最后，在得出结论之前，将对结果进行讨论。

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方案

1. 样品与靶材的制备

注意：在以下实验方案中，我们将详细说明进行反向几何正板冲击实验所需样品和靶材的制备步骤。在此装置中，飞片（同时也是样品）被固定在弹托前端，通过单级气体炮发射，并撞击位于气体炮靶室内的静止靶板。下文所述典型的飞片与靶板组件结构如图1所示。

  1. 将纯度为99.999%的商用多晶铝棒切割成圆盘，后续将用作飞片（样品）。
    注意：可使用低速锯进行切割，以防止工件产生高温和残余应力。
  2. 在车床上对样品圆盘进行端面加工和外圆车削，使其直径为76 mm，厚度为5.6 mm。
  3. 在样品圆盘上，沿直径为62 mm的螺栓圆周均匀钻三个直径为5 mm的孔，后续用于将样品固定在弹托上。
  4. 对样品板的两面进行研磨，以实现在整个样品直径范围内平面度和平行度公差接近10 µm。
    1. 使用商用研磨机和相对较粗的磨料颗粒（10 - 20 µm）对样品板表面进行粗研磨。
      注意：此步骤中可施加配重，直至研磨表面呈现均匀的暗灰色，表明圆盘直径范围内表面均匀。
    2. 使用乙醇仔细清洗研磨后的样品，以去除任何残留颗粒和矿物油。然后，在抛光布上使用1 µm金刚石抛光膏对样品板的两个表面进行抛光。
    3. 在单色绿光光源下，通过与待测表面接触的光学平晶观察光带，检查样品的平面度16。
      注意：可通过观察样品表面光带的曲率，或统计样品直径方向上的光带数量（如图2所示）来量化平面度。
      1. 若在样品直径方向上观察到3条或更少的光带，表明平面度约为2 µm，可进入下一步。否则，重复步骤1.4.1 - 1.4.3，直至达到3条或更少的光带。
  5. 重复步骤1.1 - 1.3，制备靶板。将一种沉淀硬化型（高强度）合金棒材（材料表）切割成圆盘，然后加工至直径25 mm、厚度7 mm。最后，将两面研磨至平面度约10 µm。
    1. 在研磨机上使用矿物油混合15 µm氧化铝粉末对靶板两面进行研磨，直至表面呈现均匀的暗灰色。
      注意：可使用等效粒径的金刚石研磨液以实现更快的材料去除速率和更好的表面反射率。此外，可施加配重。
    2. 重复步骤1.4.2。
    3. 通过重复步骤1.4.3检查靶板的平面度。若观察到1条或更少的光带，则进入下一步。否则，重复步骤1.4.1 - 1.4.3，直至达到1条或更少的光带。若需要全息光栅，则进入步骤1.5.4，否则跳至步骤1.6。
  6. 采用与步骤1.1 - 1.3类似的工艺制备铝环。
    1. 将外径为41 mm、内径为32 mm的铝管切割成环状，然后对端面进行加工，使其厚度为7 mm。
    2. 在直径为34.5 mm的螺栓圆周上均匀钻六个直径为3 mm的槽孔。这些槽孔后续将用于安装六个带电压偏置的铜针，以便在撞击时进行倾斜角度测量。
    3. 按照步骤1.4中所述的工艺，对铝环的两个表面进行研磨、研磨、清洗和抛光。
  7. 如图3所示，在一个平坦的固定装置上，使用双组分环氧树脂混合物将平整的靶板粘接到铝环上。在室温下静置过夜，使环氧树脂完全固化。
    注意：通过三个螺钉将两部分固定在一块平坦的钢制基板上，螺钉用手轻轻拧紧，使靶板和铝环受到适当压力，防止环氧树脂向外泄漏。
    1. 使用丙酮清除径向槽孔或板表面残留的粘合剂。
    2. 将靶板/铝环组件插入POM环中。
      注意：POM圆盘后续将安装在具有旋转自由度的靶板支架上，以便在枪管内对测试材料进行对准。
    3. 在POM环的内台阶上标记六个径向槽孔的位置，并在标记位置钻通六个贯穿厚度的孔。
    4. 从一卷长约~50 mm的15 AWG漆包铜线中截取6根铜针，并去除其中两根的漆包绝缘层。将铜针以对称方式压入槽孔：两个接地针置于圆周相对位置。将铜针推入槽孔，使其从铝环表面向外突出约2 mm。
      注意：这些铜针用于测量倾斜角度并提供触发信号。
    5. 使用快干型环氧树脂将铜针的弯曲端部粘接到POM环的背面。
    6. 使用低粘度双组分环氧树脂混合物密封铝环与POM环内壁之间的间隙。在室温下静置过夜，使环氧树脂完全固化。
  8. 去除从铝环表面突出的多余2 mm铜针部分。首先使用旋转工具切除多余部分，然后用湿的300目砂纸打磨剩余部分，直至铜针几乎与铝环表面齐平。
    1. 重复步骤1.4.1-1.4.3，对整个组件进行研磨、清洗和抛光。确保整个研磨后的组件平面度在2 - 3条光带以内。
    2. 在POM环背面将六根铜针的末端进行焊接，并使用四根直径为6.35 mm的POM销钉将POM环安装到靶板支架上。

2. 组装定制耐高温弹托

  1. 准备耐热弹托的组装部件，如图4所示。
  2. 在铝制端盖的底端安装一个吊环螺栓，并将密封O型圈和聚四氟乙烯（PTFE）键固定在端盖的凹槽内。
    注意：该键和O型圈用于防止弹托在沿枪管运动过程中发生倾斜和旋转。
    1. 将热电偶导线从端盖底部的孔中穿过，并将热电偶导线接入连接器中。
  3. 使用双组分快固环氧树脂，将端盖粘接到铝管后端，并将完全烧结的氧化铝硅酸盐熔岩石管粘接到铝管前端。
  4. 将热电偶探头从直径为76.2 mm的H13工具钢合金样品 holder 的孔中穿过。
  5. 使用高温水泥或性能相当的高温胶粘剂，将H13样品 holder 粘接到熔岩石管的前端。
  6. 在H13 holder 内部直径为19 mm的同心通孔上方放置的直径25 mm、厚度3 mm的熔岩盘周围涂覆高温水泥。在室温下静置过夜使其完全干燥。
  7. 使用三个氧化铝螺钉将样品固定在H13样品 holder 上，并按照1.4.3节所述方法确保样品的平面度不发生变化。

3. 气枪内测试材料的组装

  1. 使用异丙醇清洁样品和靶材的前表面，然后用胶带将第一表面反射镜固定在各自的表面上。
  2. 将一个三轴移动平台拧紧固定在冲击腔内枪管上方的伸出杆上，并将承载精密光学棱镜的棱镜支架安装到该平台上。
  3. 将绳索穿过枪管，并通过铝制端盖上的吊环螺栓将绳索连接到弹托上。
  4. 将弹托放入枪管中，使样品朝向冲击腔，同时将靶材支架组件放入靶腔中，使其面向样品。
  5. 通过调节四个POM定位销来调整靶材的位置，直到靶材上的第一表面反射镜与样品上的第一表面反射镜对齐。
    1. 使用漫射灯泡和反射镜进行样品与靶材板之间平行度的粗略对准。调节平台，直到从对准棱镜的所有表面均能看到灯泡的单一连续反射像。
  6. 使用自准直仪24实现精细对准。
    1. 调节平台，使来自棱镜后表面的十字反射像与来自样品第一表面反射镜的反射像对齐。
    2. 通过旋转靶材支架上的定位螺钉来调节靶材组件，使来自棱镜后表面的十字反射像与来自靶材第一表面反射镜的反射像对齐。
  7. 从样品和靶材上移除第一表面反射镜。同时从冲击腔中移除反射镜、棱镜、棱镜支架以及调节平台。
  8. 利用绳索将弹托拉至气枪的后膛端，然后将绳索从端盖上取下。
  9. 在弹托与加热头之间保留约2.5 mm的距离，并相应调整用于防止弹托向后膛方向移动的螺钉长度。
  10. 将热电偶连接至温度诊断监测仪。
    注：热电偶导线在温度监测仪端已通过真空管和馈通装置引入枪管内部。

4. 激光诊断系统的布置与校准

  1. 在聚焦探头支架背面的孔中安装两个带螺纹的锚固件。通过锚固件拧紧两颗螺钉，直至接触POM，以便能够调节入射光束的角度。
    1. 在聚焦探头支架底部钻一个贯穿孔，并将其固定在一个带螺纹的圆柱形磁铁上。
    2. 将一根光纤聚焦探头穿过铝管，并在探头头部及铝管末端周围涂抹快干环氧树脂，将探头粘接固定在铝管上。尽可能将探头头部推入管内，但需确保探头透镜远离环氧树脂。等待快干环氧树脂完全固化。
    3. 将光纤聚焦器连接至全光纤NDI/TDI干涉仪31，并将聚焦组件放置在靶材支架上，对准靶材的背表面。
  2. 开启激光器（本实验中为2 W的铒光纤耦合激光器），调节输出功率至0.2–0.4 W。随后，通过聚焦组件上的螺钉调节聚焦探头的位置，直至实现良好的光耦合，并使获取的信号达到最优。
  3. 调节可变分光比耦合器，使参考光与多普勒频移光的强度匹配，直至示波器上显示的信号达到最佳状态。
    注意：如需进行横向运动诊断，请参见步骤4.5–4.6。
  4. 在POM聚焦支架背面的孔中安装两个带螺纹的锚固件，然后通过锚固件拧紧两颗螺钉，直至螺钉接触POM。
    1. 在聚焦探头支架底部钻一个贯穿孔，并将其固定在一个带螺纹的圆柱形磁铁上。
    2. 将一根光纤准直探头穿过铝管，并在探头头部及铝管末端周围涂抹快干环氧树脂，将探头粘接固定在铝管上。尽可能将探头头部推入管内，但需确保探头透镜远离环氧树脂。等待快干环氧树脂完全固化。
    3. 重复步骤4.4中的上述操作，制备两个组件并放入冲击腔中。
  5. 利用磁铁及POM支架上的两颗螺钉，调节接收端光纤准直器的位置和角度，直至功率监测器测得的一阶衍射光束强度达到最优。
  6. 断开功率监测器的连接，将两个接收准直器连接至全光纤TDI干涉仪31。

5. 高温逆向几何正/压力剪切平板冲击实验的实施

  1. 通过拧紧冲击室入口处的四个夹具固定主法兰，然后使用螺栓将聚酯薄膜固定在次级法兰上，关闭冲击室。
  2. 将密封压力升高至约 207 kPa，然后通过拧紧法兰上的螺钉关闭枪膛端的气体枪。
  3. 启动枪膛端真空泵，随后启动靶室端真空泵。
  4. 确保由于弹托前后压力差未导致弹托向腔体方向移动。等待直至腔体内被抽真空至压力低于 100 mTorr。
  5. 开启基于激光振幅的弹托撞击速度测量系统。
  6. 将加热器向下移动至标记位置并开启加热器。以 100 °C 为增量逐步升高加热器温度，直至达到所需样品温度。
  7. 将发射泄放室加压至约 1103 kPa，加载室则根据所选撞击速度加压至相应水平。同时，将弹托捕集器固定到冲击室上。
  8. 关闭加热器，并立即将加热器向上移回加热井位置。记录由弹托热电偶在样品表面测得的温度诊断显示器上的温度读数。
  9. 一旦密封压力降至零，立即打开密封阀并释放发射泄放室。

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结果

在凯斯西储大学（CWRU），使用了一台孔径为82.5 mm、长度为6 m的单级气体炮，该气体炮能够将质量为0.8 kg的弹丸加速至最高700 m/s的速度，用于开展本实验。图5展示了CWRU改造后的气体炮装置的照片。发射前，定制设计的弹托置于加热器延伸段内，如图6所示。该延伸段设有垂直加热井，使电阻线圈加热器可沿弹托运动路径自由进出。该加热线圈可在真空条件下通过自由辐射将固定在弹托前端的飞片加热至所需的测试温度。该弹托经过专门设计，可在承载加热飞片的同时，最大限度减少热量从飞片向弹托本体的传导，从而降低因弹托本体热膨胀可能导致的卡滞风险。图7以示意图形式展示了该定制弹托的设计。该设计的关键部件是陶瓷绝缘管，由完全烧结的硅酸铝制成，因其具有较低的热导率、低热膨胀系数以及相较于其他商用可加工陶瓷更优异的耐久性而被选用。当达到所需测试温度后，加热头手动移出弹丸运动路径，并收纳于加热井内。在气体炮发射前...

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讨论

上述方法与方案详细说明了在高温条件下正确执行反向几何结构常规平板撞击实验的步骤。在本方法中，我们对凯斯西储大学现有气枪的高压（后膛）端枪管进行了定制化改造，以容纳一个具有轴向和旋转自由度的电阻加热线圈。该电阻加热线圈系统可在发射前将固定在耐热弹托前端的薄铝试样加热至接近熔点的温度（超过 640 °C）。通过结合使用加热器外壳适配装置与耐热弹托，可在无需采用常规方法中典型所需的特殊实验考虑的情况下，开展高温平板撞击实验，例如在加热过程中为保持靶板与飞板平行而需进行的带实时反馈的远程倾斜调节。总体而言，与常规方法相比，新方法显著减少了实验方案中的步骤数量。

在实验方案部分，我们详细描述了以下步骤：1）样品和靶材的制备，其中飞片和靶板需经过精密加工、研磨和抛光，以满足平面波生成所需的平行度和平整度公差，确保波前与冲击面具有足够的平行性；2）组装定制的耐高温弹托，该弹托能够固定加热后的样品板，同时减少热量向弹托本体及枪管的传导。此外，弹托配备一个键结构，可与枪管内现有的键槽配合，防止弹托组件在沿枪管运动过程中发生旋转。最后，在步骤3至5中，我们详细说明了实验前样品板与靶板的对准、飞片（样品...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢美国能源部通过科学管理学术联盟（Stewardship Science Academic Alliance）DOE/NNSA项目（项目编号：DE-NA0001989 和 DE-NA0002919）为本研究提供的经费支持。最后，作者感谢洛斯阿拉莫斯国家实验室在当前及未来研究工作中开展合作并给予支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
99.999% 商业纯度多晶铝GoodfellowAL007970飞片（样品）材料
H13 工具钢凯斯西储大学制造中心N/A样品 holder 的材料
溶液处理 &及年龄对Inconel 718合金的影响高温金属N/A(1.005/1.015)" 直径 × 24"靶板材料
光刻胶 S1805MicroChemN/A全息光栅用光刻胶材料
开发者 CD-26MicroChemN/A用于全息光栅光刻胶的显影剂
铝6063管McMaster-Carr4568T19目标组件中环形材料
黑色Delrin®缩醛树脂棒（4-1/2" 直径）McMaster-Carr8576K81靶组件中Delrin支架的材料
白色 Delrin® 聚甲醛树脂棒（1/4" 直径McMaster-Carr8572K51靶组件中Delrin销钉的材料
铝6061管McMaster-Carr9056K24抛射体组件主体材料
铝合金6061棒材McMaster-Carr8974K88弹丸组件中帽盖的材料
聚四氟乙烯板McMaster-Carr8711K98关键材料
LAVA-FF - 氧化铝硅酸盐圆盘技术产品CWR-033116-1
LAVA-FF - 硅酸铝管技术产品ALR11515
氧化铝盘头槽形螺栓CeramcoA83200PANSLT0.500
409 N70 Buna-N O型圈O形圈商店B70409
Loctite Hysol 9412 胶粘剂Loctite83107
高温水泥OMEGA EngineeringOB-300
超快固化环氧树脂埃尔斯沃思4001
聚酯薄膜片McMaster-Carr8567K94

参考文献

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