一种磁场环境原位拉曼微动磨损实验方法及其装置

本发明涉及一种磁场环境原位拉曼微动磨损实验方法及其装置，属于微动磨损。

背景技术：

1、随着轨道交通、航空航天、电磁弹射等国家重大工程的快速发展，磁浮列车悬浮架、电磁制动器、磁驱轴承等高端装备中的关键摩擦副长期服役于复杂磁场环境。然而，不同磁场特性对材料服役行为的影响机制尚不清晰，磁场对摩擦氧化反应动力学过程及磨屑生成与迁移规律的影响亦缺乏系统性研究。

2、在现有研究中，关于磁场环境对摩擦氧化行为影响的报道存在诸多争议。这一分歧主要源于摩擦试验结束后试样转移过程中的表面氧化，该过程诱发的物相变化直接造成了分析结果与真实服役状态的偏离。因此，亟需一种能够在试验后原位获取磨痕物相/化学状态信息的手段。

3、综上所述，本领域亟需一种能够在摩擦试验过程中实现磁场方向与强度可控调节，并在试验完成后无需暴露大气即可原位获取磨痕物相及化学状态信息的技术手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种磁场环境原位拉曼微动磨损实验方法及其装置。

2、本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种磁场环境原位拉曼微动磨损实验装置，包括机架底板、真空腔、竖直传动机构、动力加载单元、龙门架、真空系统、电机模组、直线传动机构、试样板、上夹具、下夹具；

3、所述真空腔、龙门架、真空系统、电机模组均安装在机架底板上，并且真空腔位于龙门架的正下方；所述真空腔侧面设有真空法兰、侧面法兰、供气系统，顶部设有顶部法兰；所述上夹具、试样板均设置在真空腔内，所述试样板上设有位于上夹具下方的下夹具；

4、所述电机模组上设有波纹管，其输出轴通过穿过波纹管的直线传动机构与试样板连接，电机模组带动试样板做水平直线运动；所述波纹管与侧面法兰连接；

5、所述真空系统通过真空管与真空法兰连接；

6、所述动力加载单元、竖直传动机构均安装在龙门架上，其动力加载单元的输出端与竖直传动机构连接，所述竖直传动机构上设有竖直波纹管，其竖直传动机构通过竖直波纹管连接至真空腔的内部，并与上夹具连接；

7、所述真空腔内设有三维磁场发生模块，所述三维磁场发生模块用于为摩擦磨损试验区域提供可调控、高强度的复合磁场环境，实现磁场与微动磨损工况的耦合试验。

8、进一步的技术方案是，所述竖直传动机构包括电缸承力杆、拉压力传感器、摩擦力传感器安装板；所述电缸承力杆与动力加载单元连接，其两侧均设有龙门架滑轨连接杆，所述龙门架滑轨连接杆上设有竖直的第一限位直线导轨；所述龙门架上设有两个与第一限位直线导轨匹配的第一限位滑块，所述拉压力传感器安装在电缸承力杆的底部，所述竖直波纹管安装在拉压力传感器上；其拉压力传感器底部设有穿过竖直波纹管的法兰传动杆，法兰传动杆的底部延伸真空腔内部并与摩擦力传感器安装板连接；所述摩擦力传感器安装板底部设有第三限位直线导轨，所述第三限位直线导轨内设有第三限位滑块，所述上夹具固定在滑块底部。

9、进一步的技术方案是，所述摩擦力传感器安装板上设有摩擦力传感器，所述摩擦力传感器用于采集上夹具装夹的试样受到的摩擦力。

10、进一步的技术方案是，所述竖直传动机构包括两个第二限位直线导轨；所述摩擦力传感器安装板两侧均设有第二限位滑块，两个第二限位滑块分别滑动安装在两个第二限位直线导轨内，所述第二限位直线导轨上设有真空腔连接板，所述真空腔连接板连接在真空腔顶部内壁上。

11、进一步的技术方案是，所述电缸承力杆内设有两个弹簧片，两个弹簧片之间设有承力块，所述拉压力传感器连接在弹簧片上。

12、进一步的技术方案是，所述真空腔底部设有水平直线滑轨，所述试样板底部设有滑动安装在水平直线滑轨内的滑块。

13、进一步的技术方案是，所述真空腔顶部设有两个cf法兰航空插头和一个真空直线导入器，所述真空直线导入器内设有拉曼光纤探头，所述拉曼光纤探头用于观察真空腔内试验后的试样，实现微动磨损试验全过程的原位、无扰动微观表征。

14、进一步的技术方案是，所述三维磁场发生模块包括z轴磁场发生模块、xy轴磁场发生模块，所述z轴磁场发生模块包括z轴上线圈、z轴下线圈，所述摩擦力传感器安装板、试样板上均设有硅钢，所述z轴上线圈、z轴下线圈分别缠绕在摩擦力传感器安装板、试样板上的硅钢上；

15、所述xy轴磁场发生模块包括y轴左线圈、y轴右线圈、x轴左线圈、x轴右线圈；所述真空腔内设有线圈固定架，所述y轴左线圈、y轴右线圈、x轴左线圈、x轴右线圈均安装在线圈固定架内。

16、进一步的技术方案是，所述电机模组上设有光栅位移传感器。

17、进一步的技术方案是，该装置还包括控制器、上位机，所述控制器分别与拉压力传感器、动力加载单元、真空系统、电机模组、摩擦力传感器、光栅位移传感器电性连接，所述上位机与控制器电性连接。

18、一种磁场环境原位拉曼微动磨损实验方法，具体包括以下步骤：

19、步骤一：试样安装与初始对准；

20、打开真空腔，将球状上试样和块状下试样分别安装至上夹具、下夹具，通过位置调节机构调整上、下试样的相对位置，使球体与平面中心接触；

21、步骤二：磁场设置；

22、根据试验方案所需的磁场矢量，计算两对线圈所需的电流参数和上/下夹具线圈的电流参数，启动三维磁场发生模块，在接触界面形成目标磁场环境；

23、步骤三：气氛环境控制；

24、关闭真空腔，启动真空系统抽至预设真空度，然后通入目标气氛，并维持腔体内气压和氧分压的稳定；

25、步骤四：微动磨损试验；

26、启动动力加载单元施加法向载荷，启动电机模组使下试样沿水平方向进行往复微动，同时实时监测试验过程中的力学参数；

27、步骤五：原位表征；

28、磨损形貌观察：启动电机模组使下试样向表征区域移动，通过光学显微镜获取磨斑形貌图像，评估微动运行区域、磨斑尺寸、磨痕形貌和磨屑分布特征；

29、拉曼光谱采集：将拉曼激发光聚焦至磨痕区域，采集拉曼光谱，识别磨痕表面的氧化产物、摩擦化学反应产物及可能的相变产物，同时可进行拉曼面扫描，获取磨痕区域物相的空间分布信息；

30、步骤六：关联分析；

31、将获取的力学参数、磨痕形貌特征与拉曼光谱信息进行综合分析，建立磁场参数→磨损行为→氧化/物相机理的完整映射关系。

32、本发明具有以下有益效果：

33、1、磁场调控维度提升：基于三对正交线圈的矢量合成原理，可模拟实际工程中摩擦副受到的三维复杂磁场环境，更贴近真实工况。

34、2、表征信息维度丰富：本发明实现了形貌与物相信息的同步获取。

35、3、避免转移过程中的表面氧化：原位表征方式避免了试样从试验机转移至分析仪器过程中表面状态被大气污染或继续氧化的风险。

36、4、表征效率与灵活性：拉曼光谱测试时间通常仅需数秒至数分钟，远快于xps的测试周期，且可对同一样品多次、多点测试，实现面分布分析。

37、5、多场耦合模拟能力：集成三维磁场、可控气氛、微动磨损于单一平台，可系统研究磁场方向/强度、氧分压、载荷、位移幅值等多因素对摩擦氧化行为的影响规律和耦合机制。