[發明專利]一種試驗件高溫高低周復合疲勞裂紋擴展試驗系統及測量方法

在審

• 申請號: 201410853812.0
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104535438A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 胡殿印;魏佳明;王榮橋;樊江;解舒
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及高溫高低周復合疲勞領域，具體來說，是一種用于實驗室內測量高溫合金材料的高溫高低周復合疲勞裂紋擴展特性的試驗系統。可實現燃氣渦輪發動機渦輪盤材料的高溫復合疲勞裂紋擴展試驗研究，也可擴展應用到發動機渦輪葉片的高溫復合疲勞裂紋擴展試驗，屬于航空航天技術中的高性能燃氣渦輪發動機技術領域。

背景技術

渦輪盤是現代航空發動機設計難度最高的部件之一。其普遍采用樅樹形榫槽這一多通道傳力結構來確保與葉片榫頭的安全高效聯接。在發動機工作時，樅樹形多通道傳力結構受到葉片離心力、熱載荷等構成的低周疲勞載荷和由氣動載荷誘發葉片橫向振動及自身振動的小幅值、高頻率載荷耦合作用，這種高頻振動載荷與低周疲勞載荷相互疊加時造成的復合疲勞損傷會大大加速多通道傳力結構的破壞，并引起其它榫齒相繼斷裂造成重大故障。近年來，隨著航空發動機對高效率和高推重比的不斷追求，尤其是渦輪盤需要承受越來越高的溫度和循環載荷作用，其必然容易出現許多結構強度方面的問題。

因此，有必要在實驗室內模擬渦輪盤材料的工作狀態，開展高溫高低周復合疲勞裂紋擴展試驗研究，探究高溫合金材料的高溫高低周復合疲勞裂紋擴展特性和失效機理，從而為發動機渦輪榫接裂紋的控制與評估體系的建立與完善提供依據。然而，如何在實驗室實現高溫高低周復合疲勞裂紋擴展試驗技術是進行渦輪榫接損傷機理研究的基礎。

美國空軍實驗室于2000年，利用半剛性的尼龍帶將葉尖與疲勞試驗機的夾頭進行連接，機械載荷由夾頭經尼龍帶傳遞到葉片上。同時，尼龍帶降低系統剛性，使高頻小位移驅動器能夠施加高周載荷。然而試驗中由于尼龍的熔點和強度較低，不適用于高溫環境，且難以可靠傳遞大的機械載荷。

美國專利US?6718833B2于2004年提出了一套多軸高循環疲勞系統，該系統在施加低周載荷的同時，可以實現彎矩以及扭矩的加載，但是該系統只適用于常溫環境。

發明內容

本發明提出了一種適用于高溫環境下的高低周復合疲勞裂紋擴展試驗系統，克服了背景技術中的不足，實現了在高溫條件下高低周載荷互不干涉加載的問題，解決了高溫下試驗件考核段振動應力的準確測量，試驗件的設計模擬了榫接角裂紋的擴展形式。并基于此試驗系統，開展了帶角裂紋的高溫合金試驗件高溫復合疲勞裂紋擴展試驗研究，獲得了材料的高溫復合疲勞裂紋擴展特性，為航空發動機渦輪榫接裂紋判廢標準提供了依據及評判標準。

本發明的技術解決方案：一種試驗件高溫高低周復合疲勞裂紋擴展試驗系統，包括：加載子系統、加溫子系統、水冷子系統和監測子系統。加載子系統包括疲勞試驗機、激振器、試驗件和復合疲勞專用夾具。復合疲勞專用夾具包括：第一傳力活節、第一傳力銷釘、第二傳力活節、第二傳力銷釘、第三傳力活節、第三傳力銷釘、上夾具、上夾具蓋、壓緊螺栓、下夾具和下夾具蓋組成。疲勞機夾頭與第一傳力活節和下夾具分別采用螺紋連接，第一傳力活節通過第一傳力銷釘與第二傳力活節連接，第二傳力活節通過第二傳力銷釘與第三傳力活節連接，第三傳力活節通過第三傳力銷釘與上夾具連接，將試驗件分別通過四個壓緊螺栓固定在上夾具和上夾具蓋以及下夾具和下夾具蓋之間。激振器固定在可升降的工作臺上，通過轉動手柄可以調節工作臺的高度。激振桿兩端都有螺紋，分別和上夾具上的螺紋孔以及激振器連接。在試驗過程中，疲勞試驗機通過專用夾具施加縱向的載荷，激振器在橫向上激勵上夾具，從而將振動載荷傳至試驗件考核段。加溫子系統包括高頻感應加熱爐和感應加熱線圈，其間通過兩個銅制小夾塊互相連接。感應加熱線圈為自行設計加工，通過改變感應加熱線圈的形狀、匝數以及感應加熱線圈與試驗件表面的距離，同時調整高頻感應加熱爐的輸入功率，實現試驗件考核截面工作溫度場的模擬；水冷子系統包括水泵和貯水箱，其間通過管道互相連接用于高溫復合疲勞試驗系統的冷卻；貯水箱里的冷卻水經過水泵增壓后分為三路：第一路進入高頻感應加熱爐，用于冷卻高頻感應加熱爐和感應加熱線圈；第二路進入復合疲勞專用夾具的水冷孔，用于冷卻專用夾具；第三路用于冷卻疲勞試驗機。三路冷卻水完成對試驗系統的冷卻后回到貯水箱，構成冷卻水循環；監測子系統由測振儀和長焦顯微鏡組成，其中測振儀用于監測激振點的振幅；長焦顯微鏡分辨率為0.001mm，焦距為300mm，安裝在夾具前0.15m-0.35m處，用于實時監控試驗過程中試驗件表面裂紋擴展過程。