[發明專利]一種陶瓷基復合材料榫接結構拉-拉疲勞試驗夾具及試驗方法

在審

• 申請號: 202211078122.3
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115436161A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 胡殿印;劉昱;劉茜;馬鵬輝;王榮橋
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/04
• 分類號: G01N3/04;G01N3/02;G01N3/18
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平;鄧治平

本發明涉及一種陶瓷基復合材料榫接結構拉?拉疲勞試驗夾具及試驗方法，可滿足陶瓷基復合材料渦輪葉片榫接結構高溫/常溫條件下的靜強度以及各種疲勞試驗的加載需求。本套夾具上下段均采用圓棒形夾具與疲勞試驗機連接，上下圓棒均通過螺紋連接其他零件。上側零件包括上側圓棒、U型板、銷釘、夾板、夾板螺栓、墊片；下側部件由橫向夾片、縱向夾片、過渡段和下側圓棒組成；本套夾具能夠靈活適應不同尺寸的陶瓷基復合材料榫頭試件，同時避免了燕尾形、銷釘或螺紋夾持造成的夾持段斷裂導致試驗失敗的問題，能夠用于復合材料榫接部位室溫至1100℃、0N至100kN拉伸載荷試驗條件，特別是對溫度場均勻性要求較高的疲勞或靜強度試驗。

技術領域

本發明屬于陶瓷基復合材料榫接結構試驗力學性能評估領域，具體涉及一種陶瓷基復合材料榫接結構拉-拉疲勞試驗夾具及試驗方法。

背景技術

陶瓷基復合材料由于低密度和耐高溫性能而被認為是下一代航空燃氣渦輪發動機渦輪葉片的潛在材料選擇。而熱端部件的葉盤連接部位處于高溫、高壓和高轉速的工作環境中，同時又疊加了陶瓷基復合材料/高溫合金接觸和磨損等因素，使得葉盤連接的榫接部位服役環境十分惡劣，極易引發疲勞失效。因此，在陶瓷基復合材料應用于工程實際之前，需在實驗室環境中針對榫接結構開展大量真實載荷條件下的模擬試驗，探究其強度和疲勞性能，并發展可靠的力學性能評估方法，為新一代航空發動機性能的提升奠定基礎。

在傳統的金屬高溫力學性能試驗中，多采用銷釘、燕尾槽或螺紋等夾持方式。但是針對陶瓷基復合材料這類脆性的各向異性材料，銷釘夾持需要在試件的夾持段開銷釘孔，而開孔會打斷纖維造成損傷；燕尾形夾持會使得試件夾持段出現纖維偏折和基體富集區；而采用陶瓷基復合材料加工螺紋目前工藝上尚存在一定問題。因此，現有的夾具難以應用于陶瓷基復合材料的高溫力學試驗中。另一方面，探究性試驗需要改變榫頭的結構尺寸，這對夾具的通用性也提出了要求；大載荷條件下，榫槽的過度變形會使得榫頭試件會出現拉脫，導致試驗失敗、因此，為保證試驗的順利進行、避免以上問題的出現，目前急需一種陶瓷基復合材料榫接結構拉-拉疲勞試驗的夾具，既能保證試件夾持部位的穩固性，同時能夠針對不同尺寸的榫頭提升夾具的通用性。

針對陶瓷基復合材料榫接結構試驗存在以下顯著問題：(1)如何確保不能打孔、不能截面突變、無法加工螺紋的復合材料試件夾持的穩固性。(2)如何針對不同尺寸的榫頭試件提升夾具的通用性。(3)如何保證大載荷條件下榫頭試件不出現拉脫的情況。在查閱了已有專利和文獻后，并未發現可以能夠解決上述三個核心問題的試驗夾具設計及試驗方法。因此，有必要發展一種陶瓷基復合材料榫接結構拉-拉疲勞試驗夾具設計及試驗方法，以解決上述問題。

中國發明專利CN201810570207.0公開了一種陶瓷基復合材料榫連結構高溫強度測試試驗裝置，這種方法也采用了螺栓壓緊、通過摩擦夾持的方法，但是夾具弧面較多，加工難度大、成本高，同時針對不同尺寸的榫頭試件需要更換整套夾具，進一步抬升了試驗成本。

中國發明專利CN202010271891.X公開了一種復合材料拉伸強度測試的夾具，這種方法通過銷釘孔的方式進行夾持，但是在復合材料夾持段打孔會使得夾持段纖維斷裂承載能力降低，在試驗過程中極易出現試件斷在夾持段導致試驗失敗的問題。

現有文獻“康永強,陳勇.鋪層復合材料風扇葉片榫頭層間應力分析[J].航空動力學報,2020,35(02):388-396.”展示了一種鋪層復合材料風扇葉片榫頭試驗的試驗裝置，同樣具有榫頭夾持段打孔的問題。該文獻采用加大榫槽的方式來防止榫頭拉脫的出現，但是由于榫槽過大超出了高溫爐的尺寸，因此不適用于高溫力學試驗。