[发明专利]一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温高低周复合疲劳领域，具体来说，是一种用于实验室内测量高温合金材料的高温高低周复合疲劳裂纹扩展特性的试验系统。可实现燃气涡轮发动机涡轮盘材料的高温复合疲劳裂纹扩展试验研究，也可扩展应用到发动机涡轮叶片的高温复合疲劳裂纹扩展试验，属于航空航天技术中的高性能燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

涡轮盘是现代航空发动机设计难度最高的部件之一。其普遍采用枞树形榫槽这一多通道传力结构来确保与叶片榫头的安全高效联接。在发动机工作时，枞树形多通道传力结构受到叶片离心力、热载荷等构成的低周疲劳载荷和由气动载荷诱发叶片横向振动及自身振动的小幅值、高频率载荷耦合作用，这种高频振动载荷与低周疲劳载荷相互叠加时造成的复合疲劳损伤会大大加速多通道传力结构的破坏，并引起其它榫齿相继断裂造成重大故障。近年来，随着航空发动机对高效率和高推重比的不断追求，尤其是涡轮盘需要承受越来越高的温度和循环载荷作用，其必然容易出现许多结构强度方面的问题。

因此，有必要在实验室内模拟涡轮盘材料的工作状态，开展高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验研究，探究高温合金材料的高温高低周复合疲劳裂纹扩展特性和失效机理，从而为发动机涡轮榫接裂纹的控制与评估体系的建立与完善提供依据。然而，如何在实验室实现高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验技术是进行涡轮榫接损伤机理研究的基础。

美国空军实验室于2000年，利用半刚性的尼龙带将叶尖与疲劳试验机的夹头进行连接，机械载荷由夹头经尼龙带传递到叶片上。同时，尼龙带降低系统刚性，使高频小位移驱动器能够施加高周载荷。然而试验中由于尼龙的熔点和强度较低，不适用于高温环境，且难以可靠传递大的机械载荷。

美国专利US 6718833B2于2004年提出了一套多轴高循环疲劳系统，该系统在施加低周载荷的同时，可以实现弯矩以及扭矩的加载，但是该系统只适用于常温环境。

发明内容

本发明提出了一种适用于高温环境下的高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，克服了背景技术中的不足，实现了在高温条件下高低周载荷互不干涉加载的问题，解决了高温下试验件考核段振动应力的准确测量，试验件的设计模拟了榫接角裂纹的扩展形式。并基于此试验系统，开展了带角裂纹的高温合金试验件高温复合疲劳裂纹扩展试验研究，获得了材料的高温复合疲劳裂纹扩展特性，为航空发动机涡轮榫接裂纹判废标准提供了依据及评判标准。

本发明的技术解决方案：一种试验件高温高低周复合疲劳裂纹扩展试验系统，包括：加载子系统、加温子系统、水冷子系统和监测子系统。加载子系统包括疲劳试验机、激振器、试验件和复合疲劳专用夹具。复合疲劳专用夹具包括：第一传力活节、第一传力销钉、第二传力活节、第二传力销钉、第三传力活节、第三传力销钉、上夹具、上夹具盖、压紧螺栓、下夹具和下夹具盖组成。疲劳机夹头与第一传力活节和下夹具分别采用螺纹连接，第一传力活节通过第一传力销钉与第二传力活节连接，第二传力活节通过第二传力销钉与第三传力活节连接，第三传力活节通过第三传力销钉与上夹具连接，将试验件分别通过四个压紧螺栓固定在上夹具和上夹具盖以及下夹具和下夹具盖之间。激振器固定在可升降的工作台上，通过转动手柄可以调节工作台的高度。激振杆两端都有螺纹，分别和上夹具上的螺纹孔以及激振器连接。在试验过程中，疲劳试验机通过专用夹具施加纵向的载荷，激振器在横向上激励上夹具，从而将振动载荷传至试验件考核段。加温子系统包括高频感应加热炉和感应加热线圈，其间通过两个铜制小夹块互相连接。感应加热线圈为自行设计加工，通过改变感应加热线圈的形状、匝数以及感应加热线圈与试验件表面的距离，同时调整高频感应加热炉的输入功率，实现试验件考核截面工作温度场的模拟；水冷子系统包括水泵和贮水箱，其间通过管道互相连接用于高温复合疲劳试验系统的冷却；贮水箱里的冷却水经过水泵增压后分为三路：第一路进入高频感应加热炉，用于冷却高频感应加热炉和感应加热线圈；第二路进入复合疲劳专用夹具的水冷孔，用于冷却专用夹具；第三路用于冷却疲劳试验机。三路冷却水完成对试验系统的冷却后回到贮水箱，构成冷却水循环；监测子系统由测振仪和长焦显微镜组成，其中测振仪用于监测激振点的振幅；长焦显微镜分辨率为0.001mm，焦距为300mm，安装在夹具前0.15m-0.35m处，用于实时监控试验过程中试验件表面裂纹扩展过程。