[发明专利]一种材料表面变形与内部缺陷的协同表征检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种材料表面变形与内部缺陷的协同表征检测系统及方法，所述检测方法是将表面制作有高温散斑图案的试件加热至设定温度后，对试件进行疲劳加载，并用3D DIC系统按设定的频率采集试件表面图像，在加载至设定的疲劳周次后，暂停疲劳加载和图像采集，再用X射线CT设备对做360°旋转的试件进行CT扫描，直至试件疲劳断裂；由计算机对疲劳加载过程中采集的图像数据进行DIC分析得到试件的表面变形结果,同时根据CT扫描数据得到试件的内部全场缺陷图。本发明可实现1000℃以内材料表面3D变形场和内部缺陷形状、尺寸、分布的原位测量和协同表征检测。

技术领域

本发明属于实验固体力学领域，特别涉及一种材料表面变形与内部缺陷的协同表征检测系统及方法。

背景技术

航空发动机被誉为现代工业皇冠上的明珠，其核心热端部件长期服役于高温、热冲击、疲劳过载等极端环境，多由耐高温、抗腐蚀、抗氧化的高性能合金加工而成。随着飞行器性能需求的不断提高，对航空发动机结构和工艺方面的要求日益严苛，迫切需要研发更强、更轻、更耐用的零部件。激光增材制造技术是一种集激光、数字化、材料等学科为一体的新型制造技术，它不受限于零件形状与内部结构,能加工形状、结构复杂的零件，且具有高材料利用率、多种类、快速响应制造等优势，为航空发动机零部件的设计制造提供了无限可能。然而增材制造零部件内部缺陷无法完全消除，且具有全域分布、形态多样和尺寸跨度大等特点。缺陷作为典型的应力/应变集中源，可诱导疲劳裂纹的萌生和扩展、甚至引发结构断裂失效，是影响激光增材制造零部件服役性能和可靠性的重要因素。为了保证激光增材制造零部件在航空发动机中服役的安全性和可靠性，基于先进实验测试方法和技术开展高温疲劳力学行为研究，摸清其高温疲劳断裂力学行为和机理是重要途径。然而传统位移引伸计和应变片等接触式、非全场测量方法，在疲劳测试中存在较大局限性，特别是极端环境下的疲劳测试：一方面，试样表层的失效易导致表面应变片的迅速失效，难以采集更多的应变数据，引伸计则有破坏的风险，同时夹持对试样本身的影响也需要被考虑；另一方面，高温引伸计/应变片价格昂贵，长时高温疲劳下易出现数据漂移和损坏现象，且难以表征材料的非均匀变形行为。因此，亟需发展有效的实验测量系统和测量方法。数字图像相关方法（Digital Image correlation，DIC）因具有全场、非接触，且可适用于高温、多尺度测试等优点，在研究材料的高温疲劳行为中展现了较大的优势和应用潜力。此外，新兴的先进X射线计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）技术可以实现对材料内部缺陷演化规律的原位表征，从而揭示服役损伤机制。将这两种技术结合，可实现高温疲劳过程中材料表面变形和内部缺陷的可视化协同测量和定量表征，为损伤容限设计、疲劳寿命预测等提供新手段和实验支撑。但是相关的集成设计也面临诸多困难和挑战，如双相机3D DIC系统难以和高温炉狭小的观察窗匹配、多相机需要复杂的同步触发装置、X射线透射窗口对DIC子系统的光路产生遮挡、加热子系统影响X射线的透射等。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明基于商用X射线CT设备和已有单镜头3D DIC系统，提出了一种高温疲劳环境下材料表面变形与内部缺陷的协同表征检测系统及方法，可实现1000℃以内材料表面3D变形场和内部缺陷形状、尺寸、分布的原位测量和协同表征检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的材料表面变形与内部缺陷的协同表征检测系统，包括设有检测平台的X射线CT设备、设在X射线CT设备检测平台上的可让高温疲劳实验装置做360°旋转运动的同步旋转装置、安放在同步旋转装置上用于对试件进行疲劳加载试验且设有辐射加热装置对试件进行加热的高温疲劳试验装置、固定在高温疲劳试验装置上用于对试件进行拍照的3D DIC系统、与高温疲劳试验装置、3D DIC系统和X射线CT设备电连接的计算机，所述X射线CT设备用于对高温疲劳试验装置中的试件进行CT扫描，所述计算机用于对高温疲劳试验装置、3D DIC系统和X射线CT设备采集的试件疲劳加载数据、图像数据和CT扫描数据进行处理和分析。