一種模擬高溫合金超高周疲勞損傷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲疲勞試驗?zāi)M材料的超高周疲勞， 并采用研究微觀力學(xué)性能和材料變形的微觀分析方法進(jìn)行損傷評估的模擬高溫合金超高 周疲勞損傷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱已經(jīng)將航空發(fā)動機(jī)部件的高周疲勞壽命要求從IO7次循環(huán) 提高到IO 9次循環(huán)。因此，航空發(fā)動機(jī)部件特別是渦輪葉片在超高周疲勞階段的疲勞損傷 的研究至關(guān)重要。目前，采用傳統(tǒng)疲勞試驗?zāi)M材料的超高周疲勞，試驗頻率IOOHz左右， 要經(jīng)歷較長的時間且花費較大，可行性小，而采用超聲疲勞試驗?zāi)M材料的超高周疲勞，試 驗頻率為20kHz，可節(jié)約大量時間，且接近發(fā)動機(jī)材料高速運轉(zhuǎn)的頻率，比較可行。目前，可 采用超聲疲勞試驗系統(tǒng)測試高溫合金的超高周疲勞性能，但對超高周疲勞損傷的模擬和檢 測評估方法報道較少。文獻(xiàn)報道，渦輪葉片用典型高溫合金（定向凝固或單晶高溫合金） 在高溫服役環(huán)境下超高周疲勞裂紋通常起源于亞表面，并且對定向凝固或單晶高溫合金而 言，服役過程中變形而產(chǎn)生再結(jié)晶直接破壞了合金組織形態(tài)，顯著降低其疲勞壽命。因此， 對尚溫合金超尚周疲勞損傷的特征，如起源于亞表面和晶體變形等如何進(jìn)彳丁疲勞損傷的綜 合評估，以預(yù)測和防止損傷的發(fā)生尤為重要。目前為止，針對疲勞損傷的評估方法只適用循 環(huán)周次106以下的常規(guī)疲勞，而針對超高周疲勞損傷特征如裂紋起源于亞表面和小角度亞 晶界的晶體變形等，國內(nèi)外沒有對其損傷特征的模擬評估試驗方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提出了高溫合金超高周疲勞 損傷的模擬及實驗方法，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0004] 該方法的步驟如下：
[0005] 步驟一、制作高溫合金漏斗形試樣，利用超聲疲勞試驗系統(tǒng)測試漏斗形試樣的超 高周疲勞性能，試驗頻率為20kHz，試驗溫度模擬高溫合金服役環(huán)境的服役溫度，測試的疲 勞循環(huán)周次范圍在IO 6~10 9之間；
[0006] 步驟二、利用中子衍射方法，檢測高溫合金漏斗形試樣在不同循環(huán)周次的表面和 亞表面的殘余應(yīng)力，亞表面距離表面Imm左右，得到微觀區(qū)域在不同循環(huán)周次的的殘余應(yīng) 力，將相同循環(huán)周次的表面和亞表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比，得到本循環(huán)周次的表面和亞表 面殘余應(yīng)力的絕對差值，繪制循環(huán)周次與殘余應(yīng)力絕對差值的關(guān)系曲線；
[0007] 步驟三、利用納米壓痕儀測試高溫合金漏斗形試樣經(jīng)疲勞后局部區(qū)域的彈性模量 的變化，將疲勞循環(huán)后的試樣進(jìn)行磨削拋光處理，分別在疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)附近測試高 溫合金漏斗形試樣的彈性模量，測量的位置分別在枝晶干和枝晶間，得到不同循環(huán)周次下 高溫合金漏斗形試樣的枝晶干和枝晶間的彈性模量絕對差值，繪制循環(huán)周次與彈性模量絕 對差值的關(guān)系曲線；
[0008] 步驟四、采用電子背散射衍射分析儀分析高溫合金漏斗形試樣的晶體變形情況， 將疲勞循環(huán)后的高溫合金漏斗形試樣進(jìn)行磨削拋光處理，采用電子背散射衍射分析儀得到 高溫合金漏斗形試樣的疲勞源區(qū)和疲勞斷口區(qū)內(nèi)，從斷口表面距離高溫合金漏斗形試樣的 非疲勞工作段的晶體取向變化，得到是否有小角度亞晶界的形成，得到不同循環(huán)周次下高 溫合金漏斗形試樣的疲勞損傷情況，建立循環(huán)周次與小角度亞晶界的晶體變形的關(guān)系曲 線；
[0009] 步驟五、通過上述三條關(guān)系曲線，判斷不同循環(huán)周次的疲勞損傷，高溫合金漏斗形 試樣的微觀力學(xué)性能-殘余應(yīng)力和彈性模量中，哪個性能對高溫合金漏斗形試樣的組織變 形起主導(dǎo)作用，隨著循環(huán)周次的增加，如果高溫合金漏斗形試樣的小角度度數(shù)增大，殘余應(yīng) 力絕對差值也增大，表明高溫合金漏斗形試樣的亞表面殘余應(yīng)力的變化對疲勞損傷是促進(jìn) 作用；如果彈性模量絕對差值增大，表明高溫合金漏斗形試樣枝晶干和枝晶間的剛度配合 對疲勞損傷是促進(jìn)作用，反之，如果材料的殘余應(yīng)力絕對差值未增大，小角度度數(shù)增大，彈 性模量絕對差值也增大，則明枝晶干和枝晶間的剛度配合對疲勞損傷起主導(dǎo)作用，如果彈 性模量絕對差值未增大，小角度度數(shù)增大，材料的殘余應(yīng)力絕對差值增大，則表明亞表面殘 余應(yīng)力的變化對疲勞損傷起主導(dǎo)作用。
[0010] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，
[0011] 該方法采用超聲疲勞試驗，試驗頻率為20kHz，可經(jīng)濟(jì)快捷地測試渦輪葉片用高溫 合金承受氣動激振頻率較高且強(qiáng)迫振動時，頻率可達(dá)到上萬赫茲的超高周疲勞性能，利用 幾種試驗方法綜合評估高溫合金的超高周疲勞損傷，可推斷高溫合金在超高周疲勞損傷過 程中哪些因素對損傷起促進(jìn)作用，從而減輕或預(yù)防損傷的發(fā)生。其中，利用中子衍射方法 測試高溫合金漏斗形試樣表面和亞表面殘余應(yīng)力絕對差值，得到循環(huán)周次與殘余應(yīng)力絕對 差值的關(guān)系曲線；利用納米壓痕儀測試材料內(nèi)部枝晶干與枝晶間的彈性模量絕對差值，得 到循環(huán)周次與彈性模量絕對差值的關(guān)系曲線；利用電子背散射衍射分析材料的晶體變形情 況，得到循環(huán)周次與小角度亞晶界的晶體變形的關(guān)系曲線。通過三條曲線的綜合對比，可清 楚地了解決定高溫合金超高周疲勞損傷的主導(dǎo)因素，并可預(yù)測同類其它合金的超高周疲勞 損傷情況。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明高溫合金漏斗形試樣結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明實施例中圖2DZ125合金的循環(huán)周次與殘余應(yīng)力絕對差值曲線。
[0014] 圖3是本發(fā)明實施例中DZ125合金的循環(huán)周次與彈性模量絕對差值曲線。
[0015]圖4是本發(fā)明實施例中DZ125合金的循環(huán)周次與小角度亞晶界的曲線。
【具體實施方式】
[0016] 以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述：
[0017] 所述高溫合金主要用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片材料，該種材料無夾雜、疏松等明顯 缺陷，其特征在于：該方法的步驟如下：
[0018] 步驟一、利用超聲疲勞試驗系統(tǒng)測試高溫合金的超高周疲勞性能。超聲疲勞通常 選擇漏斗形試樣，如圖1所示。首先利用超聲疲勞試驗系統(tǒng)，可測得試件的諧振頻率f，后通 過公式Ed= 412f2P，已知材料的密度P、試件長度i和諧振頻率f，可得到材料的動態(tài)彈 性模量。通過固體振動理論，并通過動態(tài)彈性模量來設(shè)計試樣個階段的尺寸。試驗頻率為 20kHz，試驗溫度模擬高溫合金服役環(huán)境的服役溫度，測試的疲勞循環(huán)周次范圍在IO6~IO9 之間。
[0019] 步驟二、利用中子衍射方法，檢測高溫合金漏斗形試樣在不同循環(huán)周次的表面和 亞表面的殘余應(yīng)力，亞表面距離表面Imm左右，得到微觀區(qū)域在不同循環(huán)周次的的殘余應(yīng) 力，將相同循環(huán)周次的表面和亞表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比，得到本循環(huán)周次的表面和亞表 面殘余應(yīng)力的絕對差值，繪制循環(huán)周次與殘余應(yīng)力絕對差值的關(guān)系曲線；
[0020] 步驟三、利用納米壓痕儀測試高溫合金漏斗形試樣經(jīng)疲勞后局部區(qū)域的彈性模量 的變化，將疲勞循環(huán)后的試樣進(jìn)行磨削拋光處理，分別在疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)附近測試高 溫合金漏斗形試樣的彈性模量，測量的位置分別在枝晶干和枝晶間，得到不同循環(huán)周次下 高溫合金漏斗形試樣的枝晶干和枝晶間的彈性模量絕對差值，繪制循環(huán)周次與彈性模量絕 對差值的關(guān)系曲線；
[0021] 步驟四、采用電子背散射衍射分析儀分析高溫合金漏斗形試樣的晶體變形情況， 將疲勞循環(huán)后的高溫合金漏斗形試樣進(jìn)行磨削拋光處理，采用電子背散射衍射分析儀得到 高溫合金漏斗形試樣的疲勞源區(qū)和疲勞斷口區(qū)內(nèi)，從斷口表面距離高溫合金漏斗形試樣的 非疲勞工作段的晶體取向變化，得到是否有小角度亞晶界的形成，得到不同循環(huán)周次下高 溫合金漏斗形試樣的疲勞損傷情況，建立循環(huán)周次與小角度亞晶界的晶體變形的關(guān)系曲 線；
[0022] 步驟五、通過上述三條關(guān)系曲線，判斷不同循環(huán)周次的疲勞損傷，高溫合金漏斗形 試樣的微觀力學(xué)性能-殘余應(yīng)力和彈性模量中，哪個性能對高溫合金漏斗形試樣的組織變 形起主導(dǎo)作用，隨著循環(huán)周次的增加，如果高溫合金漏斗形試樣的小角度度數(shù)增大，殘余應(yīng) 力絕對差值也增大，表明高溫合金漏斗形試樣的亞表面殘余應(yīng)力的變化對疲勞損傷是促進(jìn) 作用；如果彈性模量絕對差值增大，表明高溫合金漏斗形試樣枝晶干和枝晶間的剛度配合 對疲勞損傷是促進(jìn)作用，反之，如果材料的殘余應(yīng)力絕對差值未增大，小角度度數(shù)增大，彈 性模量絕對差值也增大，則明枝晶干和枝晶間的剛度配合對疲勞損傷起主導(dǎo)作用，如果彈 性模量絕對差值未增大，小角度度數(shù)