一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测量测试技术领域，涉及一种超声疲劳试验模拟材料的超高周疲劳， 并采用研究微观力学性能和材料变形的微观分析方法进行损伤评估的模拟高温合金超高 周疲劳损伤的方法。
【背景技术】
[0002] 发动机结构完整性大纲已经将航空发动机部件的高周疲劳寿命要求从IO7次循环 提高到IO 9次循环。因此，航空发动机部件特别是涡轮叶片在超高周疲劳阶段的疲劳损伤 的研究至关重要。目前，采用传统疲劳试验模拟材料的超高周疲劳，试验频率IOOHz左右， 要经历较长的时间且花费较大，可行性小，而采用超声疲劳试验模拟材料的超高周疲劳，试 验频率为20kHz，可节约大量时间，且接近发动机材料高速运转的频率，比较可行。目前，可 采用超声疲劳试验系统测试高温合金的超高周疲劳性能，但对超高周疲劳损伤的模拟和检 测评估方法报道较少。文献报道，涡轮叶片用典型高温合金（定向凝固或单晶高温合金） 在高温服役环境下超高周疲劳裂纹通常起源于亚表面，并且对定向凝固或单晶高温合金而 言，服役过程中变形而产生再结晶直接破坏了合金组织形态，显著降低其疲劳寿命。因此， 对尚温合金超尚周疲劳损伤的特征，如起源于亚表面和晶体变形等如何进彳丁疲劳损伤的综 合评估，以预测和防止损伤的发生尤为重要。目前为止，针对疲劳损伤的评估方法只适用循 环周次106以下的常规疲劳，而针对超高周疲劳损伤特征如裂纹起源于亚表面和小角度亚 晶界的晶体变形等，国内外没有对其损伤特征的模拟评估试验方法。
【发明内容】
[0003] 本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提出了高温合金超高周疲劳 损伤的模拟及实验方法，本发明的技术解决方案是，
[0004] 该方法的步骤如下：
[0005] 步骤一、制作高温合金漏斗形试样，利用超声疲劳试验系统测试漏斗形试样的超 高周疲劳性能，试验频率为20kHz，试验温度模拟高温合金服役环境的服役温度，测试的疲 劳循环周次范围在IO 6~10 9之间；
[0006] 步骤二、利用中子衍射方法，检测高温合金漏斗形试样在不同循环周次的表面和 亚表面的残余应力，亚表面距离表面Imm左右，得到微观区域在不同循环周次的的残余应 力，将相同循环周次的表面和亚表面的残余应力进行对比，得到本循环周次的表面和亚表 面残余应力的绝对差值，绘制循环周次与残余应力绝对差值的关系曲线；
[0007] 步骤三、利用纳米压痕仪测试高温合金漏斗形试样经疲劳后局部区域的弹性模量 的变化，将疲劳循环后的试样进行磨削抛光处理，分别在疲劳源和疲劳扩展区附近测试高 温合金漏斗形试样的弹性模量，测量的位置分别在枝晶干和枝晶间，得到不同循环周次下 高温合金漏斗形试样的枝晶干和枝晶间的弹性模量绝对差值，绘制循环周次与弹性模量绝 对差值的关系曲线；
[0008] 步骤四、采用电子背散射衍射分析仪分析高温合金漏斗形试样的晶体变形情况， 将疲劳循环后的高温合金漏斗形试样进行磨削抛光处理，采用电子背散射衍射分析仪得到 高温合金漏斗形试样的疲劳源区和疲劳断口区内，从断口表面距离高温合金漏斗形试样的 非疲劳工作段的晶体取向变化，得到是否有小角度亚晶界的形成，得到不同循环周次下高 温合金漏斗形试样的疲劳损伤情况，建立循环周次与小角度亚晶界的晶体变形的关系曲 线；
[0009] 步骤五、通过上述三条关系曲线，判断不同循环周次的疲劳损伤，高温合金漏斗形 试样的微观力学性能-残余应力和弹性模量中，哪个性能对高温合金漏斗形试样的组织变 形起主导作用，随着循环周次的增加，如果高温合金漏斗形试样的小角度度数增大，残余应 力绝对差值也增大，表明高温合金漏斗形试样的亚表面残余应力的变化对疲劳损伤是促进 作用；如果弹性模量绝对差值增大，表明高温合金漏斗形试样枝晶干和枝晶间的刚度配合 对疲劳损伤是促进作用，反之，如果材料的残余应力绝对差值未增大，小角度度数增大，弹 性模量绝对差值也增大，则明枝晶干和枝晶间的刚度配合对疲劳损伤起主导作用，如果弹 性模量绝对差值未增大，小角度度数增大，材料的残余应力绝对差值增大，则表明亚表面残 余应力的变化对疲劳损伤起主导作用。
[0010] 本发明具有的优点和有益效果，
[0011] 该方法采用超声疲劳试验，试验频率为20kHz，可经济快捷地测试涡轮叶片用高温 合金承受气动激振频率较高且强迫振动时，频率可达到上万赫兹的超高周疲劳性能，利用 几种试验方法综合评估高温合金的超高周疲劳损伤，可推断高温合金在超高周疲劳损伤过 程中哪些因素对损伤起促进作用，从而减轻或预防损伤的发生。其中，利用中子衍射方法 测试高温合金漏斗形试样表面和亚表面残余应力绝对差值，得到循环周次与残余应力绝对 差值的关系曲线；利用纳米压痕仪测试材料内部枝晶干与枝晶间的弹性模量绝对差值，得 到循环周次与弹性模量绝对差值的关系曲线；利用电子背散射衍射分析材料的晶体变形情 况，得到循环周次与小角度亚晶界的晶体变形的关系曲线。通过三条曲线的综合对比，可清 楚地了解决定高温合金超高周疲劳损伤的主导因素，并可预测同类其它合金的超高周疲劳 损伤情况。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明高温合金漏斗形试样结构示意图。
[0013] 图2是本发明实施例中图2DZ125合金的循环周次与残余应力绝对差值曲线。
[0014] 图3是本发明实施例中DZ125合金的循环周次与弹性模量绝对差值曲线。
[0015]图4是本发明实施例中DZ125合金的循环周次与小角度亚晶界的曲线。
【具体实施方式】
[0016] 以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
[0017] 所述高温合金主要用于航空发动机涡轮叶片材料，该种材料无夹杂、疏松等明显 缺陷，其特征在于：该方法的步骤如下：
[0018] 步骤一、利用超声疲劳试验系统测试高温合金的超高周疲劳性能。超声疲劳通常 选择漏斗形试样，如图1所示。首先利用超声疲劳试验系统，可测得试件的谐振频率f，后通 过公式Ed= 412f2P，已知材料的密度P、试件长度i和谐振频率f，可得到材料的动态弹 性模量。通过固体振动理论，并通过动态弹性模量来设计试样个阶段的尺寸。试验频率为 20kHz，试验温度模拟高温合金服役环境的服役温度，测试的疲劳循环周次范围在IO6~IO9 之间。
[0019] 步骤二、利用中子衍射方法，检测高温合金漏斗形试样在不同循环周次的表面和 亚表面的残余应力，亚表面距离表面Imm左右，得到微观区域在不同循环周次的的残余应 力，将相同循环周次的表面和亚表面的残余应力进行对比，得到本循环周次的表面和亚表 面残余应力的绝对差值，绘制循环周次与残余应力绝对差值的关系曲线；
[0020] 步骤三、利用纳米压痕仪测试高温合金漏斗形试样经疲劳后局部区域的弹性模量 的变化，将疲劳循环后的试样进行磨削抛光处理，分别在疲劳源和疲劳扩展区附近测试高 温合金漏斗形试样的弹性模量，测量的位置分别在枝晶干和枝晶间，得到不同循环周次下 高温合金漏斗形试样的枝晶干和枝晶间的弹性模量绝对差值，绘制循环周次与弹性模量绝 对差值的关系曲线；
[0021] 步骤四、采用电子背散射衍射分析仪分析高温合金漏斗形试样的晶体变形情况， 将疲劳循环后的高温合金漏斗形试样进行磨削抛光处理，采用电子背散射衍射分析仪得到 高温合金漏斗形试样的疲劳源区和疲劳断口区内，从断口表面距离高温合金漏斗形试样的 非疲劳工作段的晶体取向变化，得到是否有小角度亚晶界的形成，得到不同循环周次下高 温合金漏斗形试样的疲劳损伤情况，建立循环周次与小角度亚晶界的晶体变形的关系曲 线；
[0022] 步骤五、通过上述三条关系曲线，判断不同循环周次的疲劳损伤，高温合金漏斗形 试样的微观力学性能-残余应力和弹性模量中，哪个性能对高温合金漏斗形试样的组织变 形起主导作用，随着循环周次的增加，如果高温合金漏斗形试样的小角度度数增大，残余应 力绝对差值也增大，表明高温合金漏斗形试样的亚表面残余应力的变化对疲劳损伤是促进 作用；如果弹性模量绝对差值增大，表明高温合金漏斗形试样枝晶干和枝晶间的刚度配合 对疲劳损伤是促进作用，反之，如果材料的残余应力绝对差值未增大，小角度度数增大，弹 性模量绝对差值也增大，则明枝晶干和枝晶间的刚度配合对疲劳损伤起主导作用，如果弹 性模量绝对差值未增大，小角度度数