一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统

本发明属于航空航天发动机，具体涉及一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，在此基础上可进行航空航天发动机涡轮叶盘等关键件的强度及寿命评估。

背景技术：

1、航空发动机涡轮叶盘，特别是高压涡轮叶盘长时间工作在高温、高转速极端服役环境下，既要抗受交变离心大载荷，还要叠加因轮心和轮缘大温差导致的热应力，同时需满足重量轻、寿命长和高可靠性等苛刻且相互矛盾的指标要求，是航空发动机的关键部件，是公认的制约我国先进发动机研制的短板瓶颈。

2、粉末高温合金、镍基单晶高温合金等是先进军民用发动机高压涡轮盘的首选材料，但在制造过程中不可避免地存在非金属夹杂、孔洞等缺陷，且无法通过后处理工艺完全消除，造成其局部力学性能劣化并导致微裂纹过早萌生，频频引发危及飞行安全的重大故障，亟需探明高温合金中缺陷疲劳损伤机理和规律。

3、随着第三代同步辐射光源及电荷耦合器件探测器的发展，具有高亮度、高通量、高相干、高准直和高时空分辨优势的同步辐射光源断层扫描成像成为突破上述机理的有力工具。国内外学者根据各自需求，配合同步辐射光源设施搭建了原位试验平台：bale等人结合美国先进光源搭建了原位高温试验平台，试验件局部最高温度可达1750℃，但加载模块不能施加循环载荷，且采用卤素灯聚焦加热，试验件整体难以满足温度场均匀，无法用于长时低周疲劳原位试验；dezecot等人在法国同步辐射光源搭建了原位循环疲劳试验平台，但由于其研究重点针对铝合金、钛合金等服役温度较低的材料，试验平台温度不高于350℃；西南交通大学吴圣川等人结合上海同步辐射光源设施，分别开发了高温原位低周疲劳试验平台，最高温度可达600℃，可在400℃下稳定运行，但由于其采用凸轮加载方式，仅能以位移控制方式进行低周疲劳试验，且该平台面向铝合金等低强度材料，最大载荷仅为1000n，难以满足强度较高的高温合金试验需求。

4、综上所述，国内外面向同步辐射的原位装备主要集中在低温、低载荷范围内，且均未考虑设置同心调节机构，难以满足航空航天发动机涡轮叶盘所用高温材料在高温、高载荷、高放大倍数下的长时试验需求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，通过机械加载模块、温度加载模块及旋转轴心调节模块的构件选用及结构设计，使得同步辐射原位低周疲劳试验系统可施加800℃均匀温度场，并以力控制、位移控制两种模式进行低周疲劳加载，为探究航空航天发动机涡轮叶盘高温材料中缺陷疲劳损伤机理和规律提供试验技术支撑。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，用于涡轮叶盘材料在800℃高温下结合同步辐射光源进行低周疲劳原位试验，所述系统包括机械加载模块、温度加载模块及旋转轴心调节模块三部分；

4、进一步地，所述机械加载模块用于对原位试验件施加载荷，控制原位试验件以正弦波规律进行往复运动，由伺服电机、位移传感器、力传感器、上加载杆、上原位夹具、下原位夹具、下加载杆、球面垫片组成。采用伺服电机驱动，同时具备力传感器与位移传感器，可实现力控制、位移控制模式的低周疲劳加载，采用球面垫片调节上加载杆、上原位夹具、原位试验件、下原位夹具、下加载杆的同心度，保障原位试验件在加载过程中产生的离面位移不超过试样考核段宽度与厚度的较小值；

5、进一步地，所述温度加载模块用于对原位试验件施加均匀温度，最高温度可达800℃，由高温炉体、碳纤维环、冷却水通道、热电偶及控制机箱组成，其中碳纤维环高度4mm-6mm、厚度3mm-4mm，用于形成同步辐射光源平行x光的成像通道。温度加载模块通过电阻丝加热，升温速率不低于每分钟40℃，保温20分钟后，两个温度传感器测量得到的温度相差小于3℃，通过水冷系统降温，使得高温试验期间高温炉体外表及机械加载模块的固体温度低于60℃，保障试验系统长时安全运行；

6、进一步地，所述旋转轴心调节模块用于调节原位试验件几何中心与成像旋转中心间的同心度，由连接底板、调节螺丝组成，通过固定螺丝将连接底板与同步辐射光源线站的旋转台相连，通过旋紧/旋松调节螺丝，使得原位试验件的几何中心与同步辐射光源线站的旋转台旋转中心尽量重合，保障高放大倍数下原位试验件在成像期间始终在成像视窗内。

7、本发明与现有技术相比的优点在于：

8、(1)本发明选用伺服电机驱动加载，配合力传感器、位移传感器可实现位移、力控制的低周疲劳加载，最大载荷3000n；采用球面垫片调整由“上加载杆、上原位夹具、原位试验件、下原位夹具、下加载杆”组成的加载轴线的同心度。

9、(2)本发明选用电阻丝对高温炉体进行加热，炉体内温度均匀，最高温度可达800℃，温度稳定后两个热电偶测量数值之差<3℃，且升温速率不低于每分钟40℃。

10、(3)本发明具有旋转轴心调节模块，保证原位试验件的几何中心与同步辐射光源线站的旋转台旋转中心偏离值不大于同步辐射光源成像视窗范围，满足高放大倍数下原位试验件的长时观测。

11、总之，本发明与现有技术中的加载模式、加载轴线的同心度调节方式、温度范围均不同，其温度范围、载荷范围均面向航空航天发动机涡轮叶盘的服役环境设置，且新增了旋转轴心调节模块使得本试验系统能在原位试验件的几何中心与同步辐射光源线站的旋转台旋转中心偏离值更小，具备选用更小成像视窗范围达到更高放大倍数的能力。本发明在加载精度、温度范围、试样同心度方面均较公开文献中设备均具有明显提升。

技术特征：

1.一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：用于涡轮叶盘材料在800℃高温下结合同步辐射光源进行低周疲劳原位试验，所述同步辐射原位低周疲劳试验系统包括机械加载模块、温度加载模块及旋转轴心调节模块；所述机械加载模块用于对原位试验件施加载荷，控制原位试验件以正弦波规律进行往复运动，由伺服电机、位移传感器、力传感器、上加载杆、上原位夹具、下原位夹具、下加载杆、球面垫片组成；所述温度加载模块用于对原位试验件施加均匀温度，最高温度为800℃，由高温炉体、碳纤维环、冷却水通道、热电偶及控制机箱组成；所述旋转轴心调节模块用于调节原位试验件几何中心与成像旋转中心间的同心度，由连接底板、调节螺丝组成，通过固定螺丝与旋转台相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述机械加载模块采用伺服电机驱动，通过力传感器与位移传感器实现力控制、位移控制模式的低周疲劳加载。

3.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述机械加载模块采用球面垫片调节上加载杆、上原位夹具、原位试验件、下原位夹具、下加载杆的同心度，保证原位试验件在加载过程中产生的离面位移不超过试样考核段宽度与厚度的较小值。

4.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述温度加载模块具有4mm-6mm高度、3mm-4mm厚度的碳纤维环，用于形成同步辐射光源平行x光的成像通道。

5.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述温度加载模块通过电阻丝加热，升温速率不低于每分钟40℃，设置两个温度传感器，保温20分钟后，两个温度传感器测量得到的温度相差小于3℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述温度加载模块通过具有冷却水通道的水冷系统降温，使得高温试验期间高温炉体外表及机械加载模块的固体温度低于60℃，保障试验系统长时安全运行。

7.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，其特征在于：所述旋转轴心调节模块通过固定螺丝将连接底板与同步辐射光源线站的旋转台相连，通过旋紧/旋松调节螺丝，使得原位试验件的几何中心与同步辐射光源线站的旋转台旋转中心重合，保证高放大倍数下原位试验件在成像期间始终在成像视窗内。

技术总结
本发明公开一种用于涡轮叶盘材料服役温度的同步辐射原位低周疲劳试验系统，包括机械加载、温度加载及旋转轴心调节三个模块。机械加载模块施加载荷，以正弦波规律控制原位试验件的力或位移进行往复运动，由伺服电机、位移传感器、力传感器、上加载杆、上原位夹具、下原位夹具、下加载杆、球面垫片组成；温度加载模块对原位试验件施加最高800℃的均匀温度场，配备环形视窗用于同步辐射光源断层扫描成像，由高温炉体、碳纤维环、冷却水通道、热电偶及控制机箱组成；旋转轴心调节模块调节原位试验件几何中心与成像旋转中心间的同心度，由连接底板、调节螺丝组成。本发明满足涡轮叶盘服役温度下高温材料在进行低周疲劳原位断层扫描试验的需求。

技术研发人员：胡殿印,王荣桥,潘锦超,黄笛
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13