CN105067791B - 一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
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。本发明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。
Description
技术领域
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
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107次循环提高到109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100Hz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***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，对高温合金超高周疲劳损伤的特征，如起源于亚表面和晶体变形等如何进行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
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，
该方法的步骤如下：
步骤一、制作高温合金漏斗形试样，利用超声疲劳试验***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106～109之间；
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1mm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；
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；
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；
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。
本发明具有的优点和有益效果，
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
图1是本发明高温合金漏斗形试样结构示意图。
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。
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。
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
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
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：
步骤一、利用超声疲劳试验***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***，可测得试件的谐振频率f，后通过公式Ed＝4l2f2ρ，已知材料的密度ρ、试件长度ι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106～109之间。
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1mm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；
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；
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；
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。
实施例一
试验材料为定向凝固高温合金DZ125，为铸造高温合金，按照常规热处理制度1180℃/2h+1230℃/3h空冷+1100℃/4h空冷+870℃/20h进行热处理。该方法的步骤如下：
步骤一、
利用超声疲劳试验***测试材料的超高周疲劳性能。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***，可测得试件的谐振频率f，后通过公式Ed＝4l2f2ρ，已知材料的密度ρ＝8.48g/cm3、试件长度ι＝50mm和谐振频率f＝20kHz，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，试验温度为800℃(材料的高温服役温度)，测试的疲劳循环周次范围在106～109之间。
表1 800℃下DZ125合金的超高周疲劳试验的S-N数据
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1mm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，曲线如图所示；
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，曲线如图3所示；
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；曲线关系如图4所示。
如何进行评价判断：
采用超声疲劳试验模拟高温合金的超高周疲劳，测试高温下材料的超高周疲劳性能，可经济便捷地模拟发动机涡轮叶片用高温合金在高频振动下的疲劳。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，并绘制循环周次与残余应力绝对差值的关系曲线；通过纳米压痕测量，得到高温合金经不同循环周次后的枝晶干和枝晶间的弹性模量，并绘制循环周次与弹性模量绝对差值(枝晶干与枝晶间的差值)的关系曲线；高温合金微观区域内的残余应力和弹性模量的测试均属于材料的微观力学性能，残余应力绝对差值可表征高温合金表面和内表面的应力状态差异，弹性模量绝对差值可表征枝晶干和枝晶间的匹配程度。从曲线2可知，随着循环周次的增加，高温合金的表面和亚表面的残余应力是逐渐增大的，表示材料表面和内表面的应力状态相差增大。从曲线3可知，随着循环周次的增加，高温合金的弹性模量绝对差值整体是增大趋势，先增后减，表明枝晶干和枝晶间的匹配程度是波动的。采用电子背散射衍射分析材料的晶体变形情况，得到疲劳变形区域的晶体取向变化情况(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)，得到变形产生最大的小角度，绘制循环周次与小角度亚晶界的晶体变形的关系曲线。高温合金的小角度晶界的改变表示合金的晶体变形程度的改变。从曲线图4可知，随着循环周次的增加，高温合金疲劳区域的小角度亚晶界是逐渐增大的，表示材料变形的程度是增大的。
通过上述三条关系曲线，判断不同循环周次的疲劳损伤。随着循环周次的增加，高温合金疲劳区域的小角度亚晶界是逐渐增大的(表明晶体变形对疲劳损伤起促进作用)，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；弹性模量绝对差值增大，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。以上说明，在疲劳循环变形损伤过程中，残余应力和弹性模量同时对损伤起促进作用。
以上模拟和测试评估方法可用于制作航空发动机涡轮叶片的其它高温合金，已知微观力学性能和晶粒变形情况可推测其超高周疲劳损伤情况。
Claims (1)
1.一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、制作高温合金漏斗形试样，利用超声疲劳试验***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106～109之间；
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1mm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；
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；
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；
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，
(1)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、弹性模量绝对差值均增大，表明高温合金漏斗形试样的亚表面残余应力的变化及枝晶干和枝晶间的刚度配合对疲劳损伤均起促进作用；
(2)随着循环周次的增加，
如果材料的小角度度数增大，弹性模量绝对差值也增大，残余应力绝对差值未增大，则表明枝晶干和枝晶间的刚度配合对疲劳损伤起主导作用，如果材料的小角度度数增大，残余应力绝对差值增大，弹性模量绝对差值未增大，则表明亚表面残余应力的变化对疲劳损伤起主导作用。
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