航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

航空发动机自由涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

针对某型航空发动机适航取证项目要求，对该发动机自由涡轮盘开展寿命研究。综合考虑自由涡轮盘标准工作循环内 温度场和转速载荷，采用线弹性有限元应力分析法对轮盘进行应力分析，据此确定轮缘和盘心为轮盘应力水平及疲劳寿命的关键 考核部位；充分考虑试验器能力及试验过程的可监控性等因素，设计并开展了能够对该自由涡轮盘关键部位进行有效考核的试验 载荷系数为1 的试验器循环疲劳试验；根据试验结果对轮盘低循环疲劳寿命进行分析。结果表明：该自由涡轮盘的预定安全循环 寿命为6500 次。     

航空发动机高压涡轮工作叶片热疲劳试验研究

为考核工作了一定时数的某型发动机高压涡轮工作叶片在更换涂层后的抗冷、热疲劳性能,进行了热疲劳考核试验。试验中,实现了低压条件下对复合冷却叶片温度载荷的模拟,并记录了各部位裂纹发生、扩展的情况,为复合冷却叶片的热疲劳性能分析积累了宝贵的资料。     

涡轮叶片高温低循环疲劳/蠕变寿命试验评定

利用试验方法确定了某型发动机 级涡轮叶片高温低循环疲劳寿命 ,试验计入了高温蠕变的影响。为了缩短试验时间 ,按照损伤等效原则 ,确定了等效加速试验载荷谱。试验是在采用感应加热、液压加载的菲利轮试验器上进行的。采用对数正态分布和威布尔分布对试验结果进行了统计分析 ,给出了置信度为 95 %、可靠度为 99.87%的叶片安全使用寿命。     

基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。     

涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验

为了解高周振动载荷对于涡轮叶片高温疲劳性能的影响,对某型涡轮叶片进行高低周复合疲劳试验.试验结果表明,在低周载荷基础上叠加高频振动载荷,显著缩短了叶片的疲劳寿命;复合疲劳的分散性很大,且不存在疲劳极限,当叶片高周循环次数超过107时,继续试验叶片仍会发生断裂;在双对数坐标下,叶片的振动应力与其高周循环寿命成线性关系,即复合疲劳特性曲线(应力-寿命曲线、概率-应力-寿命曲线)服从双对数线性规律,进一步研究发现该规律对于高温合金材料的复合疲劳特性曲线具有普遍性.      

弹片热机械疲劳试验方法研究及设计

针对弹片的热机械疲劳（TMF）试验要求,采用机械设计技术、机电技术、冷却技术、计算机技术和数据采集技术,提出了压力载荷和热载荷的加载方法,建立了2种载荷5个试验件的并联试验控制系统,并设计了弹片热机械疲劳试验器。试验结果表明:该系统能够同时模拟服役环境下弹片的压力载荷和热载荷。利用该试验系统进行了弹片的热机械疲劳试验,试验结果再现了弹片在服役状态下的失效模式。试验系统具有良好的重复度、较高的加载频率和加载精度。压力载荷最大相对误差为2.4%,绝对误差小于0.5N。温度载荷最大相对误差为3.55%,最大绝对误差为3.89℃。      

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

涡轮叶片热／机械复合疲劳试验方法研究

针对提高涡轮叶片TMF试验技术,介绍了在应用高频电感应加热设备基础上,进行高频电感应加热器设计、热/机械复合疲劳试验装置设计、测试方法和热/机械复合疲劳试验的方法;提出了制造工艺和试验方法对涡轮工作叶片热/机械疲劳寿命的影响与相应的修正措施。     

温度对变形高温合金热疲劳性能的影响

本文针对新型航空燃气涡轮发动机不断提高的涡轮进口温度,在以往研究工作的基础上,对一些有代表性的、特别是新研制的变形高温合金进行了试验,研究了试验温度对热疲劳寿命的影响,给出了试验温度与疲劳寿命的关系式;研究了试验温度对热疲劳裂纹扩展规律与断裂方式的影响。     

热障涂层的热疲劳试验方法

提出了采用圆筒状试样、用电炉加热-水冷的方式,在符合 HB 6660-1992 规定的热疲劳试验机上测定热障涂层热疲劳抗力的试验方法.给出了试样图,规定了试验设备和试样的安装方法;制订了包括试验参数的确定、试验温度的测量与控制和热疲劳抗力的测量方法等全部试验程序;分析了不同试验条件下涂层的损伤规律,提出了涂层失效的判定...     

确定总应变寿命方程中指数的一种方法

在由材料的单调拉伸强度极限和断面收缩率确定总应变寿命方程中疲劳强度系数和疲劳延性系数的基础上,考查了利用材料在两个不同应力幅下的疲劳试验数据和单调拉伸延伸率来确定总应变寿命方程中疲劳强度指数和疲劳延性指数的一种方法,给出了只需较少的疲劳试验数据和单调拉伸力学性能参数即可确定材料的总应变寿命方程中全部4个参数的分析流程,并利用航空发动机中常用的钛合金和镍基合金材料的疲劳试验数据对该方法进行了验证,结果表明该方法所确定的总应变寿命方程对所考查的材料大多数情形的疲劳寿命预测结果较为理想,基本在3倍分散带以内.      

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件,在工作过程中受到复杂的循环温度载荷,使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征,设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验,研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律,揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生,以沿晶方式扩展并断裂;②随着热疲劳试验中上限温度的升高,裂纹的萌生寿命缩短,裂纹扩展速率加快,试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

保持时间对涡轮盘材料GH4133合金热机械疲劳性能的影响

通过在热机械循环最高温度处进入不同保持时间, 研究了保持时间对涡轮盘材料GH4133合金热机械疲劳性能及其寿命的影响. 结果表明, 对于不同保持时间,无论是同相位热机械疲劳还是反相位热机械疲劳,材料在温度升高的过程中均呈现循环软化特性,并且随着应变量的增大循环软化速率加快,在温度降低的过程中无明显的循环硬化或循环软化;而保持时间对同相位热机械疲劳寿命影响较为显著, 而对反相位热机械疲劳寿命几乎没有影响.     

基于等效试验的蠕变-热疲劳寿命预测方法

 以往的蠕变疲劳寿命预测方法主要是针对蠕变-热机械疲劳提出的,一般不能很好应用于蠕变-热疲劳。由于蠕变 热疲劳试验周期很长,故寿命预测所需的失效数据难以得到。考虑材料的双线性随动强化和蠕变特性,深入研究了蠕变 热疲劳过程中应力和应变的规律。据此,提出把蠕变-热疲劳等效为恒定应力幅和平均应力的热 机械疲劳的寿命预测方法。由于热-机械疲劳试验不需保温时间,所需的试验装置简单、效率高,因此该方法有较好的应用前景。     

热障涂层热疲劳寿命预测方法研究

本文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第二部分,在前面已开展涂层氧化和热疲劳实验研究的基础上,针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,建立涂层的寿命预测模型。由于这部分工作在国内尚属首次,因此着眼点放在模型建立及校核的方法研究上。主要工作包括涂层热疲劳寿命模型研究、寿命模型参数的提取、寿命关键部位的有限元应力应变分析方法等方面。整个研究完整地给出涂层寿命分析的整个过程和方法。并通过两类涂层的热疲劳寿命试验结果,验证和校核寿命模型的预测能力和可行性。      

主减速器后撑杆失效分析

本文采用化学成分分析、力学性能、金相检验、断口分析和能谱分析等方法,对失效的后撑杆进行分析,结果表明,在三件失效件中,1号为正常的疲劳断裂,2号、3号件属于微动磨损引起的疲劳断裂。     

热冲击条件下高热叶片的热疲劳对比试验方案研究

针对涡轮叶片的热冲击疲劳寿命实验,提出了一种新的对比实验方案和措施:将实验叶片和参照叶片组合在同一组试验叶栅上,并且在试验过程中定期对调两种叶片的安装位置。按照这一方法完成了一组相似材料的涡轮导向器叶片的对比试验。实验结果显示两种叶片表现出了几乎相同的热冲击疲劳寿命特性,并且裂纹的形态、分布区域以及生长历程也完全符合热疲劳裂纹的理论规律。