楊憲峰，陳 新，許 巍，何玉懷

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

1 引言

高溫振動(dòng)疲勞失效是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片失效的主要形式之一。依據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度規(guī)范，渦輪葉片必須通過(guò)高溫或服役條件下的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)考核。因此，研究和完善渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法，準(zhǔn)確測(cè)定航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片及材料的高溫振動(dòng)疲勞性能，對(duì)葉片制備、工藝評(píng)價(jià)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義[1-4]。

渦輪葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)通常采用電磁振動(dòng)臺(tái)對(duì)葉片試樣激振，并在一階彎曲共振條件下進(jìn)行。室溫條件下的振動(dòng)疲勞測(cè)試已經(jīng)形成了成熟的試驗(yàn)流程和方法，并得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。而高溫條件下振動(dòng)疲勞的振幅測(cè)量、振動(dòng)控制、應(yīng)變測(cè)量等關(guān)鍵過(guò)程實(shí)施難度較大，使得高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的開(kāi)展存在一定的困難，相關(guān)的研究報(bào)道也較少。渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，其最大難點(diǎn)在于對(duì)葉片高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量。由于高溫應(yīng)變計(jì)成本高昂且粘貼和測(cè)量難度較大，因此渦輪葉片的高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中有相當(dāng)大的部分采用替換法進(jìn)行。這種方法近似地認(rèn)為，葉片在相同位移振幅下，室溫和高溫振動(dòng)應(yīng)變場(chǎng)相同。目前，替換法已在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，如張東明等[7]采用替換法在900℃下進(jìn)行了渦輪葉片的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，黃愛(ài)萍等[8]采用替換法測(cè)定了某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高溫振動(dòng)疲勞壽命。盡管借助替換法能夠?qū)崿F(xiàn)高溫下的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，但替換法畢竟是一種近似的替代方法，不能準(zhǔn)確反映出高溫條件下葉片或葉片材料試樣的真實(shí)應(yīng)變情況。較為理想的方法是使用高溫應(yīng)變計(jì)或其他可靠的高溫應(yīng)變測(cè)量，直接測(cè)取葉片高溫振動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，以減小誤差，進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

本文采用搭建的渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)在試驗(yàn)件表面粘貼高溫應(yīng)變計(jì)的方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)直接法)，實(shí)現(xiàn)了高溫條件下的葉片動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量與應(yīng)力標(biāo)定，并將試驗(yàn)結(jié)果與替換法的應(yīng)力標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。利用直接法對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)用單晶渦輪葉片進(jìn)行了800℃下的振動(dòng)疲勞測(cè)試，獲取了該型葉片800℃的中值疲勞極限。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

2.1 高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片服役環(huán)境特點(diǎn)，搭建了一套渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)可滿(mǎn)足室溫至900℃下發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)需求，覆蓋了絕大多數(shù)渦輪葉片的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)需求。高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，先將葉片試驗(yàn)件夾持在連接在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的專(zhuān)用水冷夾具上，再將專(zhuān)用夾具和試驗(yàn)件整體置于直徑90 mm、均溫帶長(zhǎng)180 mm 的高溫爐內(nèi)。高溫爐中央設(shè)有石英觀察窗，試驗(yàn)時(shí)激光位移傳感器透過(guò)石英觀察窗，實(shí)時(shí)測(cè)量高溫爐內(nèi)葉片葉尖振幅。激光位移傳感器具有非接觸測(cè)量、高精度的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)精度優(yōu)于0.1%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的讀數(shù)顯微鏡。在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上固定加速度傳感器，同步監(jiān)控振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的加速度。激光位移傳感器和加速度傳感器被連接到信號(hào)采集和控制系統(tǒng)，通過(guò)專(zhuān)用的葉片振動(dòng)疲勞控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的閉環(huán)控制。試驗(yàn)過(guò)程中，高溫爐溫度變化不超過(guò)±3℃。

圖1 高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 High-temperature vibration fatigue test system

2.2 振動(dòng)控制方法

激振頻率和激振力是渦輪葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中的兩個(gè)最重要的參數(shù)，直接影響整個(gè)試驗(yàn)的成敗。在共振點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，葉片的振動(dòng)應(yīng)力放大倍數(shù)最高。依據(jù)金屬材料相位對(duì)自身共振頻率改變非常敏感的特性，試驗(yàn)采取相位控制方式進(jìn)行?？刂圃囼?yàn)件自由端振幅為給定值，通過(guò)非接觸式激光位移傳感器，將位移值反饋至控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)試驗(yàn)件出現(xiàn)損傷時(shí)，振動(dòng)控制儀會(huì)捕捉到加速度信號(hào)與位移信號(hào)的相位變化，并自動(dòng)修正振動(dòng)頻率，保持試驗(yàn)件振幅穩(wěn)定不變；隨著損傷逐漸加大，系統(tǒng)隨之逐漸下調(diào)共振頻率直至試驗(yàn)件失效。所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠全程自動(dòng)化運(yùn)行，并有效提高控制精度和測(cè)量精度，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。

2.3 高溫應(yīng)力標(biāo)定方法及驗(yàn)證

選取發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用定向高溫合金DZ125 材料為研究對(duì)象，在850℃條件下分別采用直接法和替換法開(kāi)展振動(dòng)疲勞應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)參照最新修訂的航空標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行，試驗(yàn)件采用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試樣形式。直接法試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)件中央最大應(yīng)力位置用高溫陶瓷膠粘貼高溫應(yīng)變計(jì)，經(jīng)加溫固化后的外觀形貌見(jiàn)圖2 。試驗(yàn)件通過(guò)夾具上的高溫延長(zhǎng)桿伸入加熱爐內(nèi)，高溫應(yīng)變計(jì)利用鉑金絲連接至應(yīng)變儀。啟動(dòng)葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，依次控制試驗(yàn)件自由端位移振幅值2a為1 mm，2 mm，3 mm，讀取相應(yīng)的應(yīng)變計(jì)輸出值，獲取動(dòng)態(tài)應(yīng)變值與位移振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該對(duì)應(yīng)關(guān)系的表達(dá)式如下：

圖2 DZ125 合金振動(dòng)疲勞試樣Fig.2 Vibration fatigue specimen of DZ125 alloy

式中：ε為動(dòng)態(tài)應(yīng)變值(με)；a為振幅值(mm)；k、b為擬合參數(shù)，通過(guò)最小二乘法計(jì)算得到。

采用替換法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在試樣的危險(xiǎn)截面粘貼應(yīng)變計(jì)，并進(jìn)行室溫應(yīng)力標(biāo)定，得到室溫下2a=1 mm 時(shí)的應(yīng)變值。通過(guò)式(2)，將室溫楊氏模量替換為試驗(yàn)溫度的楊氏模量，得到850℃下2a=1 mm 時(shí)的應(yīng)力值。

選取400 MPa 作為對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)力，分別就室溫、850℃替換法和850℃直接法進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，每種條件各測(cè)試4 個(gè)試驗(yàn)件，并得到相應(yīng)疲勞壽命和均值壽命，結(jié)果見(jiàn)表1。圖3 對(duì)比展示了DZ125合金在不同試驗(yàn)條件下測(cè)得的疲勞壽命?？梢?jiàn)，DZ125 合金高溫下的疲勞壽命比室溫下的低；高溫下直接法測(cè)得的振動(dòng)疲勞壽命明顯低于替換法測(cè)得的振動(dòng)疲勞壽命，說(shuō)明兩種應(yīng)力標(biāo)定方法測(cè)得的結(jié)果存在顯著差異。

表1 室溫和兩種高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of testing results between two high-temperature vibration fatigue testing methods

圖3 兩種高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法試驗(yàn)均值壽命與室溫結(jié)果的對(duì)比Fig.3 Comparison of the mean fatigue life and room temperature of two high-temperature vibration fatigue testing methods

2.4 渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)過(guò)程

選取某型發(fā)動(dòng)機(jī)單晶高溫合金渦輪葉片，采用直接法在其典型服役溫度(800℃)下進(jìn)行了高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。利用高溫應(yīng)變計(jì)，直接測(cè)取800℃下葉片表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值?；谟邢拊?jì)算結(jié)果中進(jìn)氣邊最大應(yīng)力位置，高溫應(yīng)變計(jì)粘貼在葉盆面進(jìn)氣邊距緣板19.8 mm 處，如圖4 所示。高溫應(yīng)變計(jì)敏感柵尺寸為3 mm×2 mm，長(zhǎng)度方向平行于葉身進(jìn)氣邊。高溫應(yīng)力標(biāo)定過(guò)程采用隨機(jī)抽樣的方式，選取3 個(gè)葉片在800℃下進(jìn)行了振動(dòng)位移-應(yīng)變標(biāo)定。通過(guò)直接法公式(1)計(jì)算了葉片2a=1 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。標(biāo)定結(jié)果如表2 所示。3 組標(biāo)定結(jié)果的平均值為127.81 MPa，后續(xù)所有振動(dòng)疲勞試驗(yàn)均按照該標(biāo)定的平均值開(kāi)展。

表2 單晶渦輪葉片800℃試驗(yàn)控制點(diǎn)標(biāo)定值Table 2 Calibration result of single crystal turbine blade at 800℃

圖4 高溫應(yīng)變計(jì)粘貼位置Fig.4 Turbine blade with high temperature strain gauge.

葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)參照參考文獻(xiàn)[9]進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為800℃，最大循環(huán)數(shù)為2×107周。被測(cè)葉片由高溫水冷夾具伸入高溫爐中，高溫夾具上部安裝K 型熱電偶，用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中葉片、夾具的溫度變化。激光位移傳感器通過(guò)高溫爐上的觀察窗對(duì)葉片振幅進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 共振頻率

葉片的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)通常在共振條件下開(kāi)展，通過(guò)掃頻方法獲得高溫條件下葉片的共振頻率。圖5 給出了室溫和800℃條件下的掃頻曲線，掃頻曲線峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為共振頻率。由圖可知，室溫、800℃條件下葉片的共振頻率分別約為380 Hz和350 Hz，室溫和高溫下葉片的共振頻率存在顯著差別。需指出，由于葉片是通過(guò)專(zhuān)用夾具固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的，因此通過(guò)掃頻得到的共振頻率實(shí)際是葉片和夾具組合體的共振頻率。該頻率比單一葉片的共振頻率略小，但不影響后續(xù)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。

圖5 單晶合金渦輪葉片室溫和高溫下的掃頻曲線Fig.5 Frequency-sweep curve of a single crystal superalloy turbine blade at room temperature and 800℃

3.2 振動(dòng)疲勞結(jié)果

本次渦輪葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的主要目的，是獲取渦輪葉片在800℃、2×107循環(huán)下的疲勞極限，采用參考文獻(xiàn)[9]推薦的升降法獲得該值。共獲得有效數(shù)據(jù)14 個(gè)，其中8 個(gè)斷點(diǎn)、6 個(gè)未斷點(diǎn)，可形成升降區(qū)應(yīng)力配對(duì)6 對(duì)，如圖6 所示。對(duì)升降區(qū)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相關(guān)處理結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)查統(tǒng)計(jì)表，可以判定該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)和子樣個(gè)數(shù)滿(mǎn)足置信度為90%、誤差限度為5%的可靠性要求[10]。

表3 疲勞極限的數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 3 Data process results of the fatigue limit

圖6 疲勞極限應(yīng)力升降區(qū)結(jié)果Fig.6 Fatigue limit testing results by up-and-down method

3.3 分析與討論

對(duì)于渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，葉片高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量和標(biāo)定是影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵，目前廣泛采用的替換法盡管成本低廉、簡(jiǎn)單易行，但由于只考慮了高溫下楊氏模量這一變化，而近似地認(rèn)為葉片振幅相同時(shí)高溫下應(yīng)變與室溫應(yīng)變相同，這導(dǎo)致了替換法存在一定局限性。實(shí)際上，葉片處于高溫狀態(tài)時(shí)，不僅楊氏模量和泊松比發(fā)生了變化，而且熱膨脹、殘余應(yīng)力、共振頻率等諸多因素均會(huì)對(duì)渦輪葉片疲勞結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)影響，本文的結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。為此，建議在對(duì)結(jié)果可靠性要求高的渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，采用直接法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量和標(biāo)定。

此外，本文研究的對(duì)象是渦輪葉片，對(duì)于葉片試驗(yàn)而言，通常難以達(dá)到材料級(jí)試驗(yàn)的樣本數(shù)水平，這不僅因?yàn)槿~片本身成本較高，更是由于葉片試驗(yàn)特別是高溫葉片試驗(yàn)技術(shù)難度大，測(cè)試成本高。本試驗(yàn)研究在僅獲取6 個(gè)配對(duì)子樣數(shù)的前提下，使得結(jié)果滿(mǎn)足置信度為90%、誤差限度為5%的可靠性要求，充分說(shuō)明本研究采用的葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性良好。需指出的是，在當(dāng)前結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)單側(cè)容限系數(shù)方法[10]，可得到滿(mǎn)足95%置信度的中值疲勞極限下限值為250.4 MPa，進(jìn)一步滿(mǎn)足了更高統(tǒng)計(jì)可靠性的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)需求，建立了完善的高溫振動(dòng)疲勞性能試驗(yàn)系統(tǒng)，并開(kāi)展了高溫渦輪葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)及相關(guān)驗(yàn)證研究，主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)比研究了直接法與替換法對(duì)高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果的影響，且表明兩者結(jié)果存在明顯差異；

(2) 利用直接法完成了渦輪葉片高溫標(biāo)定試驗(yàn)，并進(jìn)一步開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片800℃高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，通過(guò)升降法獲取了渦輪葉片中值疲勞極限，結(jié)果滿(mǎn)足置信度為90%、誤差限度為5%的可靠性要求。