CN102564881B - 钛合金防粘连效果模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金防粘连效果模拟测试装置，所述装置包括：针对叶轮端齿的模拟件，压力机，高温疲劳试验机和计算机数据采集系统；利用压力机和高温疲劳试验机，沿该结构的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态；由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。该测试装置基于常见的实验室检测设备进行钛合金防粘连效果模拟测试，不仅能模拟出被测钛合金接触件在高温重载下的防粘连效果和微动磨损效果，而且能方便调整试验参数，模拟不同工况。

Description

钛合金防粘连效果模拟测试装置

技术领域

本发明涉及钛合金性能测试技术领域，尤其涉及一种钛合金防粘连效果模拟测试装置。

背景技术

目前，钛合金由于重量轻强度好，广泛用于航空工业中。但钛合金具有热粘塑性，在400-500℃的临界服役温度及交变重载荷挤压的复合作用下，会同与之配合的其他金属件发生压应力粘连以及微动磨损，对设备安全运转造成严重危害，所以在钛合金部件上机前对其进行性能测试就非常有必要。钛合金的高温重载荷防黏着实验的测试方法是模拟实际工况中钛合金部件同与之配合的金属部件间相啮合接触面的工作状态，在进行试验方案设计时，必须考虑预加载荷的方式、工作温度场的模拟方法及检测方法等。

现有技术方案中，常用的模拟和评价航空发动机等大型设备中承受交变重压载荷的钛合金部件与其配合件间在高温服役状态下的防粘连效果可以采用台架试验的方法。台驾疲劳实验主要靠电磁激振或液压加载方式，模拟横向振动载荷、拉伸载荷或振动载荷等，这种方法虽能直观的对配合件间的抗粘连和抗微动磨损性能的好坏进行评判，但其成本高昂，工况复杂，难以进行控制条件下的模拟失效环境试验，导致在试车或实际应用过程中经常出现各类事故，事故原因得不到有效评价。

另一种方法为静态正压力粘连实验，具体是将不同金属材料的实验板水平叠放，垂直于实验板施加大额定值重载荷，经特定时间后，考察两实验板间粘连及原子互相渗透、扩散的实验效果。这种实验方式下温度多为室温，压力载荷是固定的正压力，不能实现高温且交变重载下微动效果的模拟，而钛合金部件及其配合件在实际工作时的温度和受力状态多是变化的，结合面之间往往存在法向压力外，还会因离心力、气动力、热载荷、机动惯性力与陀螺力矩等载荷的联合作用而引起附加载荷的变化，由此引发相贴合面出现的微小幅值滑动，现有的单一静态正压力粘连实验无法将结合面所受的应力变化模拟出来，使得测试效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金防粘连效果模拟测试装置，该测试装置基于常见的实验室检测设备进行钛合金防粘连效果模拟测试，不仅能模拟出被测钛合金接触件在高温重载下的防粘连效果和微动磨损效果，而且能方便调整试验参数，模拟不同工况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钛合金防粘连效果模拟测试装置，所述装置包括：针对叶轮端齿的模拟件，压力机，高温疲劳试验机和计算机数据采集系统，其中：

所述针对叶轮端齿的模拟件由高温合金材质的圆柱套孔和钛合金材质的锥型配合件的锥套型结构组成；

利用压力机或高温疲劳试验机，沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态；

由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

所述沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态，具体包括：

将待测试钛合金部件放在压力机，在由上、下组模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；

调节压力机垂直于轴线施加预设的预应力，所述预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得。

所述沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态，具体包括：

将待测试钛合金部件放在高温疲劳试验机上，在由上、下组模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；

样品组装于高温腔内，根据预设的交变力参数垂直于轴线施加交变预应力，所述交变预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得。

所述由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况，具体包括：

压力值经压力传感器被所述计算机数据采集系统采集，在预应力稳定施加的情况下用刚性螺栓固定上下模具的四周以维持加载力，螺栓固紧后卸载所述压力机压力，得到加载预应力的测试系统组件；

将所述测试系统组件置于高温炉中沿预定曲线升温、持温和降温，再将测试系统组件取出，卸载所有固定螺栓，取出锥套结构试样，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

所述由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况，具体包括：

压力值经压力传感器被计算机数据采集系统采集，在交变预应力施加的情况下，沿预定曲线升温、持温和降温，再将测试系统组件取出，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述装置包括：针对叶轮端齿的模拟件，压力机，高温疲劳试验机和计算机数据采集系统；利用压力机和高温疲劳试验机，沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态；由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。该测试装置基于常见的实验室检测设备进行钛合金防粘连效果模拟测试，不仅能模拟出被测钛合金接触件在高温重载下的防粘连效果和微动磨损效果，而且能方便调整试验参数，模拟不同工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供钛合金防粘连效果模拟测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所举出的具体实施例对模拟件施加载荷的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例设计了高温静态定载荷和高温动态交变载荷两种载荷加载测试方式，通过对两种方法组合应用，较好地实现了对高温交变重载下钛合金粘连失效和微动磨损失效的模拟。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供钛合金防粘连效果模拟测试装置的结构示意图，所述装置包括：针对叶轮端齿的模拟件，压力机，高温疲劳试验机和计算机数据采集系统，其中：

所述针对叶轮端齿的模拟件结构由高温合金材质的圆柱套孔(内孔含倾斜接触面)和钛合金材质的锥型配合件(外斜面为接触面)的锥套型结构组成。

在具体实施中，此种结构加工方便，在较大的压力下，配合较紧，如对之沿轴向长时间持较大压力，轴孔配合表面易产生类似于叶轮断齿工作状态下的粘连和微动磨损效果，长时间的高温高压下，配合件倾向于粘连，拆换较困难，需用拔轮器或锤击拆卸；两配合件为同心圆柱结构，优点是可自动定心，能消除锥轴与轴套间的径向间隙，可兼作轴向固定，能承受冲击载荷，装拆较方便，便于试验。

利用压力机或高温疲劳试验机，沿该结构的轴向施加不同的载荷，即在高温、重载荷试验条件下，将高温静态定载荷和高温动态交变载荷两种方法进行组合应用，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态。这一过程具体来说包含两种方式：

1)沿该结构的轴向施加高温静态定载荷，模拟出待测试钛合金部件在预设高温和预设高温静态定载荷作用下的端齿面静态受力状态。具体先把待测试钛合金部件放在压力机，在由上、下组模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；

再调节压力机垂直于轴线施加预设的预应力，所述预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得。

2)沿该结构的轴向施加高温动态交变载荷，模拟出待测试钛合金部件在预设高温和高温动态交变载荷作用下的端齿面受力状态。具体先将待测试钛合金部件放在高温疲劳试验机上，在由上、下组模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；

样品组装于高温腔内，根据预设的交变力参数垂直于轴线施加交变预应力，所述交变预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得。

在模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态之后，进一步再由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

在具体实现过程中：若采用方式1)，沿轴向施加高温静态定载荷，则该压力值经压力传感器被所述计算机数据采集系统采集，在预应力稳定施加的情况下用刚性螺栓固定上下模具的四周以维持加载力，螺栓固紧后卸载所述压力机压力，得到加载预应力的测试系统组件；

将所述测试系统组件置于高温炉中沿预定曲线升温、持温和降温，再将测试系统组件取出，卸载所有固定螺栓，取出锥套结构试样，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

若采用方式2)，沿轴向施加高温动态交变载荷，则该压力值经压力传感器被计算机数据采集系统采集，在交变预应力施加的情况下，沿预定曲线升温、持温和降温，再将测试系统组件取出，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

进一步的，还可以综合方式1)与2)的考核结果，综合评价钛合金部件在模拟温度和载荷条件下的抗粘连和微动磨损性能。举例来说，如图2所示为本发明实施例所举出的具体实施例对模拟件施加载荷的结构示意图，图2中：1为高温炉体；2为固定模拟样块的卡具；3为模拟样块(本实例中为TC11钛合金试样)；4为加热电偶，具体来说：

按照上述钛合金防粘连效果模拟测试装置进行测试，首先进行高温静态定载荷实验，TC11钛合金试样在经过500℃下50小时和常温450小时的10T静压力实验后，同与之配合的高温合金间出现了黏着现象，无法徒手将其分开；而在接触面制备了某涂层的TC11钛合金试样在同样地温度载荷条件下则表现出与良好的抗黏着性能。

然后再进行高温动态交变载荷实验，采用了Instron8801液压伺服疲劳试验机。试验条件为：温度500℃，最高压力载荷2500kg，最低压力载荷1500kg，交变载荷，试验时间60小时，分别对有涂层和无涂层的两套试验件进行试验。试验结果显示：无涂层的钛合金接触表面与高温合金表面产生了严重的粘连现象，钛合金试验件和高温合金牢固地粘连在一起，不易分开；而在接触面制备了某涂层的TC11钛合金试样的接触面依然连续、平整，保持原有的浅灰金属色，无破损或裂纹。

综合上述高温静态定载荷实验和动态交变载荷实验的结果，表明TC11钛合金在实验条件下具有粘连失效的倾向，而所制备膜层对钛合金具有较好的抗高温、重载荷黏着防护作用。该结论被随后进行的接触面的显微形貌分析所证实。

由此可见，本发明实施例所提供的钛合金防粘连效果模拟测试装置能够很好的完成在高温静态定载荷和高温动态交变载荷下的实验，不仅能模拟出被测钛合金接触件在高温重载下的防粘连效果和微动磨损效果，而且能方便调整试验参数，模拟不同工况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种钛合金防粘连效果模拟测试装置，其特征在于，所述装置包括：针对叶轮端齿的模拟件，压力机，高温疲劳试验机和计算机数据采集系统，其中：

所述针对叶轮端齿的模拟件由高温合金材质的圆柱套孔和钛合金材质的锥型配合件的锥套型结构组成；

利用压力机或高温疲劳试验机，沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态；

由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况；

其中，所述沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态，具体包括：

将待测试钛合金部件放在压力机，在由上、下模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；调节压力机垂直于所述中心轴线施加预设的预应力，所述预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得；

且所述由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况，具体包括：

压力值经压力传感器被所述计算机数据采集系统采集，在预应力稳定施加的情况下用刚性螺栓固定上下模的四周以维持加载力，螺栓固紧后卸载所述压力机压力，得到加载预应力的测试系统组件；将所述测试系统组件置于高温炉中沿预定曲线升温、持温和降温，再将测试系统组件取出，卸载所有固定螺栓，取出锥套结构试样，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

2.根据权利要求1所述的钛合金防粘连效果模拟测试装置，其特征在于，所述沿该模拟件的轴向施加不同的载荷，模拟待测试钛合金部件在预设高温和不同的载荷条件下的受力状态，还包括：

将待测试钛合金部件放在高温疲劳试验机上，在由上、下模组成的测试模具中夹紧，并使试样的中心轴线与上下模的中心轴线一致；

所述待测试钛合金部件组装于高温腔内，根据预设的交变力参数垂直于所述中心轴线施加交变预应力，所述交变预应力在实验前根据被模拟实际工况测后数据以及所设计的模拟试样结构计算获得。

3.根据权利要求2所述的钛合金防粘连效果模拟测试装置，其特征在于，所述由计算机数据采集系统根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况，还包括：

压力值经压力传感器被计算机数据采集系统采集，在交变预应力施加的情况下，沿预定曲线升温、持温和降温，再将加载了交变预应力的测试系统组件取出，根据所述模拟件返回的受力状态数据，考核待测试钛合金部件和与其接触的配合件间的粘连和微动磨损状况。

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