CN114813325A - 一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法 - Google Patents

一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法。夹具上下端分别通过一个圆棒形夹具与疲劳试验机连接，上下圆棒形夹具通过螺纹分别与上下侧夹具连接。榫接结构上侧夹具主要由上夹板、上连板、上夹块和楔形夹块组成，上夹块和楔形夹块之间通过斜面对榫头模拟件上部夹持段进行夹紧；榫接结构下夹具由下夹板、下连板组成，下夹板和榫槽模拟件之间通过方形开口槽连接，下夹板底部开有冷却水孔。本发明避免了燕尾形、销钉夹持造成了复合材料夹持段失效的问题，能够稳定支持复合材料榫接结构室温至1100℃、0N至100kN拉伸载荷的疲劳或静强度试验。

Description

一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验 方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构力学性能评估领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法。
背景技术
航空燃气涡轮发动机的涡轮叶盘连接的榫接结构处于高温、高压、高载荷的恶劣工况条件下，在复杂载荷的交互作用下，榫接部位作为涡轮叶片和涡轮盘连接位置，叠加了接触和磨损等因素，进一步恶化了其工作环境，导致榫接部位极易发生疲劳失效。而涡轮叶片和涡轮盘作为航空发动机的关键结构件一旦破坏后果严重。因此，有必要针对榫接部位的疲劳性能和疲劳寿命的评估技术开展研究。随着材料技术的不断发展，陶瓷基复合材料由于优异的机械性能、耐高温性能，逐渐成为航空航天热端部件理想的下一代候选材料。为加快新材料的工程应用，需在实验室环境中开展工况温度条件下各类强度、疲劳试验探究陶瓷基复合材料榫接部位的强度和疲劳特性。
考虑到复合材料脆性、各向异性以及多相体系等特点，适用于金属的试验夹具及方法存在一定的问题。传统的金属夹具夹持包括摩擦夹持、燕尾形夹持以及销钉夹持等方式。在高温条件下采用疲劳试验机夹头直接进行摩擦夹持可能会损坏试验机；而针对复合材料试件，加工燕尾形或销钉孔都会使得试件夹持段出现纤维断裂或基体富集区，试验时试件极有可能出现断在夹持段的情况，导致试验失败。另一方面，由于陶瓷基复合材料不导电的特性，使得电磁感应线圈的加热方式受到限制。如使用高温炉则不同尺寸的试件需要不同大小的高温炉，且整套夹具都需要采用高温合金材料，大大增加了试验成本。同时，在大载荷条件试验时，榫接结构可能会出现榫槽过度形变导致榫头滑脱的现象。因此，为保证试验的顺利进行、避免以上问题的出现，目前急需设计一种适用于陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构试验的夹具，既能保证试件夹持部位的稳固性，同时能够灵活使用不同加热方式。
针对陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构试验存在以下显著问题：(1)如何确保具有脆性、不能打孔、不能截面突变等特点的复合材料试件夹持的稳固性。(2)如何对不导电的复合材料试件能够视实际情况灵活的采用不同加热方式。(3)如何在大载荷条件下保证榫接结构不发生滑脱。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的试验夹具设计及试验方法。因此，有必要发展一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法，以解决上述问题。
中国发明专利CN201420342894.8公开了一种炭/炭复合材料超高温拉伸性能测试装置，由于炭纤维具有导电性，仍可以采用电感加热。但是由于陶瓷基复合材料的纤维和基体都不导电，因此这种方法不适用于榫接结构疲劳实验的夹具设计。
中国发明专利CN202010271891.X公开了一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法，这种方法采用在夹持段打孔的方式连接试件和夹具，两侧共计10个孔。但是打孔会导致复合材料中纤维发生断裂，出现局部损伤，试件夹持段10处局部损伤很容易使得试件断裂发生在夹持段而非考核部位。
中国发明专利CN201810528413.5公开了一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，采用夹头摩擦夹持的方式固定试件，但是对于复合材料而言，试验机直接摩擦夹持可能会导致试件夹溃，另一方面高温条件下直接夹持试验机据高温区太近，容易损坏试验机。
中国发明专利CN201910892049.5公开了一种榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法，其中通过设计燕尾形的榫头模拟件夹持段实现与夹具的连接，但是对于复合材料，燕尾形设计会使得纤维出现偏折，同时纤维体积分数降低，这都导致了燕尾形部位的强度下降，易出现破坏发生在夹持段的情况。
现有文献“张煜坤,陈勇,唐旭.铺层复合材料风扇叶片榫头元件级静强度试验方法[J/OL].推进技术:1-10[2022-03-02].”以及“康永强,陈勇.铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析[J].航空动力学报,2020,35(02):388-396.”展示了一种通过在试件夹持部位打孔、在试件和夹具之间增加垫块的方式开展复合材料榫接试验，但是如前分析，在试件夹持段打孔的方式极易导致试验失败。
综上，现有技术缺乏适用于陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验的夹具设计方法，而本发明针对上述不导电、夹持段易失效等问题进行了针对性处理，可有效解决复合材料试件的夹持和加热问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法，克服了现有设计导致的复合材料夹持段易失效、电感加热难以应用等问题，提升了夹具的通用性，降低了试验成本。本发明能够用于高温/常温条件下的陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的静强度、低循环疲劳、低周-蠕变、蠕变、热机械疲劳等试验，测试陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的强度或寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，包括：上端夹具、上夹板、夹紧螺栓、上夹块、楔形夹块、上夹板螺栓、上连板、上连板螺栓、加强片、榫头模拟件、下连板螺栓、下连板、榫槽模拟件、下夹板、冷却水孔和下端夹具；所述上端夹具无螺纹的一端圆柱段与疲劳试验机连接，另一端通过外螺纹与上夹板上端的内螺纹连接；所述上夹板下端两侧通过上夹板螺栓与上连板中心螺栓孔相互定位；两个上连板则通过上连板螺栓固定在上夹块两侧；上夹块与楔形夹块之间通过斜面相配合，楔形夹块内侧与加强片相贴合；所述加强片通过胶粘的方式固定在榫头模拟件的夹持段两侧；所述夹紧螺栓从上夹块上方拧入，压紧下方的楔形夹块；榫头模拟件表面设置有耐磨导电涂层，下方与榫槽模拟件相配合，榫槽模拟件外侧与下夹板开口槽配合定位，下夹板和下连板在开口槽上方开口处通过下连板螺栓连接；下夹板下侧内螺纹和下端夹具外螺纹连接，下端夹具另一端圆柱段同疲劳试验机相连；所述下夹板通过底部两侧的冷却水孔通入冷却液进行冷却；开展高温疲劳试验时，针对涡轮叶盘榫接结构采用电磁感应线圈或高温炉进行加热。
进一步地，所述高温最高达1100℃，最大载荷为100kN；所述疲劳试验包括静强度、低循环疲劳、蠕变-疲劳、蠕变或热机械加载方式；所述榫头模拟件是SiC/SiC、SiO2/SiC、Al2O3/SiC等陶瓷基复合材料的其中一种，所述榫槽模拟件是GH4169、GH4720Li等高温合金或TC4、TC11等钛合金的其中一种。
进一步地，所述疲劳试验夹具上侧的载荷传递路线为上端夹具通过螺纹传向上夹板，螺纹受轴向力；上夹板传给上连板、上连板传向上夹块，螺纹均受剪切力；上夹块通过斜面传给楔形夹块，楔形夹块通过摩擦力传给榫头模拟件。
进一步地，所述榫头模拟件的摩擦夹持通过上方两个夹紧螺栓确保不发生试件滑落；所述上夹块与楔形夹块通过斜面在加载时形成对楔形夹块内侧的夹紧力，楔形夹块内侧作用于榫头模拟件夹持段两侧的加强片上，加强片表面加工有滚花以增加摩擦力；两侧的上连板控制上夹块、楔形夹块和榫头模拟件不发生横向位移；所述上夹块上端的两个夹紧螺栓沿轴向向下旋入，与楔形夹块接触，即在夹具装配时增加楔形夹块对榫头模拟件的横向夹紧力，避免出现试件滑脱的现象。
进一步地，所述下夹板、下连板的材料为铸造高温合金、单晶高温合金或粉末高温合金的其中一种，能够承受最高1100℃的高温，从而具备模拟陶瓷基涡轮叶盘榫接结构真实工况下的载荷条件。
进一步地，所述下夹板底部两侧开有两个冷却水孔，通过外接水管使冷却水流过下夹板内部对夹具进行冷却，降低下夹板的使用温度。
进一步地，在其表面镀有所述耐磨导电涂层在所述榫头模拟件加工完成后附着在其表面；所述涂层由润滑层和耐磨层组成，润滑层由金、银以及硼硅酸盐等材料及其化合物中的一种或几种组成；耐磨层由镍、钴、铂和铑及其氧化物中的一种或几种组成；所述涂层通过电镀、溅射、物理或化学气相沉积的方式附着于复合材料的榫头模拟件表面，同时在采用电感线圈加热时，所述涂层的导电性能够通过热传导方式加热榫头模拟件，使得复合材料的榫头模拟件均匀受热。
进一步地，所述下夹板采用开口槽为防止榫槽模拟件过度形变导致榫头模拟件从中脱出，同时也便于夹具的组装。
本发明还公开一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：疲劳试验夹具组装：首先用胶粘剂将加强片粘贴在榫头模拟件夹持段两侧，并静置足够长时间保证粘合效果；上夹板上方通过螺纹连接上端夹具；将上夹块和楔形夹块正确配合，楔形夹块内侧夹住加强片，随后在上夹板上侧旋入夹紧螺栓压紧楔形夹块；用上连板螺栓保证上连板和上夹块同心，再用上夹板螺栓将上连板和上夹板连接；用疲劳试验机上夹头夹紧上端夹具；将榫头模拟件和榫槽模拟件连接、下夹板与下端夹具连接，随后将榫槽模拟件卡入下夹板中间，并用下连板螺栓将下连板固定在下夹板两侧，将下侧夹具组装完成，随后电感线圈套在榫接部位并调节形状使榫接部位均匀受热或或使用高温炉进行加热，在冷却水孔处连接外侧冷却水；用疲劳机下夹头夹紧下端夹具的圆柱段以完成组装；
步骤2：根据陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的真实工作载荷设置疲劳试验加载条件；选取榫头模拟件和榫槽模拟件考核部位截面处的若干测点，粘贴应变片和热电偶；打开外侧冷却水开关，检查通路水密性；将套在榫接部位处的电感线圈与高频炉连接或使用高温炉进行加热，设置温度并调节电感线圈与考核部位的相对位置，通过热电偶读数确保温度场符合陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的工况温度场；
步骤3：在完成步骤2后进行陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构试验，设置载荷控制器利用疲劳试验机施加相应的载荷条件，同时，设置温度控制器升温，并根据热电偶测量得到的实际温度进行校正，直至考核部位实际温度达到目标温度；通过载荷控制器、温度控制器协同控制，将机械载荷和温度载荷同步施加于考核部位处，当考核部位达到规定循环次数或者发生失效时，试验结束。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明中针对陶瓷基复合材料榫头模拟件采用楔形夹块设计的摩擦夹持，避免了现有设计中采用燕尾形、销钉夹持导致的试件夹持段易失效现象，同时也避免了疲劳试验机直接夹持出现试验机损坏的情况。
(2)本发明中针对陶瓷基复合材料设计了创新性的兼备导电性和耐磨性的涂层。由于复合材料榫头模拟件在加载过程中与金属榫槽模拟件不断接触摩擦，易出现磨损。因此通过电镀涂层工艺保护榫头表面，提高其疲劳寿命；另一方面，考虑到陶瓷基复合材料由于不导电而难以应用电感加热、而采用高温炉加热往往受其尺寸限制且夹具加工成本较高，因此涂层良好的导电性能够使用灵活的电磁线圈通过热传导给榫头模拟件加热，使其均匀受热。
(3)本发明相比于现有榫接结构夹具设计稳固性更好：采用了夹紧螺栓为夹紧试件提供压紧力，保证试件不会滑脱，同时压紧力可调；采用开口槽方式固定榫槽模拟件，保证大载荷条件下榫槽模拟件不会过度形变导致榫头模拟件滑脱。
(4)本发明的设计相比现有设计降低了夹具中高温合金的使用量，同时提高了通用性。采用电感加热时，仅下连板、下连板螺栓和下夹板需要使用高温合金。同时，在对不同尺寸的榫头模拟件开展试验时，只需要更换适配的榫槽模拟件即可，其余零件均可以通用。
综上，本发明相比于现有技术，将提出一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具设计及试验方法。这种方法克服了现有设计中采用燕尾形、销钉夹持容易出现试件夹持段失效的问题，同时针对复合材料的电感加热创新性的提出了导电涂层的方法。在夹具的稳固性、通用性和成本控制上，均相比现有技术大幅提高，为陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构强度和疲劳性能的探究奠定坚实的试验基础。
附图说明
图1为本发明陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具示意图；
图2为本发明陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具爆炸图；
图3为本发明陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具下侧榫接结构处示意图。
具体实施方式
下面将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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的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。
本发明提供一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具及试验方法。本发明的实施例采用SiC/SiC、CVI工艺制造榫头模拟件10，GH4720Li制造的榫槽模拟件13；试验载荷为35kN，低循环疲劳试验应力比0.1，试验温度为650℃。采用电磁感应线圈对榫头模拟件10和榫槽模拟件13的连接处进行加热。
如图1-2所示，本发明的陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具包括上端夹具1、上夹板2、夹紧螺栓3、上夹块4、楔形夹块5、上夹板螺栓6、上连板7、上连板螺栓8、加强片9、榫头模拟件10、下连板螺栓11、下连板12、榫槽模拟件13、下夹板14、冷却水孔15和下端夹具16。其中，所述下连板12、下连板螺栓11、下夹板14采用高温合金制造，其余采用钛合金或不锈钢加工即可。所述上端夹具1无螺纹的一端圆柱段与疲劳试验机相连，另一端通过外螺纹与上夹板2上端的内螺纹连接；上夹板2下端两侧通过上夹板螺栓6与上连板7中心螺栓孔相互定位；两个上连板7则通过上连板螺栓8固定在上夹块4两侧；上夹块4与楔形夹块5之间通过斜面相配合，楔形夹块5内侧则与加强片9相贴合；加强片9通过胶粘的方式固定在榫头模拟件10的夹持段两侧；夹紧螺栓3从上夹块2上方拧入，与下方的楔形夹块5接触；榫头模拟件10表面镀有导电涂层，下方与榫槽模拟件13相配合，榫槽模拟件1外侧与下夹板14的开口槽配合定位，下夹板14和下连板12在开口槽上方开口处通过下连板螺栓11连接；下夹14下侧内螺纹和下端夹具16外螺纹连接，下端夹具16另一端圆柱段同疲劳试验机相连。下夹板14通过底部两侧的冷却水孔15通入冷却液进行冷却，降低下夹板14的使用温度，从而延长夹具使用寿命，降低试验成本。开展高温疲劳试验时可针对涡轮叶盘榫接结构采用电磁感应线圈和高温炉进行加热。
所述高温最高可达1100℃，最大载荷为100kN。所述试验包括静强度、低循环疲劳、蠕变-疲劳、蠕变、热机械等加载方式；所述榫头模拟件10可以是SiC/SiC、SiO2/SiC、Al2O3/SiC等陶瓷基复合材料的其中一种，所述榫槽模拟件10可以是GH4169、GH4720Li等高温合金或TC4、TC11等钛合金的其中一种。
所述下夹板14、下连板12的材料为铸造高温合金、单晶高温合金或粉末高温合金的其中一种，能够承受最高1100℃的高温，从而具备模拟陶瓷基涡轮叶盘榫接结构真实工况下的载荷条件。
所述榫头模拟件10在加工完成后，在其表面喷涂有耐磨导电涂层。所述涂层由润滑层和耐磨层组成，润滑层可由金、银以及硼硅酸盐等材料及其化合物中的一种或几种组成；耐磨层可由镍、钴、铂和铑及其氧化物中的一种或几种组成。所述涂层通过电镀、溅射、物理或化学气相沉积的方式附着于复合材料的榫头模拟件10表面，尽可能减少榫头榫槽的磨损，同时所述涂层的导电性能够使得复合材料的榫头模拟件10均匀受热。
所述试验夹具组装包括：首先用胶粘剂将加强片9粘贴在榫头模拟件10夹持段两侧，并静置足够长时间保证粘合效果，在本次试验中采用AB胶，粘贴后静置24小时；上夹板2上方通过螺纹连接上端夹具1。将上夹块4和楔形夹块5正确配合，楔形夹块5内侧夹住加强片9，随后在上夹板2上侧旋入夹紧螺栓3压紧楔形夹块5，通过调节夹紧螺栓3旋入的长度来控制对试件的压紧力；用上连板螺栓8保证上连板7和上夹块4同心，再用上夹板螺栓6将上连板7和上夹板2连接。用疲劳试验机上夹头夹紧上端夹具1。将榫头模拟件10和榫槽模拟件13连接、下夹板14与下端夹具16连接，随后将榫槽模拟件13卡入下夹板14中间，并用下连板螺栓11将下连板12固定在下夹板14两侧，将下侧夹具组装完成。随后电感线圈套在榫接部位并调节形状使榫接部位均匀受热，在冷却水孔15处连接冷却水。确保各配合面接触良好、螺栓连接稳固，检查无误后用疲劳机下夹头夹紧下端夹具16的圆柱段，夹具组装完成。
在夹具装配时，上夹块4与楔形夹块5通过斜面在加载时形成对楔形夹块5内侧的夹紧力，楔形夹块5内侧作用于榫头模拟件10夹持段两侧的加强片9上，加强片9表面加工有滚花，增加摩擦力。两侧上连板7控制上夹块4、楔形夹块5和榫头模拟件10不发生横向位移。上夹块4上端的两个夹紧螺栓3沿轴向向下旋入，与楔形夹块5接触，即在夹具装配时增加楔形夹块5对榫头模拟件10的横向夹紧力，避免出现试件滑脱的现象。所述下夹板14采用开口槽的目的为防止榫槽模拟件13过度形变导致榫头模拟件10从中脱出，同时也便于夹具的组装。下连板12与下夹板14的连接方式为：在下夹板14开口槽上方两侧通过下连板螺栓11连接，固定下夹板14防止其过度变形。如图3所示，在开口槽上方连接的目的是露出下方榫接部位，以便于在疲劳试验过程中对其开展进一步的细观观测、非接触式测量试验。提前在试件侧面喷涂散斑，架设CCD相机，配置远心镜头，对加载过程中的变形进行观测，获取榫接结构应变场。
所述试验夹具上侧的载荷传递路线为上端夹具1通过螺纹传向上夹板2，螺纹受轴向力；上夹板2传给上连板7、上连板7传向上夹块4，螺纹均受剪切力；上夹块4通过斜面传给楔形夹块5，楔形夹块5通过摩擦力传给榫头模拟件10。这样使得疲劳试验机夹头远离榫接结构加热部位、避免高温损坏试验机；同时对试验件实现摩擦夹持，避免燕尾形夹持、销钉打孔等夹持方式因夹持段发生失效而导致试验失败的情况。
所述榫头模拟件10的摩擦夹持通过上方两个夹紧螺栓3确保不发生试件滑落。具体夹持方法为：上夹块4与楔形夹块5通过斜面在加载时形成对楔形夹块5内侧的夹紧力，楔形夹块5内侧作用于榫头模拟件10夹持段两侧的加强片9上，加强片9表面加工有滚花，增加摩擦力。两侧上连板2控制上夹块4、楔形夹块5和榫头模拟件10不发生横向位移。上夹块2上端的两个夹紧螺栓3沿轴向向下旋入，与楔形夹块5接触，即在夹具装配时增加楔形夹块5对榫头模拟件10的横向夹紧力，避免出现试件滑脱的现象。
所述下夹板14采用开口槽的目的为防止榫槽模拟件13过度形变导致榫头模拟件10从中脱出，同时也便于夹具的组装。在开口槽上方连接的目的是露出下方榫接部位，便于在疲劳试验过程中对其开展进一步的细观观测、非接触式测量试验。
根据本发明的陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的真实工作载荷设置试验加载条件。选取榫头模拟件10和榫槽模拟件13考核截面处的若干测点，粘贴应变片和热电偶。打开冷却水开关，检查通路水密性。将套在榫接部位处的电感线圈与高频炉连接，设置温度并调节线圈与榫接部位考核部位的相对位置，通过热电偶读数确保温度场与设定温度场650℃误差小于±2℃。随后，设置载荷控制器利用疲劳试验机施加相应的载荷条件，例如单调拉伸、低循环疲劳、低周-蠕变、蠕变、热机械疲劳等。同时，设置温度控制器升温，并根据热电偶测量得到的实际温度进行校正，直至考核部位实际温度达到目标温度。通过载荷控制器、温度控制器协同控制，将机械载荷和温度载荷同步施加于榫接考核部位处，当榫头模拟件10达到规定循环次数或者发生失效时，试验结束。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：包括上端夹具(1)、上夹板(2)、夹紧螺栓(3)、上夹块(4)、楔形夹块(5)、上夹板螺栓(6)、上连板(7)、上连板螺栓(8)、加强片(9)、榫头模拟件(10)、下连板螺栓(11)、下连板(12)、榫槽模拟件(13)、下夹板(14)、冷却水孔(15)和下端夹具(16)；所述上端夹具(1)无螺纹的一端圆柱段与疲劳试验机连接，另一端通过外螺纹与上夹板(2)上端的内螺纹连接；所述上夹板(2)下端两侧通过上夹板螺栓(6)与上连板(7)中心螺栓孔相互定位；两个上连板(7)则通过上连板螺栓(8)固定在上夹块(4)两侧；上夹块(4)与楔形夹块(5)之间通过斜面相配合，楔形夹块(5)内侧与加强片(9)相贴合；所述加强片(9)通过胶粘的方式固定在榫头模拟件(10)的夹持段两侧；所述夹紧螺栓(3)从上夹块(4)上方拧入，压紧下方的楔形夹块(5)；榫头模拟件(10)表面设置有耐磨导电涂层，下方与榫槽模拟件(13)相配合，榫槽模拟件(13)外侧与下夹板(14)开口槽配合定位，下夹板(14)和下连板(12)在开口槽上方开口处通过下连板螺栓(11)连接；下夹板(14)下侧内螺纹和下端夹具(16)外螺纹连接，下端夹具(16)另一端圆柱段同疲劳试验机相连；所述下夹板(14)通过底部两侧的冷却水孔(15)通入冷却液进行冷却；开展高温疲劳试验时，针对涡轮叶盘榫接结构采用电磁感应线圈或高温炉进行加热。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述高温最高达1100℃，最大载荷为100kN；所述疲劳试验包括静强度、低循环疲劳、蠕变-疲劳、蠕变或热机械加载方式；所述榫头模拟件(10)采用SiC/SiC、SiO2/SiC、Al2O3/SiC等陶瓷基复合材料的其中一种，所述榫槽模拟件(13)采用GH4169、GH4720Li高温合金或TC4、TC11钛合金的其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述疲劳试验夹具上侧的载荷传递路线为上端夹具(1)通过螺纹传向上夹板(2)，螺纹受轴向力；上夹板(2)传给上连板(7)、上连板(7)传向上夹块(4)，螺纹均受剪切力；上夹块(4)通过斜面传给楔形夹块(5)，楔形夹块(5)通过摩擦力传给榫头模拟件(10)。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫头模拟件(10)的摩擦夹持通过上方两个夹紧螺栓(3)确保不发生试件滑落；所述上夹块(4)与楔形夹块(5)通过斜面在加载时形成对楔形夹块(5)内侧的夹紧力，楔形夹块(5)内侧作用于榫头模拟件(10)夹持段两侧的加强片(9)上，加强片(9)表面加工有滚花以增加摩擦力；两侧的上连板(7)控制上夹块(4)、楔形夹块(5)和榫头模拟件(10)不发生横向位移；所述上夹块(4)上端的两个夹紧螺栓(3)沿轴向向下旋入，与楔形夹块(5)接触，即在夹具装配时增加楔形夹块(5)对榫头模拟件(10)的横向夹紧力，避免出现试件滑脱的现象。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹板(14)、下连板(12)的材料为铸造高温合金、单晶高温合金或粉末高温合金的其中一种，能够承受最高1100℃的高温，从而具备模拟陶瓷基涡轮叶盘榫接结构真实工况下的载荷条件。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹板(14)底部两侧开有两个冷却水孔(15)，通过外接水管使冷却水流过下夹板(14)内部对夹具进行冷却，降低下夹板(14)的使用温度。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫头模拟件(10)加工完成后在其表面镀有所述耐磨导电涂层；所述涂层由润滑层和耐磨层组成，润滑层由金、银以及硼硅酸盐及其化合物中的一种或几种组成；耐磨层由镍、钴、铂和铑及其氧化物中的一种或几种组成；所述涂层通过电镀、溅射、物理或化学气相沉积的方式附着于复合材料的榫头模拟件(10)表面，同时在采用电感线圈加热时，所述涂层的导电性能够通过热传导方式加热榫头模拟件(10)，使得复合材料的榫头模拟件(10)均匀受热。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹板(14)采用开口槽为防止榫槽模拟件(13)过度形变导致榫头模拟件(10)从中脱出，同时也便于夹具的组装。
9.根据权利要求1-8之一所述的陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构疲劳试验夹具的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：疲劳试验夹具组装：首先用胶粘剂将加强片(9)粘贴在榫头模拟件(10)夹持段两侧；上夹板(2)上方通过螺纹连接上端夹具(1)；将上夹块(4)和楔形夹块(5)正确配合，楔形夹块(5)内侧夹住加强片(9)，随后在上夹板(2)上侧旋入夹紧螺栓(3)压紧楔形夹块(5)；用上连板螺栓(8)保证上连板(7)和上夹块(4)同心，再用上夹板螺栓(6)将上连板(7)和上夹板(2)连接；用疲劳试验机上夹头夹紧上端夹具(1)；将榫头模拟件(10)和榫槽模拟件(13)连接、下夹板(14)与下端夹具(16)连接，随后将榫槽模拟件(13)卡入下夹板(14)中间，并用下连板螺栓(11)将下连板(12)固定在下夹板(14)两侧，将下侧夹具组装完成，随后电感线圈套在榫接部位并调节形状使榫接部位均匀受热或使用高温炉进行加热，在冷却水孔(15)处连接外侧冷却水；用疲劳机下夹头夹紧下端夹具(16)的圆柱段以完成组装；
步骤2：根据陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的真实工作载荷设置疲劳试验加载条件；选取榫头模拟件(10)和榫槽模拟件(13)考核部位截面处的若干测点，粘贴应变片和热电偶；打开外侧冷却水开关，检查通路水密性；将套在榫接部位处的电感线圈与高频炉连接或使用高温炉进行加热，设置温度并调节电感线圈与考核部位的相对位置，通过热电偶读数确保温度场符合陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构的工况温度场；
步骤3：在完成步骤2后进行陶瓷基复合材料涡轮叶盘榫接结构试验，设置载荷控制器利用疲劳试验机施加相应的载荷条件，同时，设置温度控制器升温，并根据热电偶测量得到的实际温度进行校正，直至考核部位实际温度达到目标温度；通过载荷控制器、温度控制器协同控制，将机械载荷和温度载荷同步施加于考核部位处，当考核部位达到规定循环次数或者发生失效时，试验结束。
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CN117433936A (zh) * 2023-12-19 2024-01-23 中航试金石检测科技(成都)有限公司 一种小试样低周疲劳测试装置

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