微動疲勞加載裝置的設(shè)計(jì)及其在典型合金上的應(yīng)用

石 煒，溫衛(wèi)東，崔海濤

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)中葉片與輪盤的榫連接處存在著嚴(yán)重的微動損傷，其中微動疲勞占了很大比例［1－2］，這對發(fā)動機(jī)壽命具有十分重要的影響。微動疲勞會加速構(gòu)件接觸表面及表層裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而大大降低其疲勞壽命，甚至造成災(zāi)難性事故［3－4］。通過對接觸副材料的合理選擇與匹配可有效減緩微動損傷［5］，提高機(jī)械構(gòu)件的使用性能和工作壽命。由于材料本身的性能差異，其微動疲勞特性各不相同，而充分發(fā)揮各種材料的應(yīng)用潛力則需要對其微動疲勞特性進(jìn)行深入分析，因此對不同材料的微動疲勞問題開展研究具有重要的工程和實(shí)際意義。

微動疲勞試驗(yàn)的目的是為了深入認(rèn)識微動問題、探究微動損傷機(jī)理，以及為抗微動疲勞設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支持和參考依據(jù)。Neu［6］對微動疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，在試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和測試方法等方面進(jìn)行了有益探討；Szolwinski等［7］認(rèn)為在微動疲勞試驗(yàn)中，必須要連續(xù)地控制和監(jiān)測對微動損傷起關(guān)鍵作用的參數(shù)。然而迄今為止，研究者在針對各自的研究對象進(jìn)行微動疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)時，沒有統(tǒng)一的規(guī)范和試驗(yàn)設(shè)備及測試方法。另外，國內(nèi)外對各向異性材料微動疲勞的研究較為少見，針對國產(chǎn)各向異性單晶高溫合金DD3和粉末高溫合金DZ125開展微動疲勞研究具有較大的挑戰(zhàn)性和重要意義。因此，作者設(shè)計(jì)和制造了一套采用液壓加載方式來實(shí)現(xiàn)施加微動疲勞法向載荷的試驗(yàn)裝置，通過選取不同組合的法向、軸向載荷對航空發(fā)動機(jī)榫連接結(jié)構(gòu)常用的三種不同材料配對（鈦合金TC11與TC11、單晶高溫合金DD3與粉末高溫合金FGH95以及定向凝固高溫合金DZ125與FGH95）進(jìn)行微動疲勞試驗(yàn)，并對TC11、DD3和DZ125材料微動疲勞失效的基本特征進(jìn)行了研究。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用單卡頭式［6－8］接觸形式在SDS50型全數(shù)字電液伺服動靜萬能試驗(yàn)機(jī)上搭建和設(shè)計(jì)微動疲勞橫向加載裝置試驗(yàn)平臺，由于液壓加載穩(wěn)定性好，所提供的加載作用力范圍大，而且不易受外界因素干擾，因此采用四根光桿連接兩個液壓缸來實(shí)現(xiàn)法向載荷的加載，橫向加載裝置的示意如圖1所示。

圖1 微動疲勞試驗(yàn)橫向加載裝置示意Fig.1 Loading scheme of fretting fatigue test apparatus

將微動試樣夾緊在SDS50型疲勞試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭內(nèi)，其所受軸向載荷由疲勞試驗(yàn)機(jī)提供。微動墊對稱布置在試樣左右兩側(cè)，其所受法向載荷由液壓缸內(nèi)的液壓油提供。兩側(cè)的液壓缸水平布置在底板上，底板與液壓缸整體構(gòu)成了橫向加載裝置。底板左右外緣布置有通孔，方便角鐵與疲勞試驗(yàn)機(jī)的左右立柱相連。橫向加載裝置與疲勞試驗(yàn)機(jī)一起構(gòu)成了微動疲勞試驗(yàn)裝置。

當(dāng)左側(cè)（右側(cè)）液壓缸內(nèi)充滿液壓油時將推動活塞桿向右（向左）運(yùn)動，頂緊夾持器底座和蓋板構(gòu)成的滑腔內(nèi)部的微動墊夾持器向右（向左）運(yùn)動，直至微動墊壓緊在試樣的左右兩側(cè)。由于作用力與反作用力的影響，左側(cè)液壓缸將受到向左的水平推力作用，右側(cè)液壓缸則受到向右的水平推力作用。為使疲勞試驗(yàn)機(jī)不受水平方向作用力的影響，采用4根拉桿將兩個液壓缸的法蘭通過螺栓直接相連，液壓缸、法蘭、活塞桿以及拉桿整體形成一個封閉的力系框架結(jié)構(gòu)。因此，整個封閉力系框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩側(cè)液壓缸受到的水平推力將被4根拉桿分擔(dān)掉，每根拉桿兩端受到大小相等的水平拉力作用而保持平衡狀態(tài)，保證了液壓缸所提供的法向載荷穩(wěn)定地施加在微動墊上。

試驗(yàn)用微動試樣（TC11、DD3和DZ125合金）和微動墊（TC11和FGH95合金）均采用線切割加工，其中DD3和DZ125合金試樣（化學(xué)成分見文獻(xiàn)［10］，采用鑄造工藝制得）的軸向沿晶體的生長方向，微動試樣和微動墊的性能參數(shù)見航空材料手冊［9－11］。試樣采用被廣大微動疲勞研究者所接受的“狗骨頭”形狀的試樣［12－13］，微動墊則采用兩端帶圓弧的光滑平壓頭，它們的幾何尺寸如圖2所示。另外軸向載荷的應(yīng)力比R＝0.1，并且每種試樣在相同工況下的有效試驗(yàn)根數(shù)均不少于3根。

圖2 微動試樣及微動墊的幾何尺寸Fig.2 Size of fretting sample（a）and fretting pad（b）

微動疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，使用KH-7700型數(shù)字式三維視頻顯微鏡觀察斷口形貌，微動試樣水平放置，將裂紋萌生區(qū)域（即微動試樣與微動墊的接觸表面）置于觀測平面的最下方，對微動損傷區(qū)域進(jìn)行觀察，并從下向上按微動疲勞源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的順序觀察相應(yīng)區(qū)域的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微動疲勞壽命

三種材料分別選取5種相同的載荷配對方案進(jìn)行微動疲勞試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每種工況下微動疲勞裂紋均萌生在微動墊和微動試樣的接觸區(qū)域，并且在微動試樣斷口上目視可見與典型普通疲勞斷口相同的貝紋線，這說明微動疲勞現(xiàn)象在自行設(shè)計(jì)研發(fā)的微動疲勞試驗(yàn)裝置上得以復(fù)現(xiàn)，說明該裝置性能良好，并且試樣在法向應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力的共同作用下發(fā)生了微動，微動的存在降低了其疲勞性能。TC11、DD3和DZ125合金微動試樣的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三種材料在不同工況下的微動疲勞壽命Tab.1 Fretting fatigue life of three kinds of materials under differnet conditions

圖3 TC11微動試樣的斷口形貌Fig.3 Fracture of TC11fretting fatigue sample

由表1可以看出：1）軸向載荷是三種材料微動疲勞壽命最主要的影響因素，即在相同的法

向載荷作用下，隨著軸向載荷的增大，微動疲勞壽命降低，這說明疲勞載荷引起了接觸表面間的滑移，最終導(dǎo)致微動損傷；2）在相同的軸向載荷作用下，法向載荷對三種材料微動疲勞壽命的影響不如軸向載荷的明顯，這與微動過程中微動損傷的加劇或減緩難以分析有關(guān)；3）從整體來看，DD3和DZ125合金沿晶體生長方向的抗微動疲勞性能優(yōu)于TC11合金的；4）在相同的工況下，TC11合金的微動疲勞壽命最短，DD3合金和DZ125合金的微動疲勞壽命均高于TC11合金的，這說明與各向同性材料相比較，各向異性材料的微動損傷較??；5）在3種工況下，DZ125合金的微動疲勞壽命高于DD3合金的；6）工況C下DD3合金的微動疲勞壽命最長，為127 724周次；7）工況D下TC11合金的微動疲勞壽命最短，為12 856周次。

2.2 斷口形貌

由圖3可見，TC11合金試樣上的一系列疲勞條紋與接觸表面大致呈60°角。為便于觀察，沿水平方向拍攝斷口的整體形貌，并將微動疲勞裂紋萌生區(qū)域置于右側(cè)。DD3和DZ125合金試樣斷口形貌的處理方式與TC11的相同。

TC11、DD3和DZ125合金試樣的微動疲勞裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)以及整體形貌如圖4～6所示，其中圖6所示試樣的截面尺寸為20mm×5mm。

從三種合金試樣的斷口形貌來看，有以下相同點(diǎn)：1）微動疲勞裂紋均萌生于試樣與微動墊的接觸區(qū)域，并且接觸表面有磨損，目視可見貝紋線，說明材料發(fā)生了疲勞斷裂；2）裂紋萌生區(qū)均較小，顏色較暗，可見典型的黑色微動斑，說明表面有氧化物形成，并且接觸區(qū)域的溫度曾經(jīng)顯著升高，使材料發(fā)生了軟化或重新結(jié)晶，影響了隨后的微動損傷過程；3）由于磨損的作用，裂紋萌生區(qū)附近均可見微動斑和磨屑生成，接觸面間有磨屑起作用說明微動疲勞造成了材料的失效；4）斷口的整體形貌上均可見多個疲勞源，且往往成線狀，是典型的疲勞裂紋特征。不同點(diǎn)：1）TC11和DD3合金試樣的整個斷面參差不齊，而DZ125合金試樣的整個斷面較為平整；2）TC11，DD3，DZ125合金試樣的疲勞條紋與接觸表面分別約呈60°，45°，90°角。這兩個不同點(diǎn)主要與材料特性有關(guān)。

圖4 不同合金試樣微動疲勞裂紋萌生區(qū)的形貌Fig.4 Morphology of fretting fatigue crack initiation region of different alloy samples

圖5 不同合金試樣微動疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌Fig.5 Morphology of fretting fatigue crack propagation region of differnt alloy samples

3 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了一套微動疲勞加載裝置，選用液壓加載實(shí)現(xiàn)了法向載荷的施加，并且完成了TC11、DD3和DZ125合金試樣的微動疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)裝置性能良好。

（2）在法向應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力的共同作用下，三種材料的微動疲勞裂紋均出現(xiàn)在試樣與微動墊的接觸區(qū)域。

（3）微動疲勞裂紋萌生區(qū)域表面有微動斑和磨屑生成，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見大量細(xì)小的、相互平行的并且與接觸表面大致呈一定角度的一系列疲勞條紋，以及不同的斷面特征，說明微動疲勞引起了不同程度的微動損傷，進(jìn)而造成失效。

（4）在相同的試樣幾何尺寸、表面加工狀況以及載荷條件下，沿晶體生長方向上的各向異性材料DD3和DZ125合金的微動疲勞壽命要比各向同性材料TC11合金的高。

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