軸向和法向應(yīng)力對DD3和DZ125鎳基合金微動(dòng)疲勞性能的影響

石 煒，溫衛(wèi)東，崔海濤

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引 言

微動(dòng)疲勞會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)及部件過早破壞，顯著降低其服役壽命。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的使用性能和工作壽命，目前國內(nèi)外主要采用定向凝固工藝制造定向柱晶和單晶鎳基合金葉片［1-2］，它們的主要材料為單晶高溫鎳基合金DD3和定向結(jié)晶鎳基合金DZ125等各向異性材料。近年來，針對葉片用各向異性材料的研究主要集中在強(qiáng)度分析和普通疲勞壽命的預(yù)測［3-5］上，而較少涉及其微動(dòng)疲勞問題，主要原因一是單晶或定向凝固合金制備困難造成研究材料缺乏，二是材料的各向異性增加了微動(dòng)疲勞研究的難度。由于材料本身性能的差異，會(huì)造成材料微動(dòng)疲勞特性各不相同，而充分發(fā)揮這類先進(jìn)合金的應(yīng)用潛力需要深入研究它們的微動(dòng)疲勞特性。因此，對國產(chǎn)各向異性DD3和DZ125合金的微動(dòng)疲勞性能進(jìn)行研究具有重要意義。

微動(dòng)疲勞會(huì)加速受微動(dòng)作用構(gòu)件接觸表面及表層裂紋的萌生和擴(kuò)展［6-9］，從而大大降低構(gòu)件的疲勞壽命，甚至造成災(zāi)難性事故。由于微動(dòng)的影響因素眾多，在微動(dòng)疲勞研究領(lǐng)域中研究的對象又各不相同，迄今為止國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)微動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置，各國研究者們普遍采用光滑試樣來進(jìn)行微動(dòng)疲勞的實(shí)驗(yàn)室模擬。Szolwinski和Farris［10］認(rèn)為在微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，必須能夠連續(xù)地控制和監(jiān)測對微動(dòng)損傷起關(guān)鍵作用的參數(shù)；Neu［11］對微動(dòng)試驗(yàn)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。

作者選取引起微動(dòng)的外部應(yīng)力——法向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的不同組合進(jìn)行研究，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(dòng)疲勞法向應(yīng)力的試驗(yàn)裝置［12］，將各向異性合金DD3和DZ125分別與粉末高溫合金FGH95配對進(jìn)行微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，分析了法向應(yīng)力和軸向應(yīng)力與微動(dòng)疲勞壽命之間的關(guān)系，并進(jìn)一步研究了它們對等效應(yīng)力、滑移幅值和法向應(yīng)變幅值等微動(dòng)疲勞參數(shù)的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

目前，按照微動(dòng)墊和微動(dòng)試樣的加載裝配方式不同，微動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置可分為橋式、單卡頭式和爪式三類［11，13］，其中單卡頭式試驗(yàn)裝置逐漸成為了微動(dòng)研究的首選，其原理如圖1所示。

參照圖1所示的模擬原理，采用單卡頭式接觸形式在普通疲勞試驗(yàn)機(jī)上搭建和設(shè)計(jì)微動(dòng)疲勞橫向加載裝置試驗(yàn)平臺(tái)，普通疲勞試驗(yàn)機(jī)選用SDS50型全數(shù)字電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)。另外，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(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)法向加載。橫向加載裝置的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 微動(dòng)疲勞試驗(yàn)?zāi)M原理Fig.1 Fretting fatigue test principle

圖2 微動(dòng)疲勞試驗(yàn)橫向加載裝置示意Fig.2 Loading scheme of fretting fatigue test apparatus

微動(dòng)試樣裝夾在疲勞試驗(yàn)機(jī)的裝夾卡槽內(nèi)，兩個(gè)微動(dòng)墊水平布置在微動(dòng)試樣軸線兩側(cè)。微動(dòng)墊裝夾在微動(dòng)墊夾持器內(nèi)，微動(dòng)墊夾持器布置于夾持器底座的滑腔里面。

當(dāng)液壓缸開始工作時(shí)，液壓油將活塞桿推出，使其頂向夾持器底座滑腔內(nèi)的微動(dòng)墊夾持器，從而將微動(dòng)墊壓緊在微動(dòng)試樣表面。微動(dòng)墊、微動(dòng)墊夾持器、夾持器底座、活塞桿和液壓缸均為兩套，對稱布置于微動(dòng)試樣軸線兩側(cè)，并且裝配在橫向加載裝置平臺(tái)的底板上。另外，整塊底板通過前后左右4塊連接角鐵裝配在SDS50型電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)兩側(cè)的立柱上。

微動(dòng)試樣的材料為DD3和DZ125合金，均采用鑄造工藝制得，它們的化學(xué)成分見文獻(xiàn)［14］。微動(dòng)墊的材料為FGH95合金，采用直接熱等靜壓工藝制得，化學(xué)成分見文獻(xiàn)［15］。微動(dòng)試樣和微動(dòng)墊材料的性能數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)［14-15］。微動(dòng)試樣和微動(dòng)墊均采用線切割加工，它們的幾何尺寸如圖3所示，其中微動(dòng)試樣均為“狗骨頭”形狀［16-17］，而且它們的軸向均沿晶體生長方向。針對葉片與盤榫連接結(jié)構(gòu)接觸部位的幾何特性［18］，微動(dòng)墊采用兩端帶圓弧的光滑平壓頭。另外，軸向載荷的應(yīng)力比R＝0.1，加載頻率為10Hz，并且每種微動(dòng)試樣在相同工況下的有效試驗(yàn)根數(shù)均不少于3根。對于和DZ125合金試樣，均選取5種應(yīng)力配對方案（詳見表1）進(jìn)行微動(dòng)疲勞試驗(yàn)。

圖3 微動(dòng)試樣及微動(dòng)墊的幾何尺寸Fig.3 Size of fretting sample（a）and fretting pad（b）

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微動(dòng)試樣的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對微動(dòng)疲勞壽命的影響

從表1可以看出，在相同的法向應(yīng)力作用下，隨著軸向應(yīng)力增大，DD3和DZ125合金的微動(dòng)疲勞壽命均降低。如，在65.45MPa法向應(yīng)力作用下，軸向應(yīng)力由300MPa增大到400MPa時(shí)，DD3和DZ125合金的微動(dòng)疲勞壽命分別降低了44.15%和27.55%；在130.90MPa法向應(yīng)力作用下，軸向應(yīng)力由300MPa增大到400MPa時(shí)，DD3和DZ125合金的微動(dòng)疲勞壽命分別降低了73.92%和56.97%。

表1 不同合金試樣在不同工況下的微動(dòng)疲勞壽命Tab.1 Fretting fatigue life of different alloys samples under different conditions

另由表1可以看出，在300MPa軸向應(yīng)力作用下，隨著法向應(yīng)力增大，DD3合金的微動(dòng)疲勞壽命先增加后降低，而DZ125合金的則先降低后增加。如，法向應(yīng)力由65.45MPa增加到130.90MPa時(shí)，DD3合金的微動(dòng)疲勞壽命增加了46.19%，而DZ125合金則降低45.85%；當(dāng)法向應(yīng)力由130.90MPa增加到229.07MPa時(shí)，DD3合金的微動(dòng)疲勞壽命降低了52.44%，而DZ125合金則增加60.89%。在400MPa軸向應(yīng)力作用下，隨著法向應(yīng)力增大，DD3和DZ125合金的微動(dòng)疲勞壽命均有所降低，如，法向應(yīng)力由65.45MPa增加到130.90MPa，DD3合金的微動(dòng)疲勞壽命降低了13.19%，而DZ125合金則降低了67.84%。

法向應(yīng)力對微動(dòng)疲勞壽命的影響并不是線性的，主要原因是：隨著法向應(yīng)力增大，微動(dòng)摩擦力增大，使得微動(dòng)疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的動(dòng)力增加；但摩擦力只在一定范圍內(nèi)與正壓力成正比，并不隨壓力的增大而無限增大。此外，由于法向應(yīng)力的增大使微動(dòng)滑動(dòng)幅值減小，兩者的作用相互抵消可能使得微動(dòng)疲勞壽命不再繼續(xù)下降。

2.2 對斷口形貌的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在每種工況下，微動(dòng)疲勞裂紋均萌生于微動(dòng)墊和微動(dòng)試樣的接觸區(qū)域，并且在斷口上可見與典型普通疲勞斷口相同的貝紋線。這說明材料在法向應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力的共同作用下發(fā)生了疲勞斷裂，微動(dòng)的存在降低了材料的疲勞性能。法向應(yīng)力和軸向應(yīng)力對斷口形貌的影響規(guī)律不明顯。

從圖4～6可以看出，微動(dòng)疲勞裂紋萌生區(qū)域較小，顏色較暗，可見典型的黑色微動(dòng)斑，說明表面有氧化物形成；微動(dòng)損傷區(qū)的氧化程度高，說明該區(qū)域的溫度曾經(jīng)顯著升高；由于磨損的作用，裂紋萌生區(qū)域附近有金屬掉塊和磨屑生成，說明微動(dòng)疲勞造成了材料失效；微動(dòng)疲勞裂紋整體微觀形貌可見多個(gè)疲勞源點(diǎn)，且往往成線狀，呈典型的疲勞裂紋特征；微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域的顏色較淺，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交角的一系列疲勞條紋，略帶彎曲呈波浪形，向外呈散射狀，并且主裂紋明顯。

DD3和DZ125合金斷口形貌的不同之處在于，DD3合金斷口參差不齊，而DZ125合金的斷口則較為平整；DD3合金疲勞條紋與接觸表面的交角為45°，而DZ125合金的則為90°。

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

圖5 不同合金試樣微動(dòng)裂紋擴(kuò)展區(qū)域的形貌Fig.5 Morphology of fretting fatigue crack propagation region of different alloys samples

圖6 不同合金試樣微動(dòng)疲勞斷口的整體形貌Fig.6 Whole morphology of fretting fatigue fracture of different alloys samples

2.3 對微動(dòng)疲勞參數(shù)的影響

接觸區(qū)應(yīng)力、滑移幅值δ和法向應(yīng)變幅值εa被認(rèn)為是微動(dòng)疲勞的主要影響因素［16］，對圖1所示的微動(dòng)疲勞問題進(jìn)行數(shù)值仿真分析，可求解相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移場。表2給出了DD3和DZ125合金在不同試驗(yàn)工況下接觸區(qū)最大等效應(yīng)力（Von-Mises等效應(yīng)力）σeqv以及δ和εa這三個(gè)微動(dòng)疲勞參數(shù)的計(jì)算值。

表2 不同合金試樣在不同工況下微動(dòng)疲勞參數(shù)的計(jì)算值Tab.2 Calculated values of fretting fatigue parameters of different alloys samples under different conditions

2.3.1 軸向應(yīng)力的影響

由圖7～9可以看出，在相同的法向應(yīng)力作用下，接觸區(qū)最大等效應(yīng)力、滑移幅值和法向應(yīng)變幅值均隨軸向應(yīng)力的增大而增大；此外，在相同軸向應(yīng)力作用下，不同法向應(yīng)力引起的滑移幅值大小相同，這說明軸向應(yīng)力對滑移幅值的變化起決定性作用。

2.3.2 法向應(yīng)力的影響

由圖10～12可以看出，在相同的軸向應(yīng)力作用下，DD3合金接觸區(qū)的最大等效應(yīng)力隨法向應(yīng)力的增大而呈增大的趨勢，增大到一定程度后變化不顯著，而DZ125合金則隨法向應(yīng)力的增大而增大；DD3合金和DZ125合金接觸區(qū)滑移幅值均不受法向應(yīng)力的影響；DD3合金和DZ125合金接觸區(qū)法向應(yīng)變幅值隨著法向應(yīng)力的增大而呈增大的趨勢。

圖7 不同合金試樣在不同法向應(yīng)力作用下軸向應(yīng)力與σeqv的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of axial force and maximum equivalent stress of different alloys samples at different normal stresses

圖8 不同合金試樣在不同法向應(yīng)力作用下軸向應(yīng)力與接觸區(qū)滑移幅值的關(guān)系Fig.8 Relation curves of axial force and slip amplitude of different alloys samples at different normal stresses

圖9 不同合金試樣在不同法向應(yīng)力作用下軸向應(yīng)力與法向應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves of axial force and normal strain amplitude of different alloys samples at different normal stresses

圖10 不同合金試樣在不同軸向應(yīng)力作用下法向應(yīng)力與σeqv的關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves of normal force and Von-Mises equivalent stress of different alloys sample at different axial stresses

圖11 不同合金試樣在不同軸向應(yīng)力作用下法向應(yīng)力與接觸區(qū)滑移幅值的關(guān)系曲線Fig.11 Relation curves of normal force and slip amplitude of different alloys sample at different axial stresses

圖12 不同合金試樣在不同軸向應(yīng)力作用下法向應(yīng)力與法向應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線Fig.12 Relation curves of normal force and normal strain amplitude of different alloys sample at different axial stresses

3 結(jié) 論

（1）各向異性合金DD3和DZ125的微動(dòng)疲勞裂紋均出現(xiàn)在接觸邊緣附近，微動(dòng)的存在降低了材料的疲勞性能。

（2）保持法向應(yīng)力不變，增大軸向應(yīng)力將會(huì)降低合金DD3和DZ125的微動(dòng)疲勞壽命；保持軸向應(yīng)力恒定不變，法向應(yīng)力對微動(dòng)疲勞壽命的影響不如軸向應(yīng)力的顯著。

（3）合金DD3和DZ125接觸區(qū)的最大等效應(yīng)力和法向應(yīng)變幅值受法向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的共同影響，而滑移幅值僅受軸向應(yīng)力的影響。

（4）微動(dòng)疲勞裂紋萌生區(qū)域表面有微動(dòng)斑和磨屑生成，裂紋擴(kuò)展區(qū)域可見大量細(xì)小的、相互平行的并且與接觸表面大致呈一定交角（DD3合金為45°而DZ125合金為90°）的一系列疲勞條紋，說明微動(dòng)疲勞造成了材料的失效。

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