[发明专利]一种空心圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料疲劳性能试验设备，尤其是金属材料的单轴高温拉伸/压缩疲劳试验夹具的设计制造领域。

背景技术

航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣(高温、高压、高转速、燃气腐蚀等)，叶片材料承受着交变的机械载荷与热载荷。开展叶片材料在复杂极端工况下的疲劳试验，以研究其疲劳性能，具有十分重要的意义。目前高压涡轮叶片大多为空心气冷叶片，叶片内外壁存在很高的温差，导致叶片在壁厚方向存在着显著的温度梯度。已有研究表明，温度梯度的存在改变了叶片材料的微观结构的损伤机理，使叶片表面提前形成褶皱，产生应力集中，使叶片疲劳损伤加剧。因此十分有必要研究叶片材料在温度梯度下的高温疲劳性能，研究成果可支撑先进航空发动机涡轮叶片的结构强度设计与疲劳寿命预测。

标准空心圆棒试件被美国ASTM E2368-10、ISO 12111：2011等标准推荐作为高温疲劳试验试件。在试件整体加热的同时，在试件内部通冷却气体模拟真实空心气冷涡轮叶片的内部空气冷却，可有效地在试件壁厚方向形成理想的温度梯度。此时对试件进行拉伸/压缩疲劳试验，则可获得叶片材料在温度梯度下的疲劳性能。但对空心圆棒试件的拉伸/压缩疲劳夹具的设计存在两个显著的问题：(1)如何消除试件与夹具的螺纹连接间隙，以开展拉伸/压缩疲劳试验；(2)如何设计冷却气流通道，以冷却试件内部，形成温度梯度。查阅了已有专利文献，并未发现可以能够解决上述两个核心问题的空心圆棒试件高温夹具，因此有必要设计一种适用于空心圆棒试件的高温拉伸/压缩疲劳试验夹具。

实用新型CN 2767993Y设计了一种测试薄壁管材高温拉伸性能的夹具，用于测试薄壁管材(壁厚小于2mm)的全管段试样高温拉伸性能。由于全管段试样的结构与标准空心圆棒试件具有明显差异，导致该专利无法夹持空心圆棒试件。此外，该专利的夹持方案也不能满足施加压缩载荷的需要。

发明专利CN 101358915A设计了一种金属薄壁管材试样轴向拉压疲劳试验夹具，通过一对分别具有凹凸面的楔形夹块压紧薄壁管试件，用于测试管壁拉压性能。该夹具设计方案不能用于标准空心圆棒试件的夹持，也无法完成试件壁厚方向温度梯度的构建。

发明专利CN 104101532A设计了一种金属薄壁管材试样高温高压水轴向拉压疲劳试验夹具。该专利同样也不适用于标准空心圆棒试件的夹持，且无法完成试件壁厚方向温度梯度的构建。

实用新型CN 201382879Y设计了一种金属薄壁等厚管材高温疲劳试验夹具。该专利无法满足标准空心圆棒试件的夹持，且不能提供压缩载荷，不能在试件内部提供冷却气流。

实用新型CN 201867334 U设计了一种多功能材料疲劳试验引申夹具。该专利无法满足标准空心圆棒试件的夹持，且不能提供压缩载荷，不能在试件内部提供冷却气流。

实用新型CN 204101375 U设计了一种轴向疲劳性能试验用夹具。该专利针对实心圆棒试件设计，夹具不能在试件内部提供冷却气流，形成温度梯度。

综上，现有技术不能用于标准空心圆棒试件的夹持，也无法完成试件壁厚方向温度梯度的构建；同时不能提供压缩载荷，不能在试件内部提供冷却气流。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种空心圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具，满足空心圆棒试件在温度梯度下的拉伸/压缩疲劳试验需求，且能够稳定夹持空心圆棒试件，同时能够进行冷却空气通道的疲劳试验。

本发明的技术解决方案是：一种空心圆棒试件的高温拉压疲劳试验夹具，包括：接头(1)、连杆(2)、套筒(4)、试件盖(5)、空心圆棒试件(6)和冷却器接头(8)；接头(1)的光棒端被疲劳机液压夹头夹紧；接头(1)通过沉头螺栓(7)与连杆(2)相连；连杆(2)与套筒(4)通过螺母(3)拧紧；空心圆棒试件(6)拧进试件盖(5)中，作为整体通过试件盖(5)的螺纹旋进套筒(4)中，且被连杆(2)的空心杆端顶住，消除了螺纹间隙；冷却器接头(8)穿过套筒(4)，将冷气通入连杆(2)的内腔，进而进入空心圆棒试件内部，向下并排出，实现试件的内部冷却，以实现在试件壁厚方向的温度梯度。

在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给接头(1)，并通过六个沉头螺栓(7)将拉力传给连杆(2)；连杆(2)与套筒(4)通过螺母(3)螺纹连接，从而将拉力传递给了套筒(4)；套筒(4)通过螺纹连接将拉力传递给试件盖(5)；试件盖(5)与空心圆棒试件(6)螺纹连接传递拉力，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。