[发明专利]一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法

说明书

本发明涉及一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，实现步骤如下：(1)完成空心圆管试件与上夹具组装，将上夹具夹头夹紧在疲劳试验机上；(2)通过空气压缩机、气动三联件、质量流量控制器提供压力、质量流量恒定的干燥压缩空气，并通入上夹具气嘴；(3)制作两个匝数不同的涡旋状感应加热线圈，通过调整线圈匝数和半径大小，保证试件考核段外壁面温度场均匀，同时采用热电偶测得试件考核段的外壁面温度；(4)在零应力状态下，进行温度循环，将热电偶和皮托管通过试件下方气流通道深入试件考核段内部进、出口处，分别测量进、出口处的气流温度、总压和静压，(5)采用有限元软件进行流固耦合计算，获取考核段壁厚方向温度梯度。

技术领域

本发明涉及一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法，TGMF试验(即温度梯度热机械疲劳试验)可用于研究空心气冷涡轮叶片内部的流动、换热过程对热机械疲劳损伤的影响，属于材料高温力学性能试验及航空航天发动机技术领域。

背景技术

热机械疲劳是空心气冷涡轮叶片的主要失效模式，与传统的低循环疲劳、蠕变以及蠕变-疲劳等失效模式相比，热机械疲劳能更为精准地刻画疲劳、蠕变、氧化等损伤因素对涡轮叶片的耦合作用。随着航空发动机性能的不断提高，涡轮前温度越来越高，涡轮转子叶片通常采用具有复杂内腔、气膜冷却孔、扰流柱以及冷却肋板的空心薄壁结构，叶片内部具有复杂的流动、换热过程，导致涡轮转子叶片壁厚方向存在明显的温度梯度。目前，热机械疲劳循环损伤机理研究通常只针对无明显温度梯度的条件下进行，而未能考虑温度梯度作用对热机械疲劳损伤的影响，致使空心气冷涡轮叶片寿命预测精度低，难以满足先进发动机研制需求。因此，开展材料带温度梯度的热机械疲劳试验研究、确定温度梯度对热机械疲劳寿命的影响具有十分重要的意义。

北航王荣桥、荆甫雷等实现了涡轮叶片热机械疲劳试验系统(CN201110460131.4)，试验过程中在叶片内部通入压缩空气，模拟叶片考核截面的内部冷却情况。但是试验只针对叶片考核截面，重点在于模拟考核截面服役过程中机械载荷及温度载荷状态以及对叶片的考核，并不涉及片考核截面的壁厚方向温度梯度的获取。

西北工业大学岳珠峰等开展了带温度梯度的单调拉伸(侯乃先,岳珠峰,于庆民,等.温度梯度下薄壁圆管试件拉伸性能的试验与理论研究[J].材料工程,2008(3):36-39.)、低循环疲劳(Hou N X,Yu Q M,Wen Z X,et al.Low cycle fatigue behavior ofsingle crystal superalloy with temperature gradient[J].European Journal ofMechanics/A Solids,2010,29(4):611-618.)试验研究。其研究过程中采用高温炉加热，尽管这种加热方式可在炉体内达到均匀的温度场，具有较高的温度精度，而且能够很好的保证圆管试件外壁面温度，因此用于带温度梯度的等温试验(如单调拉伸、蠕变、高温低循环、蠕变-疲劳等)具有良好的效果。然而高温炉的加热速度较慢，无法满足热机械疲劳、温度梯度热机械疲劳试验快速升温的需求，并且高温炉体为封闭结构，难以对试件进行强制冷却，因而不适用于温度快速变化的热机械疲劳、温度梯度热机械疲劳试验。

北航王荣桥、蒋康河等提出了一种空心圆棒试件内壁温度的测量方法(CN201510670082.5)，通过将焊接有热电偶的弹簧片插入空心圆管试件内部，并将其两端固定在试件夹持端的凸台上，从而使得热电偶与空心圆管试件内壁紧密接触，实现试件内壁温度的测量。由于冷却气流在流过加热状态的空心圆管试件考核段内部时会被逐步加热，因此其对流换热能力逐步降低，即使在保证考核段外表面温度均匀的条件下，考核段内表面从气流入口到气流出口的温度也是逐步升高的，传统热电偶测温只能确定某点的温度，无法准确反映整个考核段内表面的温度。