[发明专利]基于温度和强度参数设计的钛合金保载疲劳加速试验方法

说明书

本发明是一种基于温度和强度参数设计的钛合金保载疲劳加速试验方法，该方法针对具有保载疲劳敏感性的近α和α+β型钛合金，结合不同钛合金的保载疲劳温度敏感性和载荷敏感性评估，设计高敏感性保载疲劳性能测试条件，获得优化效率和成本的保载疲劳寿命试验方法，并且对于关注保载疲劳性能的其它钛合金，这种测试方法具有普遍适用性。

技术领域

本发明是一种基于温度和强度参数设计的钛合金保载疲劳加速试验方法，属于金属材料疲劳试验测试技术领域。

背景技术

在航空发动机中的转动部件(风扇、压气机盘、涡轮盘等)在实际服役过程中通常需要在较长时间承受较大载荷，属于需要疲劳性能评价的关键零部件。其中，近α和α+β型钛合金由于其在近室温～600℃的温度区间所具有的优异抗蠕变和抗疲劳等综合力学性能，通常被用于航空发动机的压气机盘、风扇及其叶片等零部件。在实际钛合金零部件的设计和应用中，多结合其实际服役情况设计低周疲劳和旋弯疲劳等试验进行疲劳性能考核，前者侧重评估盘件等位置的疲劳性能，后者主要关注叶片等位置的疲劳性能。在钛合金的研发过程中，使用简化的三角形疲劳波形对部分钛合金盘件等零部件进行疲劳寿命预测时出现过一些问题，甚至引起较为严重的航空事故。这些零部件在服役前通过了常规低周疲劳性能测试标准，但在服役时的实际失效疲劳寿命严重低于预测寿命，这让人们认识到简化的三角形疲劳波形预测钛合金使用疲劳寿命存在不足。考虑到实际服役过程中的载荷方式一般符合加载、保载和卸载的三阶段载荷特征，研究人员尝试了在三角波低周疲劳基础上附加长时间保载的新型疲劳载荷方式，验证结果发现对于部分种类的钛合金材料，附加保载载荷对疲劳寿命的降低有重要影响。这种在相同的应力条件下，钛合金在近室温温度区间的附加保载阶段载荷的疲劳寿命显著低于常规三角波疲劳寿命的现象被称为钛合金的保载疲劳效应。

目前针对钛合金的保载疲劳性能评估，一般采用梯形波进行保载疲劳性能测试。梯形波的设计多使用较长的保载时间(一般为120s)和常规的加载和卸载时间(一般为1s)，由于钛合金保载疲劳效应，梯形波的疲劳失效周期通常低于常规三角波疲劳的数倍，但是较长的保载时间难以抵消保载疲劳敏感性带来周期降低的影响，实际采用梯形波的保载疲劳测试时间通常比常规三角波疲劳测试时间高出一至两个数量级，这使得疲劳性能试验测试周期更长和测试成本更高，单个保载疲劳试样性能评估中高达数十天的测试周期和数万元的测试成本对钛合金零部件的力学性能考核和工程实践应用产生不利影响。

发明内容

本发明是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种基于温度和强度参数设计的钛合金保载疲劳加速试验方法，其目的是针对近α和α+β型钛合金的保载疲劳性能评估的需求，通过保载疲劳温度设计和载荷设计，缩短测试周期并节约测试成本，该方法对钛合金的保载疲劳性能评估具有重要的工程应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明所述基于温度和强度参数设计的钛合金保载疲劳加速试验方法的步骤如下：

步骤一、评估钛合金的种类和微观组织类型：

通过对钛合金材料进行合金成分测试和微观组织检测，确定是具有保载疲劳敏感性的近α或α+β型钛合金；

步骤二、测试钛合金保载疲劳敏感温度区间内多个温度下的拉伸力学性能：

选定5个以上的温度点均匀分布在钛合金保载疲劳敏感温度区间内，测试各温度点下试样的屈服强度值和抗拉强度值；

步骤三、多个温度高载荷条件下的低周疲劳和保载疲劳测试；

对步骤二中得到的屈服强度值和抗拉强度值求平均值，将该平均值作为疲劳应力载荷，在步骤二中选定的温度点下进行低周疲劳和保载疲劳性能测试，分别记录低周疲劳失效周期N_fLT和保载疲劳失效周期N_fDT，上述表示式中，T代表温度点；

步骤四、评估不同温度的保载疲劳敏感性指数；