高瞬變熱循環載荷下帶孔薄壁結構的疲勞斷裂行為研究

高瞬變熱循環載荷下帶孔薄壁結構的疲勞斷裂行為(wei) 研究

杜宸宇^*，崔海濤^*，張宏建^*

^*(南京航空航天大學 能源與(yu) 動力學院，江蘇 210016)

1. 研究背景

隨著現代航空技術的飛速發展，航空發動機的耐久性與(yu) 可靠性指標正麵臨(lin) 的嚴(yan) 苛要求。作為(wei) 發動機熱端核心部件，熱端靜子部件在服役過程中承受著複雜的熱循環載荷：在機動飛行時，部件表麵承受劇烈的溫度波動；而在巡航階段，則持續暴露在高溫環境中。這種複雜的工況導致熱端靜子部件主要產(chan) 生兩(liang) 種疲勞行為(wei) ：基於(yu) 循環熱應力的熱疲勞（Thermal Fatigue, TF）以及耦合高溫蠕變效應的蠕變-熱疲勞（Creep-Thermal Fatigue, CTF）。研究表明，約70%以上的熱端靜子部件失效原因可歸因於(yu) 這兩(liang) 類疲勞行為(wei) 所誘發的裂紋，其典型形貌特征如圖1所示。此外，航空發動機熱端靜子部件中廣泛存在帶孔薄壁結構，其孔邊緣是疲勞裂紋的高發區域。在長期熱循環載荷作用下，尤其是在高溫高壓的環境下，帶孔薄壁結構極易發生失效，嚴(yan) 重威脅部件的安全性和可靠性。這一嚴(yan) 峻的工程問題已成為(wei) 製約新一代航空發動機壽命提升的關(guan) 鍵瓶頸，亟需開展針對高瞬變熱循環載荷下帶孔薄壁結構的疲勞斷裂行為(wei) 研究。

圖1 熱端靜子部件的典型疲勞裂紋失效形式

2. 研究內(nei) 容

本團隊在國家自然科學基金(52375152)的支持下，分別從(cong) 實驗和壽命模型兩(liang) 個(ge) 方麵開展研究，如圖2所示。

在實驗研究方麵，團隊圍繞實驗方法、物理規律與(yu) 損傷(shang) 機理三個(ge) 核心內(nei) 容開展研究。首先，開發了適用於(yu) 帶孔薄壁結構的熱循環實驗方法，該方法結合高頻感應加熱與(yu) 強製風冷技術實現精確熱循環控製，並針對鎳基高溫合金材料特性設計了帶測試孔的管狀試樣，通過對比不同孔型結構確定了設計方案。其次，以溫度變程、平均溫度及高溫保持時間為(wei) 控製變量開展實驗研究，通過係統數據分析明確了各參數對裂紋擴展壽命的影響規律，並從(cong) 經驗角度闡釋了其作用機理。最後，基於(yu) 微觀組織觀測和元素分析結果，探究了裂紋形貌所反映的損傷(shang) 特征，最終明確了熱疲勞和蠕變-熱疲勞兩(liang) 種疲勞行為(wei) 的損傷(shang) 機製。

在壽命模型方麵，研究團隊基於(yu) 相場理論分別建立了熱疲勞和蠕變-熱疲勞壽命預測模型。首先，針對熱疲勞損傷(shang) 機製，構建了熱疲勞相場理論框架，結合有限元方法開發了熱疲勞相場模型，最後開展了熱疲勞行為(wei) 模擬以及壽命預測。在此基礎上，結合蠕變-熱疲勞的損傷(shang) 機製，通過考慮蠕變與(yu) 疲勞損傷(shang) 的交互作用以及氧化效應的影響，進一步建立了蠕變-熱疲勞-氧化相場模型。具體(ti) 而言，基於(yu) 經典損傷(shang) 理論推導了蠕變退化函數，並對兩(liang) 種蠕變損傷(shang) 模型進行了對比分析；提出了兩(liang) 種具有明確物理意義(yi) 的氧化誘導疲勞損傷(shang) 表征策略。最終，開展了模擬了蠕變-熱疲勞行為(wei) 並預測其壽命，並討論了模型在蠕變-疲勞條件下的適用性。

圖2 熱循環載荷下帶孔薄壁結構的疲勞斷裂行為(wei) 分析方法流程圖

3. 主要結論

所開發的實驗方法能夠有效滿足熱循環載荷下疲勞斷裂行為(wei) 的測試需求。溫度變程和高溫保持時間是影響裂紋擴展壽命的主要因素，平均溫度是次要因素。高溫保持階段引入的額外損傷(shang) 會(hui) 隨時間推移逐漸趨於(yu) 飽和。熱疲勞裂紋的萌生與(yu) 擴展主要受疲勞行為(wei) 主導，損傷(shang) 模式以穿晶斷裂為(wei) 特征，裂紋沿最大剪應力方向發生滑移萌生，隨後沿最大主應力垂直方向擴展。對於(yu) 蠕變-熱疲勞行為(wei) ，高溫保持階段會(hui) 加劇晶界滑移、化合物析出及氧化效應。雖然裂紋萌生仍以疲勞主導的穿晶斷裂為(wei) 主，但是擴展則轉變為(wei) 由蠕變-疲勞-氧化多機製協同驅動，損傷(shang) 模式以沿晶斷裂為(wei) 特征。蠕變與(yu) 疲勞呈現"同時性"的損傷(shang) 交互模式，表麵氧化層的開裂和侵入進一步促進了裂紋擴展。

熱疲勞裂紋萌生與(yu) 擴展主要由塑性應變能驅動，表現為(wei) 具有負應力比和正平均應力的低周疲勞特征。局部大溫度梯度增強了孔邊緣材料的循環塑性行為(wei) ，顯著放大了熱疲勞的有害影響。此外，相場法有效再現了熱疲勞裂紋形貌，表現為(wei) 彌散形式。當疲勞參數選取適當時，實驗結果與(yu) 模擬結果高度吻合，證明了所提出的相場模型具備模擬熱疲勞斷裂行為(wei) 及預測裂紋萌生與(yu) 擴展壽命的能力。在蠕變-熱疲勞的壽命預測方麵，忽略氧化效應的相場模型對蠕變-熱疲勞的預測效果不佳。相比之下，蠕變-熱疲勞-氧化相場模型展現出更高的預測精度。並且，所有用於(yu) 計算蠕變損傷(shang) 和氧化因子的參數均源自工況條件和材料屬性，避免了引入可調的內(nei) 變量。此外，模型在預測蠕變疲勞壽命方麵展現出良好適用性。

Eng. Fail. Anal., 2025. 174: 109508; Int. J. Fatigue, 2024. 185: 108338, 2025. 191: 108696.

通訊作者：崔海濤，張宏建