高瞬變熱循環(huán)載荷下帶孔薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂行為研究

杜宸宇^*，崔海濤^*，張宏建^*

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

1. 研究背景

隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的飛速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性與可靠性指標(biāo)正面臨的嚴(yán)苛要求。作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端核心部件，熱端靜子部件在服役過(guò)程中承受著復(fù)雜的熱循環(huán)載荷：在機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，部件表面承受劇烈的溫度波動(dòng)；而在巡航階段，則持續(xù)暴露在高溫環(huán)境中。這種復(fù)雜的工況導(dǎo)致熱端靜子部件主要產(chǎn)生兩種疲勞行為：基于循環(huán)熱應(yīng)力的熱疲勞（Thermal Fatigue, TF）以及耦合高溫蠕變效應(yīng)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于這兩類(lèi)疲勞行為所誘發(fā)的裂紋，其典型形貌特征如圖1所示。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端靜子部件中廣泛存在帶孔薄壁結(jié)構(gòu)，其孔邊緣是疲勞裂紋的高發(fā)區(qū)域。在長(zhǎng)期熱循環(huán)載荷作用下，尤其是在高溫高壓的環(huán)境下，帶孔薄壁結(jié)構(gòu)極易發(fā)生失效，嚴(yán)重威脅部件的安全性和可靠性。這一嚴(yán)峻的工程問(wèn)題已成為制約新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命提升的關(guān)鍵瓶頸，亟需開(kāi)展針對(duì)高瞬變熱循環(huán)載荷下帶孔薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂行為研究。

圖1 熱端靜子部件的典型疲勞裂紋失效形式

2. 研究?jī)?nèi)容

本團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金(52375152)的支持下，分別從實(shí)驗(yàn)和壽命模型兩個(gè)方面開(kāi)展研究，如圖2所示。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，團(tuán)隊(duì)圍繞實(shí)驗(yàn)方法、物理規(guī)律與損傷機(jī)理三個(gè)核心內(nèi)容開(kāi)展研究。首先，開(kāi)發(fā)了適用于帶孔薄壁結(jié)構(gòu)的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法，該方法結(jié)合高頻感應(yīng)加熱與強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確熱循環(huán)控制，并針對(duì)鎳基高溫合金材料特性設(shè)計(jì)了帶測(cè)試孔的管狀試樣，通過(guò)對(duì)比不同孔型結(jié)構(gòu)確定了設(shè)計(jì)方案。其次，以溫度變程、平均溫度及高溫保持時(shí)間為控制變量開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析明確了各參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命的影響規(guī)律，并從經(jīng)驗(yàn)角度闡釋了其作用機(jī)理。最后，基于微觀組織觀測(cè)和元素分析結(jié)果，探究了裂紋形貌所反映的損傷特征，最終明確了熱疲勞和蠕變-熱疲勞兩種疲勞行為的損傷機(jī)制。

在壽命模型方面，研究團(tuán)隊(duì)基于相場(chǎng)理論分別建立了熱疲勞和蠕變-熱疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。首先，針對(duì)熱疲勞損傷機(jī)制，構(gòu)建了熱疲勞相場(chǎng)理論框架，結(jié)合有限元方法開(kāi)發(fā)了熱疲勞相場(chǎng)模型，最后開(kāi)展了熱疲勞行為模擬以及壽命預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合蠕變-熱疲勞的損傷機(jī)制，通過(guò)考慮蠕變與疲勞損傷的交互作用以及氧化效應(yīng)的影響，進(jìn)一步建立了蠕變-熱疲勞-氧化相場(chǎng)模型。具體而言，基于經(jīng)典損傷理論推導(dǎo)了蠕變退化函數(shù)，并對(duì)兩種蠕變損傷模型進(jìn)行了對(duì)比分析；提出了兩種具有明確物理意義的氧化誘導(dǎo)疲勞損傷表征策略。最終，開(kāi)展了模擬了蠕變-熱疲勞行為并預(yù)測(cè)其壽命，并討論了模型在蠕變-疲勞條件下的適用性。

圖2 熱循環(huán)載荷下帶孔薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂行為分析方法流程圖

3. 主要結(jié)論

所開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)方法能夠有效滿足熱循環(huán)載荷下疲勞斷裂行為的測(cè)試需求。溫度變程和高溫保持時(shí)間是影響裂紋擴(kuò)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會(huì)隨時(shí)間推移逐漸趨于飽和。熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展主要受疲勞行為主導(dǎo)，損傷模式以穿晶斷裂為特征，裂紋沿最大剪應(yīng)力方向發(fā)生滑移萌生，隨后沿最大主應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展。對(duì)于蠕變-熱疲勞行為，高溫保持階段會(huì)加劇晶界滑移、化合物析出及氧化效應(yīng)。雖然裂紋萌生仍以疲勞主導(dǎo)的穿晶斷裂為主，但是擴(kuò)展則轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇渥?/span>-疲勞-氧化多機(jī)制協(xié)同驅(qū)動(dòng)，損傷模式以沿晶斷裂為特征。蠕變與疲勞呈現(xiàn)"同時(shí)性"的損傷交互模式，表面氧化層的開(kāi)裂和侵入進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。

熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展主要由塑性應(yīng)變能驅(qū)動(dòng)，表現(xiàn)為具有負(fù)應(yīng)力比和正平均應(yīng)力的低周疲勞特征。局部大溫度梯度增強(qiáng)了孔邊緣材料的循環(huán)塑性行為，顯著放大了熱疲勞的有害影響。此外，相場(chǎng)法有效再現(xiàn)了熱疲勞裂紋形貌，表現(xiàn)為彌散形式。當(dāng)疲勞參數(shù)選取適當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果高度吻合，證明了所提出的相場(chǎng)模型具備模擬熱疲勞斷裂行為及預(yù)測(cè)裂紋萌生與擴(kuò)展壽命的能力。在蠕變-熱疲勞的壽命預(yù)測(cè)方面，忽略氧化效應(yīng)的相場(chǎng)模型對(duì)蠕變-熱疲勞的預(yù)測(cè)效果不佳。相比之下，蠕變-熱疲勞-氧化相場(chǎng)模型展現(xiàn)出更高的預(yù)測(cè)精度。并且，所有用于計(jì)算蠕變損傷和氧化因子的參數(shù)均源自工況條件和材料屬性，避免了引入可調(diào)的內(nèi)變量。此外，模型在預(yù)測(cè)蠕變疲勞壽命方面展現(xiàn)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