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)動機的耐久性與可靠性指標正面臨的嚴苛要求。作為發(fā)動機熱端核心部件，熱端靜子部件在服役過程中承受著復(fù)雜的熱循環(huán)載荷：在機動飛行時，部件表面承受劇烈的溫度波動；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)動機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，嚴重威脅部件的安全性和可靠性。這一嚴峻的工程問題已成為制約新一代航空發(fā)動機壽命提升的關(guān)鍵瓶頸，亟需開展針對高瞬變熱循環(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. 研究內(nèi)容

本團隊在國家自然科學(xué)基金(52375152)的支持下，分別從實驗和壽命模型兩個方面開展研究，如圖2所示。

在實驗研究方面，團隊圍繞實驗方法、物理規(guī)律與損傷機理三個核心內(nèi)容開展研究。首先，開發(fā)了適用于帶孔薄壁結(jié)構(gòu)的熱循環(huán)實驗方法，該方法結(jié)合高頻感應(yīng)加熱與強制風(fēng)冷技術(shù)實現(xiàn)精確熱循環(huán)控制，并針對鎳基高溫合金材料特性設(shè)計了帶測試孔的管狀試樣，通過對比不同孔型結(jié)構(gòu)確定了設(shè)計方案。其次，以溫度變程、平均溫度及高溫保持時間為控制變量開展實驗研究，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析明確了各參數(shù)對裂紋擴展壽命的影響規(guī)律，并從經(jīng)驗角度闡釋了其作用機理。最后，基于微觀組織觀測和元素分析結(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制。

在壽命模型方面，研究團隊基于相場理論分別建立了熱疲勞和蠕變-熱疲勞壽命預(yù)測模型。首先，針對熱疲勞損傷機制，構(gòu)建了熱疲勞相場理論框架，結(jié)合有限元方法開發(fā)了熱疲勞相場模型，最后開展了熱疲勞行為模擬以及壽命預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合蠕變-熱疲勞的損傷機制，通過考慮蠕變與疲勞損傷的交互作用以及氧化效應(yīng)的影響，進一步建立了蠕變-熱疲勞-氧化相場模型。具體而言，基于經(jīng)典損傷理論推導(dǎo)了蠕變退化函數(shù)，并對兩種蠕變損傷模型進行了對比分析；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，開展了模擬了蠕變-熱疲勞行為并預(yù)測其壽命，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

所開發(fā)的實驗方法能夠有效滿足熱循環(huán)載荷下疲勞斷裂行為的測試需求。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會隨時間推移逐漸趨于飽和。熱疲勞裂紋的萌生與擴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)力垂直方向擴展。對于蠕變-熱疲勞行為，高溫保持階段會加劇晶界滑移、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，但是擴展則轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇渥?/span>-疲勞-氧化多機制協(xié)同驅(qū)動，損傷模式以沿晶斷裂為特征。蠕變與疲勞呈現(xiàn)"同時性"的損傷交互模式，表面氧化層的開裂和侵入進一步促進了裂紋擴展。

熱疲勞裂紋萌生與擴展主要由塑性應(yīng)變能驅(qū)動，表現(xiàn)為具有負應(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，相場法有效再現(xiàn)了熱疲勞裂紋形貌，表現(xiàn)為彌散形式。當疲勞參數(shù)選取適當時，實驗結(jié)果與模擬結(jié)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及預(yù)測裂紋萌生與擴展壽命的能力。在蠕變-熱疲勞的壽命預(yù)測方面，忽略氧化效應(yīng)的相場模型對蠕變-熱疲勞的預(yù)測效果不佳。相比之下，蠕變-熱疲勞-氧化相場模型展現(xiàn)出更高的預(yù)測精度。并且，所有用于計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