含缺陷试样的制备及疲劳裂纹扩展真实路径还原方法技术

本发明专利技术提供含缺陷试样的制备及疲劳裂纹扩展真实路径还原方法，包括：制备设有热节的棒状铸件并加工成试棒；对试棒采用中断疲劳测试保存未断裂的试棒的疲劳裂纹及其扩展路径；将试棒沿加载方向进行切割，得到n个薄片试样；还原方法包括：分别对n个薄片试样进行测试；逐渐增大载荷，直到观察到中断疲劳测试前疲劳交变载荷下开裂的裂纹扩展路径并获取图片；再逐渐增加载荷直到断裂，原位观测裂纹扩展路径；对获得n张图片进行三维叠加处理，区分试棒中疏松缺陷、Laves相和碳化物，还原出含缺陷高温合金试棒中疲劳裂纹扩展真实路径。本发明专利技术使含缺陷高温合金疲劳裂纹扩展真实路径成为可能，为含缺陷高温合金铸件疲劳性能精准预测提供基础。

【技术实现步骤摘要】
含缺陷试样的制备及疲劳裂纹扩展真实路径还原方法
本专利技术涉及高温合金力学性能研究领域，具体地，涉及含缺陷高温合金试样的制备及疲劳裂纹扩展真实路径还原方法。
技术介绍
高温合金具有优良的高温强度、抗氧化耐腐蚀性能、优异的抗疲劳性能和组织稳定性，是现代国防建设和国民经济发展不可取代的关键结构材料，广泛应用于制造航空发动机的关键结构件。新一代高推重比航空发动机对结构设计要求非常苛刻，要求大量采用高结构效率的整体化、轻量化、空心薄壁化和精密化等复杂结构，这促使高温合金铸件向大型复杂薄壁方向发展。然而，随着铸件尺寸增加，壁厚差增大以及大面积薄壁增多，高温合金铸件中不可避免的会出现或多或少的显微疏松。具有复杂空间结构的显微疏松减少了铸件承力截面积，造成局域应力集中，降低铸件的力学性能，尤其是疲劳性能，导致关键承力铸件过早的疲劳失效破坏，降低了设计容限，严重降低航空发动机可靠性。近期有报道，美国航空公司波音767-300型客机，在起飞过程发生严重的右发动机非兼容性破坏，初步调查显示事故与关键高温合金部件内部含缺陷导致其疲劳寿命小于设计寿命有关。显微疏松作为高温合金铸件内部“弱连接”部位，成为疲劳裂纹源是大概率事件。因此，再现含缺陷高温合金铸件疲劳断裂过程，进而揭示含缺陷高温合金断裂机制，对航空发动机的服役安全设计与发展至关重要。经对现有技术的文献检索发现：曾燕屏等《材料工程》(2005年，第3期，第10-13页)报道了采用扫描电镜原位拉伸和原位疲劳的方法，跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程。该方法较好的观察了含夹杂物缺陷高温合金的整个疲劳断裂过程。然而，扫描电镜仅能进行表面观察与分析，无法穿透高温合金样品内部，只能通过断口反推寿命而无法进行预测，因此，在含缺陷高温合金疲劳性能研究方面具有较大的局限性。申请号为201710431250.4的中国专利技术专利，涉及到一种原位观察材料断裂行为的方法。该专利方法涉及装置是由底座、机械鼓轮、下楔形滑块、上楔形滑块、下压圆柱、被测试样品、上压圆柱、上压圆柱支架、锁紧旋钮和紧固螺钉组成，通过调节装置水平方向机械鼓轮并经过楔形滑块转换，使得被测试样品在竖直方向上获得外加载荷并发生形变，进而在样品内部产生微裂纹，结合扫描电子显微镜观察被测试样品材料在负载条件下内部裂纹产生、扩展等信息，而被测试样品的形变量可通过机械鼓轮的步进位移转化得到。该装置可与不同型号的扫描电子显微镜配合使用。据称通过该方法，可直观描述被测试样品材料在受力过程中微观结构的变化情况，然而，其不足之处为该专利也无法克服扫描电镜只能观察表面的固有弊端，难以准确再现疲劳裂纹在样品内部扩展路径。经检索发现，申请号为201611213181.1的中国专利技术专利，涉及一种含温控机构的同步辐射原位成像疲劳试验机及其试验方法。该专利技术包括底座和顶盖，底板的底部十字架嵌合在同步辐射光源平台上，在同步辐射光源平台的圆筒形状底座之上设有夹持机构，在底座和圆筒形状的顶盖之间设有温控机构。其试验方法为：将试样装夹在上夹具与下夹具之间，然后固定好内层围罩及外层围罩，输入温控气流和氮气至该试验机内层围罩的内侧和外层，实现对试样的控温和防止围罩出现水雾；然后启动伺服电机，对试样施加竖向的往复载荷，由载荷传感器采集压力。该专利技术较好的采用同步辐射技术穿透样品，进行疲劳断裂机制研究，可以观察疲劳裂纹在样品内部的运动路径。但是该专利在用于高温合金疲劳研究时，其不足之处在于因为高温合金密度大，现有同步辐射线站的穿透厚度非常薄，竖向往复载荷的加载，导致疲劳过程极易失稳，无法实现高温合金疲劳断裂机制研究。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种含缺陷试样的制备及疲劳裂纹扩展真实路径还原方法。根据本专利技术第一个方面提供一种含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，包括：制备设有热节的棒状铸件，将所述棒状铸件经机械加工得到试棒，其中，所述棒状铸件内部缺陷大小、形貌分别通过调节所述热节的大小、形状来改变；对所述试棒进行疲劳性能测试，采用中断疲劳测试保存未断裂的试棒的疲劳裂纹及其扩展路径；将所述试棒沿加载方向定位，采用线切割进行切片，切割完毕后，得到同一个试棒的n个薄片试样，即获得含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样。优选地，所述将所述棒状铸件经机械加工得到试棒之后，以及对所述试棒进行疲劳性能测试之前包括：对所述试棒进行三维无损检测，筛选出含不同显微疏松特征的试棒。优选地，所述对试棒进行三维无损检测，筛选出含不同显微疏松特征的试棒，包括：采用图像处理再现所述试棒内部显微疏松3D形貌及其空间分布特征，并对显微疏松的尺寸、位置和形貌特征进行分析，得到含有不同显微疏松特征的试棒。优选地，所述制备设有热节的棒状铸件，包括：采用熔模铸造工艺制备所述棒状铸件，所述热节设置于所述棒状铸件轴向的中部。优选地，所述热节为圆形、方形或三角形。本专利技术第二个方面提供一种含缺陷高温合金试棒疲劳裂纹扩展真实路径还原方法，包括：采用上述制备方法得到的薄片试样进行。优选地，含缺陷高温合金试棒疲劳裂纹扩展真实路径还原方法，包括：对n个薄片试样按照顺序进行编号，所述n个薄片试样由同一个所述试棒切割得到；对已编号的薄片试样按照编号顺序依次进行检测，获取所有薄片试样裂纹扩展路径的图片tomo_1-tomo_n，及原位观测裂纹扩展路径：对第一编号的所述薄片试样进行检测：将所述薄片试样安装在拉伸试验机上，对所述薄片试样逐渐增大载荷，直到观察到所述薄片试样在中断疲劳测试前疲劳交变载荷下开裂的裂纹扩展路径，获取所述裂纹扩展路径的图片；接着继续对所述薄片试样逐渐增加载荷直到所述薄片试样断裂，原位观测裂纹扩展路径；依次对剩余编号的所述薄片试样进行检测，重复上述检测，分别获取同一铸棒切割下的n个所述薄片试样的裂纹扩展路径的图片，以及分别原位观测裂纹扩展路径；对获得的所有图片进行图形三维叠加处理，通过区分所述试棒中疏松缺陷、Laves相和碳化物，还原出含缺陷高温合金试棒中疲劳裂纹扩展真实路径。优选地，所述直到观察到所述薄片试样在中断疲劳测试前疲劳交变载荷下开裂的裂纹扩展路径，包括：采用同步辐射方式穿透所述薄片试样，观察所述薄片试样在中断疲劳测试前疲劳交变载荷下开裂的裂纹扩展路径。与现有技术相比，本专利技术具有如下至少一种的有益效果：本专利技术上述薄片试样制备方法中，基于凝固基本原理，通过对棒状铸件的局部结构进行热结设计，制备含不同缺陷组态的高温合金棒状铸件。本专利技术上述裂纹扩展真实路径还原方法中，采用高能量高分辨的同步辐射技术穿透高温合金薄片试样，获得疲劳裂纹扩展路径，再通过图像三维叠加，还原出高温合金试棒中疲劳裂纹真实扩展路径，克服了以往采用扫描电镜方法只能观察试样表面的弊端。基于微积分的理念，通过试棒切片分步检测，也较好的规避了同步辐射在高温合金中穿透厚度薄的局限性，充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：包括：/n制备设有热节的棒状铸件，将所述棒状铸件经机械加工得到试棒，其中，所述棒状铸件内部缺陷大小、形貌分别通过调节所述热节的大小、形状来改变；/n对所述试棒进行疲劳性能测试，采用中断疲劳测试保存未断裂的试棒的疲劳裂纹及其扩展路径；将所述试棒沿加载方向定位，采用线切割进行切片，切割完毕后，得到同一个试棒的n个薄片试样，即获得含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样。/n

【技术特征摘要】
1.一种含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：包括：
制备设有热节的棒状铸件，将所述棒状铸件经机械加工得到试棒，其中，所述棒状铸件内部缺陷大小、形貌分别通过调节所述热节的大小、形状来改变；
对所述试棒进行疲劳性能测试，采用中断疲劳测试保存未断裂的试棒的疲劳裂纹及其扩展路径；将所述试棒沿加载方向定位，采用线切割进行切片，切割完毕后，得到同一个试棒的n个薄片试样，即获得含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样。


2.根据权利要求1所述的含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：所述将所述棒状铸件经机械加工得到试棒之后，以及对所述试棒进行疲劳性能测试之前，还包括：
对所述试棒进行三维无损检测，筛选出含不同显微疏松特征的试棒。


3.根据权利要求2所述的含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：所述对试棒进行三维无损检测，筛选出含不同显微疏松特征的试棒，包括：
采用图像处理再现所述试棒内部显微疏松3D形貌及其空间分布特征，并对显微疏松的尺寸、位置和形貌特征进行分析，得到含有不同显微疏松特征的试棒。


4.根据权利要求1所述的含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：所述制备设有热节的棒状铸件，包括：
采用熔模铸造工艺制备所述棒状铸件，所述热节设置于所述棒状铸件轴向的中部。


5.根据权利要求4所述的含缺陷高温合金同步辐射原位观察薄片试样制备方法，其特征在于：所述热节为圆形、...

【专利技术属性】
技术研发人员：康茂东，王俊，朱鸥，吴贇，鞠江，周阳，高海燕，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，江苏中超航宇精铸科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31