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CN110376226B - 一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法 - Google Patents

一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法，包括缺陷制作，结构件锻坯制作，试块设计，试块制作，台架正交疲劳试验，全聚焦相控阵检测对应关系建立，CT三维重建检测对应关系建立，试块断口分析，结构件制作，结构件缺陷识别，结构件疲劳试验，结构件内部裂纹检测，结构件表面裂纹检测，结构件断口分析。本发明解决了对缺陷、裂纹的位置及尺寸的确定问题。本发明达到了对内部裂纹、表面裂纹内部特征进行定量分析的目的，达到掌握裂纹扩展规律，进而达到损伤容限设计的目的。涉及的方法具有裂纹扩展特征确定能力强的特点，解决了现有裂纹扩展特征确定技术的不足之处。

Description

一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法
技术领域
本发明属于用于指示或测量工件特性的技术领域，具体为一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法。
背景技术
由于材料、加工因素，结构中存在一定尺寸的缺陷(初始损伤)。结构服役一段时间后，缺陷处易萌生裂纹，裂纹扩展至一定尺寸会引起结构的疲劳破坏。因而，含缺陷结构的使用寿命远小于低循环疲劳设计寿命。对于工作条件恶劣且安全性要求高的涡轮发动机转子结构，在结构设计及排故分析中需采用损伤容限设计方法对裂纹扩展过程进行分析，从而达到设置合理的大修间隔时间等重要参数指标。损伤容限设计是指假定构件中存在着裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，证明在定期检查下肯定能发现之前裂纹不会扩展到足以引起破坏的设计方法。
缺陷常埋藏在结构内部，其形成的裂纹扩展至结构表面后的裂纹扩展寿命较短，需掌握裂纹扩展表面和内部特征。现有的表面裂纹扩展表面特征确定的方法主要基于涡流探伤、渗透探伤、磁粉探伤，精度能达到1微米左右，已经得到很好的解决。现有的内部裂纹扩展特征、表面裂纹扩展内部特征确定的方法主要基于射线法探伤、超声波法探伤。超声波法能较灵敏的识别缺陷、裂纹，但由于波的散射、折射作用，缺陷、裂纹的位置及尺寸较难确定；X射线法能较准确的定位缺陷，但是对非开口的裂纹不敏感，很难识别裂纹及其尺寸；上述内部裂纹扩展特征、表面裂纹扩展内部特征确定方法的精度能达几毫米、甚至几十毫米以上，使得这一问题仍只停留在定性分析上。针对这一问题，本发明提出一种裂纹扩展特征确定方法，定量确定裂纹扩展特征，掌握整个裂纹扩展规律，进而达到损伤容限设计的目的。
发明内容
为解决上述技术背景中提出的已有方法不足以达到确定整个裂纹扩展特征，掌握裂纹扩展规律，进而达到损伤容限设计的目的的问题，本发明提供了一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法包括如下步骤：
1)结构件锻坯采用预制方法埋入缺陷；通过应力等效、应变等效、应变能等效，开展试块设计，确定试块尺寸、缺陷位置及拉伸载荷值；
2)从结构件锻坯上取出包含不同缺陷的试块；所述的包含不同缺陷的试块包括系列含不同设定深度缺陷和含不同设定尺寸缺陷的试块；
3)开展试块的疲劳试验，并在指定循环数下，使用全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测识别试块缺陷及裂纹；裂纹扩展至表面后，在指定循环数下，进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测识别试块缺陷及裂纹，同时，使用荧光检测法、表面复型法测量表面裂纹的长度；试块断裂后，对试块断口进行电镜扫描分析、金相分析；
4)结合试块缺陷、裂纹的检测结果和断口分析结果，标定全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测方法的灵敏度，并建立不同缺陷的试块与全聚焦相控阵检测结果的对应关系，建立不同缺陷的试块与CT三维重建检测结果的对应关系；
5)结构件锻坯进行机加工，制作结构件；开展结构件的疲劳试验；进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测；根据检测结果通过步骤4)建立的对应关系，标定结构件内部缺陷、裂纹的位置、尺寸；由于步骤4)建立的对应关系包含试块完整的裂纹扩展过程，可由此获知结构件的裂纹扩展规律，预测裂纹扩展寿命，确定结构件的表面裂纹表面特征检测周期。
作为本发明的优选，所述的步骤5)中，在裂纹达接近表面时，测量表面裂纹表面尺寸，并应用步骤4)建立的对应关系检测表面裂纹内部特征，并进一步可以获知裂纹扩展特征，预测结构件裂纹扩展寿命，确定结构件的表面裂纹表面特征检测周期。
作为本发明的优选，所述的步骤1)所述缺陷为圆柱体夹杂物，所述圆柱体夹杂物的机械强度和抗疲劳性能弱于结构件材料，缺陷埋藏位置设置在结构件易发生破坏的部位；
结构件锻坯采用预制方法埋入缺陷，所述预置方法为：
1.1)将锻坯在指定位置切开；
1.2)在截面的指定位置挖孔；
1.3)在孔中植入圆柱体夹杂物，通过热等静压使切割面结合。
作为本发明的优选，所述的步骤2)中，不同设定深度缺陷的试块通过切削试块厚度获得；不同设定尺寸缺陷的试块由步骤1)预制不同尺寸的缺陷获得。
本发明的有益效果是：本发明方案通过结合标块试验、结构件试验，结合全聚焦相控阵方法、CT三维重建方法和断口分析，解决了对缺陷、裂纹的位置及尺寸的确定问题。本发明达到了对内部裂纹、表面裂纹内部特征进行定量确定的目的，达到掌握裂纹扩展规律，进而达到损伤容限设计的目的。涉及的方法具有裂纹扩展特征确定能力强、精度高的特点，解决了现有裂纹扩展特征确定技术的不足之处。
附图说明
图1是一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法流程图。
图2是试块示意图。
图中，1.预置缺陷，2.夹持螺栓孔，X.结构件径向方向，Y.结构件环向方向，Z.结构件轴向方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法具体包括缺陷制作，结构件锻坯制作，试块设计，试块制作，台架正交疲劳试验，全聚焦相控阵检测对应关系建立，CT三维重建检测对应关系建立，试块断口分析，结构件制作，结构件缺陷识别，结构件疲劳试验，结构件内部裂纹检测，结构件表面裂纹检测，结构件断口分析。
本发明中构建的缺陷为一种性质较脆、抗疲劳性能弱的夹杂物，为一系列尺寸的圆柱体(如φ0.5*0.5，φ1.0*1.0，φ1.5*1.5，φ2*2)。将所述缺陷埋藏在所述结构件锻坯中，埋藏位置设置结构件中心孔、偏心孔、榫槽等关键部位的内部，并在轴向及周向上均匀布置。
所述预置方法为：①将锻坯在指定位置切开；②在截面的指定位置挖孔；③在孔中植入夹杂并焊接，通过热等静压使切割面结合。
所述试块设计指通过应力等效、应变等效、应变能等效，确定试块尺寸、缺陷位置，螺孔位置及拉伸载荷值，从而达到预置缺陷处的应力、应变、应变能水平及其分布与结构件一致，见图2。所述的试块取自所述结构件锻坯，包括制作一系列含不同深度缺陷的试块和制作一系列含不同尺寸缺陷的试块。所述含不同深度缺陷的试块通过切削试块厚度来实现。
所述台架正交疲劳试验是指在台架疲劳试验机上进行试块的低循环拉伸疲劳试验。在试验过程中，在不同循环数下，不同检测参数下，使用全聚焦相控阵、CT三维重建技术识别试块缺陷。结合所述断口分析结果，建立全聚焦相控阵检测对应关系和CT三维重建检测的对应关系。在进行所述结构件疲劳试验时，利用所述对应关系，标定内部裂纹特征。裂纹发展至表面时，除测量表面裂纹表面特征，应用所述对应关系检测表面裂纹内部特征。结构疲劳试验完成后，进行断口分析。
通过结合标块试验、结构件试验，结合全聚焦相控阵方法、CT三维重建方法和断口分析，解决了超声波法定量识别缺陷、裂纹的位置及尺寸确定的问题，达到了实现裂纹扩展特征确定的目的。
在本发明的一个具体应用过程中，裂纹扩展特征确定的使用过程如下：
(1)通过历史结构件断口的统计分析，确定该型结构件典型缺陷尺寸；依据统计分析结果，确定缺陷尺寸，φ0.5*0.5，φ1.0*1.0，φ1.5*1.5，φ2*2。
(2)通过历史结构件缺陷分布的统计分析，确定该型结构件典型缺陷埋藏位置；
(3)通过预置的方法将指定的缺陷埋入结构件锻坯指定位置；
(4)通过应力等效、应变等效、应变能等效，开展试块设计，确定试块尺寸、缺陷位置，螺孔位置及拉伸载荷值。
(5)按(4)设计参数从结构件锻坯上取出试块。其中，结构件径向方向作为试块的宽度方向(X轴)，结构件环向方向作为试块的长度方向(Y轴)，结构件轴向方向作为试块的厚度方向(Z轴)。
(6)开展试块的疲劳试验，并在指定循环数下进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测。
(7)裂纹扩展至表面后，在指定循环数下，进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测，同时，使用荧光检测法、表面复型法等测量表面裂纹的长度。
(8)试块断裂后，对试块断口进行电镜扫描分析、金相分析等。
(9)结合试块缺陷、裂纹的检测结果和断口分析结果，标定全聚焦相控阵检测和CT三维重建方法的灵敏度，并建立相应的检测对应关系。
(10)开展结构件的疲劳试验。
(11)应用所述检测对应关系，标定内部缺陷、裂纹的位置、尺寸。
(12)在裂纹达接近表面时，测量表面裂纹表面尺寸，并应用所述检测对应关系测量表面裂纹内部尺寸。
(13)若结构件破裂，进行断口分析，进一步验证、优化检测对应关系。
(14)若结构件未破裂，预测结构件裂纹扩展寿命。
(15)结束。
通过应力等效、应变等效、应变能等效，结构件与试块间具有相同和相似的缺陷特性和裂纹扩展特征。试块取自结构件，试块包含结构件从缺陷预设位置附近外伸设定距离(包含缺陷位置)至结构件与轴连接端的部分，在相同的检测方式、相似的疲劳试验方式下，结构件与试块的检测结果具有高度的等效关系。
裂纹由缺陷扩展而得，随试验进行，裂纹由试块和结构件内部扩展至表面，最终将使试块和结构件断裂；全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测方法可以获取整个试验过程中含不同缺陷试块的内部裂纹和表面裂纹内部检测特征，通过不同试验进程的裂纹特征即可获得试块的裂纹扩展规律。
结构件疲劳试验时，通过已经进行的疲劳试验的检测结果，根据已经建立的对应关系，即可获知与该结构件缺陷相同或接近的试块。根据该试块的裂纹扩展规律即可等效获知结构件的裂纹扩展规律，并可获知结构件当前的和初始的缺陷、裂纹的位置、尺寸。根据裂纹扩展的规律，可确定结构件的表面裂纹表面特征检测周期，或达到损伤容限设计的目的。试块与结构件的等效关系允许有一定的误差，在结构件试验过程中，可以根据结构件的检测结果寻找最接近的一个或者多个试块的裂纹扩展规律，对于多个试块的情况，可根据多个试块的裂纹扩展规律采用取均值的方法等手段获知结构件的裂纹扩展规律。当然，为了更为精确，在不考虑试验成本和试验时间的情况下，试块设计时，缺陷的设定深度和设定尺寸的变化梯度可尽可能小，从而获得更为大量的试块，以构建更为精确的等效关系。

Claims (4)

1.一种涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法，其特征在于包括如下步骤：
1）结构件锻坯采用预制方法埋入缺陷，通过应力等效、应变等效、应变能等效，开展试块设计，确定试块尺寸、缺陷位置及拉伸载荷值；
2）从结构件锻坯上取出包含不同缺陷的试块；所述的包含不同缺陷的试块包括系列含不同设定深度缺陷和含不同设定尺寸缺陷的试块；试块包含结构件从缺陷预设位置附近外伸设定距离至结构件与轴连接端的部分；
3）开展试块的疲劳试验，并在指定循环数下，使用全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测识别试块缺陷及裂纹；裂纹扩展至表面后，在指定循环数下，进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测识别试块缺陷及裂纹，同时，使用荧光检测法、表面复型法测量表面裂纹的长度；试块断裂后，对试块断口进行电镜扫描分析、金相分析；
4）结合试块缺陷、裂纹的检测结果和断口分析结果，标定全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测方法的灵敏度，并建立不同缺陷的试块与全聚焦相控阵检测结果的对应关系，建立不同缺陷的试块与CT三维重建检测结果的对应关系；
5）结构件锻坯进行机加工，制作结构件；开展结构件的疲劳试验；进行全聚焦相控阵检测和CT三维重建检测；根据检测结果通过步骤4）建立的对应关系，标定结构件内部缺陷、裂纹的位置和尺寸；由于步骤4）建立的对应关系包含试块完整的裂纹扩展过程，可由此获知结构件的裂纹扩展规律，预测裂纹扩展寿命，确定结构件的表面裂纹表面特征检测周期；
所述的步骤5）具体为：结构件疲劳试验时，通过已经进行的疲劳试验的检测结果，根据步骤4）建立的不同缺陷的试块与全聚焦相控阵检测结果的对应关系，不同缺陷的试块与CT三维重建检测结果的对应关系，即可获知与该结构件缺陷相同或接近的试块；根据该试块的裂纹扩展规律即可等效获知结构件的裂纹扩展规律，并可获知结构件当前的和初始的缺陷、裂纹的位置、尺寸；根据裂纹扩展的规律，可确定结构件的表面裂纹表面特征检测周期，或达到损伤容限设计的目的；
在结构件试验过程中，根据结构件的检测结果寻找最接近的一个或者多个试块的裂纹扩展规律，对于寻找多个试块裂纹扩展规律的情况，根据多个试块的裂纹扩展规律采用取均值的方法获知结构件的裂纹扩展规律。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法，其特征在于所述的步骤5）中，在裂纹达接近表面时，测量表面裂纹表面尺寸，并应用步骤4）建立的对应关系检测表面裂纹内部特征。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法，其特征在于所述的步骤1）所述缺陷为圆柱体夹杂物，所述圆柱体夹杂物的机械强度和抗疲劳性能弱于结构件材料，缺陷埋藏位置设置在结构件易发生破坏的部位；
结构件锻坯采用预制方法埋入缺陷，所述预制方法为：
1.1）将锻坯在指定位置切开；
1.2）在截面的指定位置挖孔；
1.3）在孔中植入圆柱体夹杂物，通过热等静压使切割面结合。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子裂纹扩展特征确定方法，其特征在于所述的步骤2）中，不同设定深度缺陷的试块通过切削试块厚度获得；不同设定尺寸缺陷的试块由步骤1）预制不同尺寸的缺陷获得。
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