摘要：吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室、吉林大学机械与航空航天工程学院、吉林大学重庆研究院和北京航空航天大学航空科学与工程学院的科研人员综述报道了超声疲劳技术在航空燃气涡轮发动机叶片材料超高循环疲劳测试中的应用研究进展。相关论文以“Application of
长三角G60激光联盟导读
吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室、吉林大学机械与航空航天工程学院、吉林大学重庆研究院和北京航空航天大学航空科学与工程学院的科研人员综述报道了超声疲劳技术在航空燃气涡轮发动机叶片材料超高循环疲劳测试中的应用研究进展。相关论文以“Application of ultrasonic fatigue technology in very-high-cycle fatigue testing of aviation gas turbine engine blade materials: A review”为题发表在《Science China Technological Sciences)》上。
航空燃气涡轮发动机叶片材料需要在复合机械载荷和复杂环境下进行长达1010次循环的超高周疲劳（VHCF）测试，这促进了VHCF测试仪器和技术的发展。本文首先全面综述了现有的VHCF测试技术。重点介绍了超声疲劳测试（UFT）技术的最新进展，包括单载荷、多轴载荷、变幅疲劳和复合循环疲劳的新功能和新方法。综述了在高温、潮湿和腐蚀性环境中进行 UFT的新技术。机械载荷和环境构建技术的发展为叶片材料的实际使用条件提供了实验室构建的可能性。总结了可用于现场监测VHCF损坏的新技术。介绍了UFT领域的关键问题，并整理了相关对策。最后，简要介绍了该领域的现有问题和未来趋势。
图1(a)航空燃气涡轮发动机示意图，其中LPC和HPC分别代表低压压气机和高压压气机，HPT和LPT分别代表高压涡轮和低压涡轮。0-1表示接近最高温度的程度。最高温度出现在高压涡轮前端的燃烧室；（b）航空燃气涡轮发动机叶片的工作条件示意图。叶片承受拉伸-弯曲-扭转复合载荷和高频振动载荷，以及高温/潮湿环境和腐蚀环境。
图2概述了UFT技术在机械载荷、环境重建和原位监测方面的最新进展。其中，VA表示变幅，CCF表示复合循环疲劳，DCPD表示直流电压降，AE表示声发射，AVP表示振动特性分析。
图3(a)基于振动的疲劳试验装置示意图。(b)单轴和(c)双轴疲劳试样形状示意图。
图4典型轴向拉伸超声试样的三维图。
图5（a）基于一阶弯曲振动的UFT机器示意图；（b基于一阶弯曲振动的单悬臂UF试样形状和（c）试样中的应力分布云；（d）基于一阶弯曲振动的双悬臂UF试样形状和（e）试样中的应力分布云。
图6悬臂式超声试样（a）实验配置；（b）试样的二阶弯曲振动模式；（c）试样的几何形状。
图7（a）和（b）显示了双轴弯曲UFT机器。
图8（a）机器的测试示意图和（b）机器的三维模型；（c）作者在进行CTB-CCF测试时使用的两种测试光谱模式。
图9（a）和（b）显示了用于高温UFT的热风炉。(1)加热室，(2)加热元件，(3)鼓风机，(4)热电偶，(5)超声试样，(6)热风喷嘴。
图10(a)作者开发的高温UFT机器；(b)高温模块；(c)特制变幅杆与高温模块之间的安装关系。蓝色虚线表示作者设计的特制变幅杆；（d）表示特制变幅杆复杂的内部流道。右侧色带分别表示沿特制变幅杆长度方向的温度分布T(x)、应力分布σ(x)和位移分布U(x)。(1)超声模块，(2)高温模块，(3)红外热像仪，(4)制冷剂管，(5)特制变幅杆，(6)硅钼棒，(7) 超声试样。
图11（a）基于红外热成像技术的UFT机器现场监测；（b）试样表面的温度分布；（c）试样表面疲劳裂纹。
图12（a）全表面视图原位红外热成像系统示意图；（b）UFT期间全表面视图原位红外热成像的实验配置；（c）断口形貌和试样的代表性全表面热图像。
图13（a）利用同步辐射X射线进行原位UFT的示意图和（b）照片。
图14（a）新型原位同步辐射UFT机器的照片和示意图；（c）不同载荷周期后试样内部缺陷和内部裂纹的三维渲染；（d）断层扫描加载过程。
航空燃气涡轮发动机叶片材料进行复杂载荷和极端环境下高达1010次循环的超高周疲劳（VHCF）测试的需求刺激了VHCF设备和技术的发展。本文系统地比较了几种可行的VHCF测试技术，并全面回顾了UFT技术在机械载荷、环境构建和原位表征方面的新进展。本文强调了UFT的关键问题，并介绍了该领域的未来趋势。可以得出以下重要结论。
(1)本文介绍并比较了现有的几种可行的VHCF测试技术，包括旋转弯曲技术、电磁/电液共振技术、基于振动的技术和UFT技术。经过综合比较，认为工作频率在20 kHz范围内的UFT 技术最适合研究叶片材料的VHCF特性。
(2)系统介绍了UFT技术在机械载荷方面的新特点和新方法，包括轴向拉伸、三点弯曲、悬臂弯曲、扭转、摩擦和多轴疲劳。此外，还介绍了近十年来积极发展的变幅（VA）载荷技术和复合循环疲劳（CCF）技术。
(3)报告了适用于不同环境的UFT技术，包括高温、潮湿和腐蚀性环境。
(4)综述了可与UFT设备结合使用的原位监测技术的发展情况，这为实时监测叶片材料中的 VHCF损伤创造了条件。最后，总结了UFT技术中存在的几个关键问题。
(5)总结了UFT技术的几个关键问题，包括试样应力估计、试样加热、频率效应和尺寸效应。
(6)此外，还提出了未来10-20年UFT技术的发展趋势，对该领域的研究人员和工程设计人员具有一定的参考价值。
虽然作者试图写一篇紧凑的综述，但丰富的测试技术大大增加了文章的篇幅。关于材料疲劳机理的研究超出了本文的范围，读者可以参考近年来的一些重要综述。虽然本文从飞机叶片材料的测试开始，但本文报告的所有技术也适用于金属材料和大多数复合材料。值得说明的是，作者在补充文件中简要介绍了UFT在典型叶片材料、钛合金和镍基高温合金中的应用。
论文链接：
Zhao, J., Wan, J., Zhang, S. et al. Application of ultrasonic fatigue technology in very-high-cycle fatigue testing of aviation gas turbine engine blade materials: A review. Sci. China Technol. Sci. 67, 1317–1363 (2024). https://doi.org/10.1007/s11431-023-2556-1
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟