微动疲劳加载装置的设计及其在典型合金上的应用

石 炜，温卫东，崔海涛

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

0 引 言

航空发动机中叶片与轮盘的榫连接处存在着严重的微动损伤，其中微动疲劳占了很大比例［1－2］，这对发动机寿命具有十分重要的影响。微动疲劳会加速构件接触表面及表层裂纹的萌生和扩展，从而大大降低其疲劳寿命，甚至造成灾难性事故［3－4］。通过对接触副材料的合理选择与匹配可有效减缓微动损伤［5］，提高机械构件的使用性能和工作寿命。由于材料本身的性能差异，其微动疲劳特性各不相同，而充分发挥各种材料的应用潜力则需要对其微动疲劳特性进行深入分析，因此对不同材料的微动疲劳问题开展研究具有重要的工程和实际意义。

微动疲劳试验的目的是为了深入认识微动问题、探究微动损伤机理，以及为抗微动疲劳设计提供必要的技术支持和参考依据。Neu［6］对微动疲劳试验领域的研究现状进行了总结，在试验设备的设计和测试方法等方面进行了有益探讨；Szolwinski等［7］认为在微动疲劳试验中，必须要连续地控制和监测对微动损伤起关键作用的参数。然而迄今为止，研究者在针对各自的研究对象进行微动疲劳试验设计时，没有统一的规范和试验设备及测试方法。另外，国内外对各向异性材料微动疲劳的研究较为少见，针对国产各向异性单晶高温合金DD3和粉末高温合金DZ125开展微动疲劳研究具有较大的挑战性和重要意义。因此，作者设计和制造了一套采用液压加载方式来实现施加微动疲劳法向载荷的试验装置，通过选取不同组合的法向、轴向载荷对航空发动机榫连接结构常用的三种不同材料配对（钛合金TC11与TC11、单晶高温合金DD3与粉末高温合金FGH95以及定向凝固高温合金DZ125与FGH95）进行微动疲劳试验，并对TC11、DD3和DZ125材料微动疲劳失效的基本特征进行了研究。

1 试样制备与试验方法

采用单卡头式［6－8］接触形式在SDS50型全数字电液伺服动静万能试验机上搭建和设计微动疲劳横向加载装置试验平台，由于液压加载稳定性好，所提供的加载作用力范围大，而且不易受外界因素干扰，因此采用四根光杆连接两个液压缸来实现法向载荷的加载，横向加载装置的示意如图1所示。

图1 微动疲劳试验横向加载装置示意Fig.1 Loading scheme of fretting fatigue test apparatus

将微动试样夹紧在SDS50型疲劳试验机的上下夹头内，其所受轴向载荷由疲劳试验机提供。微动垫对称布置在试样左右两侧，其所受法向载荷由液压缸内的液压油提供。两侧的液压缸水平布置在底板上，底板与液压缸整体构成了横向加载装置。底板左右外缘布置有通孔，方便角铁与疲劳试验机的左右立柱相连。横向加载装置与疲劳试验机一起构成了微动疲劳试验装置。

当左侧（右侧）液压缸内充满液压油时将推动活塞杆向右（向左）运动，顶紧夹持器底座和盖板构成的滑腔内部的微动垫夹持器向右（向左）运动，直至微动垫压紧在试样的左右两侧。由于作用力与反作用力的影响，左侧液压缸将受到向左的水平推力作用，右侧液压缸则受到向右的水平推力作用。为使疲劳试验机不受水平方向作用力的影响，采用4根拉杆将两个液压缸的法兰通过螺栓直接相连，液压缸、法兰、活塞杆以及拉杆整体形成一个封闭的力系框架结构。因此，整个封闭力系框架结构内的两侧液压缸受到的水平推力将被4根拉杆分担掉，每根拉杆两端受到大小相等的水平拉力作用而保持平衡状态，保证了液压缸所提供的法向载荷稳定地施加在微动垫上。

试验用微动试样（TC11、DD3和DZ125合金）和微动垫（TC11和FGH95合金）均采用线切割加工，其中DD3和DZ125合金试样（化学成分见文献［10］，采用铸造工艺制得）的轴向沿晶体的生长方向，微动试样和微动垫的性能参数见航空材料手册［9－11］。试样采用被广大微动疲劳研究者所接受的“狗骨头”形状的试样［12－13］，微动垫则采用两端带圆弧的光滑平压头，它们的几何尺寸如图2所示。另外轴向载荷的应力比R＝0.1，并且每种试样在相同工况下的有效试验根数均不少于3根。

图2 微动试样及微动垫的几何尺寸Fig.2 Size of fretting sample（a）and fretting pad（b）

微动疲劳试验结束后，使用KH-7700型数字式三维视频显微镜观察断口形貌，微动试样水平放置，将裂纹萌生区域（即微动试样与微动垫的接触表面）置于观测平面的最下方，对微动损伤区域进行观察，并从下向上按微动疲劳源区和裂纹扩展区的顺序观察相应区域的断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 微动疲劳寿命

三种材料分别选取5种相同的载荷配对方案进行微动疲劳试验，结果发现每种工况下微动疲劳裂纹均萌生在微动垫和微动试样的接触区域，并且在微动试样断口上目视可见与典型普通疲劳断口相同的贝纹线，这说明微动疲劳现象在自行设计研发的微动疲劳试验装置上得以复现，说明该装置性能良好，并且试样在法向应力、循环应力和切向摩擦应力的共同作用下发生了微动，微动的存在降低了其疲劳性能。TC11、DD3和DZ125合金微动试样的试验结果如表1所示。

表1 三种材料在不同工况下的微动疲劳寿命Tab.1 Fretting fatigue life of three kinds of materials under differnet conditions

图3 TC11微动试样的断口形貌Fig.3 Fracture of TC11fretting fatigue sample

由表1可以看出：1）轴向载荷是三种材料微动疲劳寿命最主要的影响因素，即在相同的法

向载荷作用下，随着轴向载荷的增大，微动疲劳寿命降低，这说明疲劳载荷引起了接触表面间的滑移，最终导致微动损伤；2）在相同的轴向载荷作用下，法向载荷对三种材料微动疲劳寿命的影响不如轴向载荷的明显，这与微动过程中微动损伤的加剧或减缓难以分析有关；3）从整体来看，DD3和DZ125合金沿晶体生长方向的抗微动疲劳性能优于TC11合金的；4）在相同的工况下，TC11合金的微动疲劳寿命最短，DD3合金和DZ125合金的微动疲劳寿命均高于TC11合金的，这说明与各向同性材料相比较，各向异性材料的微动损伤较小；5）在3种工况下，DZ125合金的微动疲劳寿命高于DD3合金的；6）工况C下DD3合金的微动疲劳寿命最长，为127 724周次；7）工况D下TC11合金的微动疲劳寿命最短，为12 856周次。

2.2 断口形貌

由图3可见，TC11合金试样上的一系列疲劳条纹与接触表面大致呈60°角。为便于观察，沿水平方向拍摄断口的整体形貌，并将微动疲劳裂纹萌生区域置于右侧。DD3和DZ125合金试样断口形貌的处理方式与TC11的相同。

TC11、DD3和DZ125合金试样的微动疲劳裂纹萌生区、扩展区以及整体形貌如图4～6所示，其中图6所示试样的截面尺寸为20mm×5mm。

从三种合金试样的断口形貌来看，有以下相同点：1）微动疲劳裂纹均萌生于试样与微动垫的接触区域，并且接触表面有磨损，目视可见贝纹线，说明材料发生了疲劳断裂；2）裂纹萌生区均较小，颜色较暗，可见典型的黑色微动斑，说明表面有氧化物形成，并且接触区域的温度曾经显著升高，使材料发生了软化或重新结晶，影响了随后的微动损伤过程；3）由于磨损的作用，裂纹萌生区附近均可见微动斑和磨屑生成，接触面间有磨屑起作用说明微动疲劳造成了材料的失效；4）断口的整体形貌上均可见多个疲劳源，且往往成线状，是典型的疲劳裂纹特征。不同点：1）TC11和DD3合金试样的整个断面参差不齐，而DZ125合金试样的整个断面较为平整；2）TC11，DD3，DZ125合金试样的疲劳条纹与接触表面分别约呈60°，45°，90°角。这两个不同点主要与材料特性有关。

图4 不同合金试样微动疲劳裂纹萌生区的形貌Fig.4 Morphology of fretting fatigue crack initiation region of different alloy samples

图5 不同合金试样微动疲劳裂纹扩展区的形貌Fig.5 Morphology of fretting fatigue crack propagation region of differnt alloy samples

3 结 论

（1）设计了一套微动疲劳加载装置，选用液压加载实现了法向载荷的施加，并且完成了TC11、DD3和DZ125合金试样的微动疲劳试验，结果表明试验装置性能良好。

（2）在法向应力、循环应力和切向摩擦应力的共同作用下，三种材料的微动疲劳裂纹均出现在试样与微动垫的接触区域。

（3）微动疲劳裂纹萌生区域表面有微动斑和磨屑生成，裂纹扩展区可见大量细小的、相互平行的并且与接触表面大致呈一定角度的一系列疲劳条纹，以及不同的断面特征，说明微动疲劳引起了不同程度的微动损伤，进而造成失效。

（4）在相同的试样几何尺寸、表面加工状况以及载荷条件下，沿晶体生长方向上的各向异性材料DD3和DZ125合金的微动疲劳寿命要比各向同性材料TC11合金的高。

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