[发明专利]测量材料高温压缩性能参数的方法

说明书

本发明提出了测量材料高温压缩性能参数的方法，该方法采用热力模拟试验机且包括：(1)在设定温度下，测量待测样品的第一压缩性能数据；(2)在该设定温度下，测量空载状态下高温合金压头的第二压缩性能数据；(3)基于第一压缩性能数据和第二压缩性能数据，获得待测样品修正后的压缩性能数据。本发明所提出的测试方法，可在40～1600摄氏度的高温下测量出待测样品的应力应变关系的基础上，克服热力试验机本身的系统误差，并通过修正可获得更准确、更精确的测量结果。

技术领域

本发明涉及航空领域材料高温性能测试技术领域，具体的，本发明涉及测量材料高温压缩性能参数的方法。

背景技术

航空发动机被誉为高端制造业领域“皇冠上的明珠”，也是一直制约我国航空事业发展的重要因素。高温合金单晶叶片是航空发动机的重要部件，目前，生产高温合金单晶叶片主要使用Bridgman定向凝固法。在高温合金单晶涡轮叶片的定向凝固过程中，由于叶片的结构非常复杂，不同部位散热速度不一样，造成叶片中的温度分布不均，会在叶片中产生热应力和热变形，甚至会发生热裂。当叶片最终冷却后，还会有残余应力、残余变形、甚至会产生冷裂纹。

具体的，影响高温合金叶片的热应力和热变形的因素，除了叶片本身的薄壁复杂结构外，一个重要的影响因素就是在定向凝固过程中使用的型壳和型芯的高温力学性能。定向凝固过程中所使用的型壳和型芯是一种多孔隙的结构陶瓷，型壳包含面层和多层背层，其中蜡膜面层经过涂挂、撒沙、干燥，背层经过多次反复的涂挂、撒沙、干燥，脱蜡后整体烧焙形成；型芯是由基体粉末与粘结剂混合，使用热压注机压制并烧结而成。实际上，在高温作用下，陶瓷型壳、型芯会表现出复杂的力学行为。高温合金叶片在定向凝固和以后的冷却过程中，发生线收缩，固态相变引起体积膨胀或收缩，由于陶瓷型壳、型芯的相互制约而不能自由地进行，于是型壳、型芯、叶片在产生变形的同时还产生应力，这是造成型壳开裂、型芯断裂、叶片出现裂纹的重要原因之一，同时，单晶叶片出现再结晶也与其存在应力密切相关。

现阶段，国内的主要航空叶片生产单位所使用的定向凝固型壳、型芯还是参考熔模铸造设计，并且根据以往生产经验进行粉料、砂料、浆料、粘结剂的调配，而对于其在高温下应力-应变、弹性模量等力学性能关注较少，从而难以设计适用于定向凝固高温合金单晶叶片的陶瓷型壳、型芯，优化高温合金单晶叶片、陶瓷型壳、陶瓷型芯应力水平和形变。

热力模拟试验机在材料研究中得到了广泛的应用，它主要包热系统、力系统和计算机控制系统三大部分，热力系统能够准确的仿真材料加工过程中的受热和降温过程，适用于金属材料的高温力学性能和相变特性的测量。在热力模拟过程中，通过与金属试样(作为电阻)组成电流回路，从而加热金属试样，控制试样中的电流大小来改变加热速率和加热温度。由压缩实验来构建导电材料的高温力学本构方程，是目前常用的构建材料本构方程的方式。由于热力模拟试验机与加载试样组成电流回路加热试样的特点限制，其只能用于测量导电材料高温力学性能。由于压缩实验加载试样厚度与陶瓷型壳、型芯使用厚度接近，加载受力方式与陶瓷型壳、型芯实际使用受力方式类似，热力模拟试验机作为测量定向凝固高温合金单晶叶片陶瓷型壳、型芯应力-应变等力学性能具有独特的优势。

为了在热力模拟试验机上实现对陶瓷型壳、型芯等不导电材料的应力-应变、弹性模量高温测量，我们设计并开发了一种测量型壳型芯高温力学性能的外辅热装置。参考图1，其主要部件由①陶瓷试样、②高温合金压头、③碳化硅螺纹管、④刚玉套管A、⑤刚玉套管B、⑥保温纤维、⑦铁箱、⑧螺丝、⑨控温热电偶和⑩温控箱等组成。其工作原理由外部电源向温控箱供电，电流通过碳化硅螺纹管，碳化硅螺纹管能够发热升温，由于碳化硅的导电及耐高温特性，管内加热温度最高能够达到1600℃，从而形成热段的均匀高温环境。陶瓷型壳、型芯试样放置热段中心区域，并通过高温合金压头加载固定，由碳化硅螺纹管高温壁面辐射加热试样。