[发明专利]一种陶瓷基复合材料榫接结构拉-拉疲劳试验夹具及试验方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷基复合材料榫接结构拉‑拉疲劳试验夹具及试验方法，可满足陶瓷基复合材料涡轮叶片榫接结构高温/常温条件下的静强度以及各种疲劳试验的加载需求。本套夹具上下段均采用圆棒形夹具与疲劳试验机连接，上下圆棒均通过螺纹连接其他零件。上侧零件包括上侧圆棒、U型板、销钉、夹板、夹板螺栓、垫片；下侧部件由横向夹片、纵向夹片、过渡段和下侧圆棒组成；本套夹具能够灵活适应不同尺寸的陶瓷基复合材料榫头试件，同时避免了燕尾形、销钉或螺纹夹持造成的夹持段断裂导致试验失败的问题，能够用于复合材料榫接部位室温至1100℃、0N至100kN拉伸载荷试验条件，特别是对温度场均匀性要求较高的疲劳或静强度试验。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料榫接结构试验力学性能评估领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料榫接结构拉-拉疲劳试验夹具及试验方法。

背景技术

陶瓷基复合材料由于低密度和耐高温性能而被认为是下一代航空燃气涡轮发动机涡轮叶片的潜在材料选择。而热端部件的叶盘连接部位处于高温、高压和高转速的工作环境中，同时又叠加了陶瓷基复合材料/高温合金接触和磨损等因素，使得叶盘连接的榫接部位服役环境十分恶劣，极易引发疲劳失效。因此，在陶瓷基复合材料应用于工程实际之前，需在实验室环境中针对榫接结构开展大量真实载荷条件下的模拟试验，探究其强度和疲劳性能，并发展可靠的力学性能评估方法，为新一代航空发动机性能的提升奠定基础。

在传统的金属高温力学性能试验中，多采用销钉、燕尾槽或螺纹等夹持方式。但是针对陶瓷基复合材料这类脆性的各向异性材料，销钉夹持需要在试件的夹持段开销钉孔，而开孔会打断纤维造成损伤；燕尾形夹持会使得试件夹持段出现纤维偏折和基体富集区；而采用陶瓷基复合材料加工螺纹目前工艺上尚存在一定问题。因此，现有的夹具难以应用于陶瓷基复合材料的高温力学试验中。另一方面，探究性试验需要改变榫头的结构尺寸，这对夹具的通用性也提出了要求；大载荷条件下，榫槽的过度变形会使得榫头试件会出现拉脱，导致试验失败、因此，为保证试验的顺利进行、避免以上问题的出现，目前急需一种陶瓷基复合材料榫接结构拉-拉疲劳试验的夹具，既能保证试件夹持部位的稳固性，同时能够针对不同尺寸的榫头提升夹具的通用性。

针对陶瓷基复合材料榫接结构试验存在以下显著问题：(1)如何确保不能打孔、不能截面突变、无法加工螺纹的复合材料试件夹持的稳固性。(2)如何针对不同尺寸的榫头试件提升夹具的通用性。(3)如何保证大载荷条件下榫头试件不出现拉脱的情况。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的试验夹具设计及试验方法。因此，有必要发展一种陶瓷基复合材料榫接结构拉-拉疲劳试验夹具设计及试验方法，以解决上述问题。

中国发明专利CN201810570207.0公开了一种陶瓷基复合材料榫连结构高温强度测试试验装置，这种方法也采用了螺栓压紧、通过摩擦夹持的方法，但是夹具弧面较多，加工难度大、成本高，同时针对不同尺寸的榫头试件需要更换整套夹具，进一步抬升了试验成本。

中国发明专利CN202010271891.X公开了一种复合材料拉伸强度测试的夹具，这种方法通过销钉孔的方式进行夹持，但是在复合材料夹持段打孔会使得夹持段纤维断裂承载能力降低，在试验过程中极易出现试件断在夹持段导致试验失败的问题。

现有文献“康永强,陈勇.铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析[J].航空动力学报,2020,35(02):388-396.”展示了一种铺层复合材料风扇叶片榫头试验的试验装置，同样具有榫头夹持段打孔的问题。该文献采用加大榫槽的方式来防止榫头拉脱的出现，但是由于榫槽过大超出了高温炉的尺寸，因此不适用于高温力学试验。