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背景简介

为了设计和生产能够实现越来越高水平的燃油经济性、减少 NO_x 排放和噪音，以及在不降低功率输出的同时减轻整体重量的发动机，以充分利用发动机的最大性能，燃烧过程必须在尽可能高的温度下进行。极端高温需要冷却制动盘，从而防止热疲劳和不受控制的膨胀和收缩速率。此外，涡轮机和喷嘴组件现在的运行温度远远超过其材料的温度能力，因此必须进行优化，以承受日益恶劣的温度和应力的同时又不降低结构完整性。在喷气发动机在服役期间经历的起飞、巡航、下降和着陆循环中，热段部件承受交替的热负荷和机械负荷。在这种情况下，裂纹可能会成核并蔓延至失效，即热机械疲劳失效。

成果介绍

（1）图1（a-c）所示的关系显示了所有相位角行为的一致性，该关系显示了在六个相位角上使用热成像的所有测试中，第一个疲劳裂纹、0.5 mm 裂纹周期和 1 mm 裂纹大小的周期数的估计值。如图 1 所示，可探测的裂纹尺寸与 TMF 循环次数之间存在明显的关系，这种关系随着裂纹尺寸的增加而变得更强。这种行为表明，热成像确实可以用作检测裂纹萌生的早期迹象和监测后续裂纹增长的有效工具。

图1 根据热成像技术收集的图像，TMF 失效寿命与 a) 第一次 IRT 裂纹产生时的循环次数之间的关系；b) 0.5 mm裂纹长度；c) 1 mm裂纹长度

    （2）图2 提供了试件标距长度的光学图像，以及更高放大倍率的SEM图像。可以明显看出，作为相位角的函数，试样表面的氧化行为之间存在显著差异。在0°试样中，可以看到扩展的珠状氧化物以大约45°的角度出现在断裂表面附近，表明这可能是断裂表面附近剪切应力和高应变的作用。在45°试样中可以看到相似之处，尽管氧化物是以离散的结节形式形成。90°试样的氧化似乎明显减少，出现与试样表面的氧化物无关的尖锐裂纹。相反，在−90°试样中，大量离散的氧化物结节似乎已经在试样的标距长度上形成并长成大尺寸。这些氧化物结节似乎是裂纹萌生的部位，并伴随着与这些特征相关的许多大小不一的裂纹。在-135°和 -180°试样中，观察到与90°试样中类似的的离散裂纹。

图2 从左到右和从上到下依次为主要裂纹萌生部位的纵向断口图像和 SEM     a）OP；b）−135°；c）CW 90°；d）ACW 90°；e）45°和 f）IP

（3）图3显示了不同相位角的断裂形态，所有这些形态都是在 0.95 % 的 Δε 和 R=-∞ 下测试的。在六个相位角中，可以看到 IP 试验表现出准解理型断裂，具有与脆性断裂更相关的几个特征，但由于试验期间蠕变的增加，增加了韧性凹陷的存在。这与 OP 循环的外观相反（图3a），在 OP 循环中，表面没有蠕变损伤的迹象，但晶体学特征的存在增加，主要表现为脆性失效模式。这反映在断裂表面较平坦的性质上，而失效似乎始于固有的脆性外部氧化层。这种形态也出现在 -135°（图3b）和 ACW 90° 试验（图3d）中，它们也表现出较大程度的氧化和多个表面裂纹萌生部位。同样，CW 90 的断口行为也呈现出类似的形态，存在多个表面疲劳裂纹萌生的部位。然而，在这个样品中，似乎四个相邻的位点已经聚结，并且比其他相位角的样品向材料内部扩展得更远。

图3 从左到右和从上到下依次为断口形貌和主要裂纹萌生部位的SEM  a）OP；b）−135°；c）CW 90°；d）ACW 90°；e）45°，和 f）IP。

致谢

这项工作得到了材料与制造学院（M2A）资助，并得到威尔士政府的欧洲社会基金的支持。本文第一作者和通讯作者：Jonathan Jones（Swansea University）。

本期小编 华飞龙（整理）

姚辰霖（校对）

郭子键（审核）

董乃健（发布）