基于微觀特征定量辨識(shí)的加速有效性評(píng)估方法

韓雷，廖尚紅，于圣杰，費(fèi)成巍

（1.復(fù)旦大學(xué) 航空航天系，上海200433）

（2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司科技工程部，株洲412000）

（3.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院試飛運(yùn)營(yíng)支持部，上海200135）

0 引 言

渦輪葉片是航空航天領(lǐng)域內(nèi)的典型高性能、長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，渦輪葉片工作在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速燃?xì)猸h(huán)境中，經(jīng)過長(zhǎng)期服役后容易發(fā)生渦輪葉片疲勞失效［1］。出于對(duì)使用安全性的考慮，各航空大國(guó)在眾多發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和使用規(guī)范中均明確了渦輪葉片必須遵循的壽命要求，如美國(guó)在1984年發(fā)布了MILSTD-1783《發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》（ENSIP），對(duì)渦輪葉片的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)及壽命管理等進(jìn)行了有組織、有步驟的改進(jìn)，以確保服役期間的結(jié)構(gòu)安全性、延長(zhǎng)葉片的使用壽命［2］。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的持續(xù)提升，渦輪葉片的服役載荷環(huán)境日趨復(fù)雜化，導(dǎo)致其強(qiáng)度和壽命問題變得越來越突出。因此，對(duì)于渦輪葉片疲勞壽命的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)也顯得愈加重要［3］。另外，為了進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，通常需要開展疲勞性能試驗(yàn)，尤其是全尺寸渦輪葉片的壽命試驗(yàn)，如美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、英國(guó)RR公司、瑞士聯(lián)邦材料實(shí)驗(yàn)室和北京航空航天大學(xué)等均開展了大量的研究工作［4-8］。

在開展渦輪葉片的壽命試驗(yàn)時(shí)，鑒于預(yù)測(cè)方法的分析需要（如需要多個(gè)載荷水平下的壽命數(shù)據(jù)），同時(shí)兼顧試驗(yàn)效率和成本等，常需開展載荷提高后的加速壽命試驗(yàn)。但是，由于全尺寸渦輪葉片試驗(yàn)的高度復(fù)雜性，以及開展試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的一些不合理性（如危險(xiǎn)部位確定不準(zhǔn)確、加載方案選擇不合理、載荷水平選取不恰當(dāng)?shù)龋锌赡茉斐杉铀俸蟮玫降脑囼?yàn)結(jié)果偏離設(shè)計(jì)初衷（如失效位置改變、失效模式改變、壽命偏離合理范圍等），從而影響對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的充分利用和葉片壽命的準(zhǔn)確分析［9］。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件開展加速壽命試驗(yàn)后，十分有必要進(jìn)行結(jié)果的有效性評(píng)估工作［10］。基于評(píng)估結(jié)果，確定有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行更加合理、準(zhǔn)確的疲勞壽命預(yù)測(cè)。

當(dāng)前，針對(duì)加速試驗(yàn)進(jìn)行的有效性評(píng)估，研究者已經(jīng)發(fā)展了以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（加速系數(shù)不變檢驗(yàn)［11］、分布模型參數(shù)一致檢驗(yàn)［12］、加速模型參數(shù)一致檢驗(yàn)［13］、退化軌跡一致檢驗(yàn)［14］）和物理機(jī)制分析（形貌辨識(shí)［15］、元素辨識(shí)［16］）為主的多種方法［17］。其中，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)便，應(yīng)用也較為廣泛，但通常難以揭示樣品失效的物理本質(zhì)；而物理機(jī)制分析方法是目前公認(rèn)的最為穩(wěn)妥、可靠的加速有效性評(píng)估方法，但該方法依然存在著檢測(cè)技術(shù)手段單一、缺少定量分析和對(duì)比依據(jù)不可靠等主要缺點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜載荷下的失效行為（如高低周復(fù)合疲勞、蠕變/疲勞、熱機(jī)械疲勞等），由于渦輪葉片損傷過程的復(fù)雜性，現(xiàn)有的評(píng)估方法難以揭示清楚渦輪葉片失效的物理機(jī)理，可能造成評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況之間的偏差。因此，目前亟需發(fā)展新的加速有效性評(píng)估方法，從而為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的充分利用和疲勞壽命的準(zhǔn)確分析提供更加可靠的方法支撐。

本文以現(xiàn)有的物理機(jī)制分析方法為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)整合多種先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)并引入定量表征的思想，同時(shí)采用外場(chǎng)服役的信息作為對(duì)比的依據(jù)，提出基于微觀特征定量辨識(shí)的加速有效性評(píng)估方法，構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀性能之間的定量關(guān)系，并對(duì)渦輪葉片的加速損傷和失效機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)闡釋。

1 加速有效性評(píng)估方法

本文以現(xiàn)有的物理機(jī)制分析方法為基礎(chǔ)，通過克服當(dāng)前主要缺陷，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，提出基于微觀失效特征定量辨識(shí)的加速有效性評(píng)估方法，主要包括：起裂分析、損傷機(jī)理分析、失效模式判斷和加速有效性評(píng)定四個(gè)步驟。其主要的分析流程如圖1所示。

圖1 基于微觀特征定量辨識(shí)的加速有效性評(píng)估方法分析流程Fig.1 Analysis process of accelerated effectiveness evaluation method based on microscopic feature quantitative identification

1.1 起裂分析

起裂分析主要用于從斷口形貌角度確定起裂原因，其具體的分析流程包括以下3個(gè)方面。

（1）獲取外場(chǎng)服役狀態(tài)下的起裂源特征，可進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)的微觀特征包括：起裂源數(shù)量、位置、尺寸和類型等。需要說明的是：當(dāng)無法獲得外場(chǎng)服役狀態(tài)下的起裂源特征時(shí)（比如研究對(duì)象尚未發(fā)生明顯的起裂或斷裂時(shí)），可采用未加速狀態(tài)（加速比為1）的斷口特征作為對(duì)比依據(jù)。

（2）針對(duì)加速狀態(tài)下試驗(yàn)對(duì)象的整體斷口特征進(jìn)行觀察和對(duì)比，確定其主要的微觀特征（起裂源、擴(kuò)展區(qū)或斷裂區(qū)等）；針對(duì)每個(gè)主要特征（如起裂源）進(jìn)行細(xì)致分析，確定不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下起裂源的數(shù)量、位置、尺寸和類型等，及其隨加速載荷水平的變化規(guī)律。

（3）將不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下試驗(yàn)對(duì)象的起裂源特征與外場(chǎng)服役狀態(tài)的特征進(jìn)行對(duì)比，分析試驗(yàn)對(duì)象的起裂源是否發(fā)生了明顯改變。

1.2 損傷機(jī)理分析

損傷機(jī)理分析主要用于從微觀組織演化的角度揭示試驗(yàn)對(duì)象的損傷本質(zhì)，確定主導(dǎo)微觀損傷特征，其具體的分析流程包括以下3方面。

（1）獲取外場(chǎng)服役狀態(tài)下渦輪葉片的微觀損傷演化機(jī)理；針對(duì)主要的微觀結(jié)構(gòu)演化過程確定主要損傷指標(biāo)并開展定量分析，得到設(shè)計(jì)安全壽命時(shí)的指標(biāo)信息；選定主要損傷指標(biāo)分析的門檻值，篩選得到變化程度較大的敏感指標(biāo)。

（2）針對(duì)不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下試驗(yàn)對(duì)象的主要損傷特征進(jìn)行觀察和對(duì)比，得到加速載荷水平對(duì)試驗(yàn)對(duì)象損傷演化機(jī)理的影響規(guī)律。

（3）開展不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下敏感指標(biāo)的定量統(tǒng)計(jì)，將其與設(shè)計(jì)安全壽命時(shí)的損傷特征進(jìn)行對(duì)比；選定敏感指標(biāo)分析的門檻值，并篩選得到變化程度最大的主導(dǎo)指標(biāo)，分析其隨著加速載荷水平的變化規(guī)律。

1.3 失效模式判斷

失效模式判斷主要用于從主導(dǎo)微觀損傷特征的角度判斷失效模式，其具體的分析流程包括以下兩方面。

（1）獲取外場(chǎng)服役狀態(tài)下試驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部的元素遷移規(guī)律及弱化行為，結(jié)合已有的典型損傷特征，確定試驗(yàn)對(duì)象的主要失效模式。

（2）通過對(duì)不同加速狀態(tài)下各個(gè)主導(dǎo)微觀損傷特征的定性分析，確定試驗(yàn)對(duì)象的失效模式。

1.4 加速有效性評(píng)定

綜合以上分析的結(jié)果，評(píng)估不同加速載荷水平試驗(yàn)結(jié)果的有效性，其具體的分析流程包括以下兩方面。

（1）匯總在有效性評(píng)估過程中得到的不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下試驗(yàn)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)。

（2）通過對(duì)渦輪葉片的起裂原因、損傷機(jī)理和失效模式的綜合考量，評(píng)估不同加速載荷下試驗(yàn)結(jié)果的有效性，最終確定有效加速載荷。

2 評(píng)估方法在渦輪葉片運(yùn)行管理中的應(yīng)用

為了對(duì)某型渦輪葉片進(jìn)行運(yùn)行管理，開展該渦輪葉片的加速試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疲勞性能分析和安全壽命預(yù)測(cè)。

2.1 渦輪葉片的疲勞試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下，開展該型葉片的高低周復(fù)合疲勞加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，共計(jì)采用4種試 驗(yàn) 載 荷：A 0CCF為 未 加 速 狀 態(tài)，A 1CCF、A 2CCF和A 3CCF分別為載荷依次提高后的加速狀態(tài)，具體的載荷參數(shù)和壽命數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 渦輪葉片疲勞試驗(yàn)中的載荷參數(shù)和壽命數(shù)據(jù)Table 1 Load parameters and life data in fatigue test of turbine blades

2.2 加速有效性評(píng)估

基于本文提出的方法，開展加速有效性評(píng)估。另外，為了能夠?qū)Σ煌笜?biāo)的變化程度進(jìn)行無量綱比較，還定義了指標(biāo)變化的“敏感度”，即：

式中：ζ為敏感度；g0為微觀損傷指標(biāo)的初始值，在本文中，初始值為服役狀態(tài)下的微觀損傷指標(biāo)大小；gt為變化后的微觀損傷指標(biāo)大小。

（1）起裂分析

由于本文中的渦輪葉片在外場(chǎng)服役中尚未發(fā)生明顯的起裂和斷裂失效，選擇采用未加速（A 0CCF）狀態(tài)下的斷口特征代替外場(chǎng)服役狀態(tài)的斷口特征，作為渦輪葉片起裂分析的對(duì)比依據(jù)。

不同加速載荷下的斷口起裂源的代表性圖片如圖2所示，對(duì)應(yīng)的微觀特征定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2~表3所示。

表2 渦輪葉片加速試驗(yàn)失效斷口整體形貌的定量統(tǒng)計(jì)Table 2 Quantitative statistics of the overall morphologies of fractured blades in accelerated fatigue tests

表3 渦輪葉片加速試驗(yàn)失效斷口起裂源特征的定量統(tǒng)計(jì)Table 3 Quantitative statistics of crack initiation sites of turbine blades in accelerated fatigue tests

圖2 渦輪葉片失效斷口的整體形貌與典型起裂源特征［18］Fig.2 Overall morphology and typical crack initiation sites of turbine blades in accelerated fatigue tests［18］

通過對(duì)不同加速狀態(tài)起裂源特征的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：隨著加速載荷水平的提高，渦輪葉片的裂紋萌生源數(shù)量增多，早期擴(kuò)展區(qū)的面積逐級(jí)增大，同時(shí)，起裂源特征可能發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變。在A 0CCF、A 1CCF和A 2CCF狀態(tài)，渦輪葉片的主要起裂源分別為滑移平面、鑄造孔洞和碳化物，且以穿晶起裂的形式發(fā)生［19-20］；而當(dāng)載荷增至A 3CCF狀態(tài)，渦輪葉片的疲勞起裂源以沿晶氧化為主，且起裂源數(shù)量明顯減少［21］。

（2）損傷機(jī)理分析

通過對(duì)不同狀態(tài)下微觀組織的觀察、對(duì)比與分析，揭示渦輪葉片復(fù)合疲勞加速失效的損傷機(jī)理。同時(shí)，以外場(chǎng)服役狀態(tài)下的微觀特征作為對(duì)比基準(zhǔn)，將試驗(yàn)狀態(tài)下的各個(gè)指標(biāo)與之對(duì)比，進(jìn)一步確定對(duì)加速失效行為影響最大的主導(dǎo)微觀指標(biāo)。

500倍放大倍率下觀察得到的不同加速狀態(tài)枝晶分離特征的典型形貌如圖3所示。

圖3 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪葉片枝晶分離特征的典型形貌Fig.3 Typical dendrite separation morphologies of turbine blades at different accelerated cases

從圖3可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，枝晶結(jié)構(gòu)發(fā)生分離，但晶界仍清晰可見，失效斷口表現(xiàn)出明顯的滑移特征，形成了以穿晶形式為主的裂紋；在A 2CCF狀態(tài)下，枝晶分離的趨勢(shì)增大，晶界碳化物析出變得明顯，此時(shí)形成的裂紋為穿晶、沿晶相混合的形式；在A 3CCF狀態(tài)，晶界碳化物顯著增多，枝晶分離程度進(jìn)一步增加，裂紋主要以沿晶形式形成并進(jìn)行早期擴(kuò)展。

不同試驗(yàn)狀態(tài)下枝晶分離特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及其與外場(chǎng)服役的損傷特征對(duì)比結(jié)果如表4所示，可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，各個(gè)指標(biāo)的絕對(duì)值與服役狀態(tài)的基本相當(dāng)；隨著加速載荷水平提高，孔洞平均尺寸減小、孔洞數(shù)量減少。可能是由于載荷水平提高、葉片壽命縮短，導(dǎo)致孔洞的演化不充分；雖然載荷增大也會(huì)對(duì)孔洞形成起到一定的促進(jìn)作用，但由于考核部位溫度較低，孔洞形核和長(zhǎng)大的速率十分有限，因此難以形成數(shù)量較多、尺寸較大的蠕變孔洞。

表4 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下枝晶分離特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)Table 4 Quantitative statistics of dendrite separation features at different accelerated test cases

2 000倍放大倍率下觀察得到的不同加速狀態(tài)晶界退化特征的典型形貌如圖4所示，可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，晶界碳化物主要為骨架狀形貌，但也出現(xiàn)了部分碳化物的分解；隨著加速載荷水平的提高，碳化物的尺寸減小、數(shù)量增多，并逐漸表現(xiàn)出一定的沿晶氧化特征；在A 3CCF狀態(tài)，沿晶氧化現(xiàn)象已經(jīng)變得十分顯著，同時(shí)越接近葉片表面氧化越明顯。

圖4 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪葉片晶界退化特征的典型形貌Fig.4 Typical grain boundary degradation morphologies of turbine blades at different accelerated cases

不同試驗(yàn)狀態(tài)下晶界退化特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，及其與外場(chǎng)服役的損傷特征對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下晶界退化特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)Table 5 Quantitative statistics of grain boundary degrada‐tion features at different accelerated test cases

從表5可以看出：在A 0CCF狀態(tài)下，各指標(biāo)的絕對(duì)值與服役狀態(tài)的基本相當(dāng)；隨著加速載荷水平提高，碳化物平均尺寸減小，但碳化物的數(shù)量逐漸增加，尤其在A 3CCF狀態(tài)下指標(biāo)變化的幅度更加顯著。可能是由于載荷水平提高、葉片壽命縮短，使得元素遷移和碳化物演化均未得到充分進(jìn)行，晶界碳化物仍主要表現(xiàn)為離散分布或半連續(xù)分布趨勢(shì)。

10 000倍放大倍率下觀察得到的不同加速狀態(tài)強(qiáng)化相筏化特征的典型形貌如圖5所示。

圖5 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪葉片強(qiáng)化相筏化特征的典型形貌Fig.5 Typicalγ'phase rafting morphologies of turbine blades at different accelerated cases

從圖5可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，γ'相表現(xiàn)出定向連接趨勢(shì)；在A 2CCF狀態(tài)，γ'相的連接趨勢(shì)增加，同時(shí)進(jìn)一步粗化，在γ/γ'兩相界面上析出許多富Cr顆粒物；而在A 3CCF狀態(tài)下，γ'相發(fā)生了更加明顯的定向連接，已經(jīng)表現(xiàn)出一定的筏化趨勢(shì)。

不同試驗(yàn)狀態(tài)強(qiáng)化相筏化特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及其與外場(chǎng)服役的損傷特征對(duì)比結(jié)果如表6所示，可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，各指標(biāo)的絕對(duì)值與服役狀態(tài)基本相當(dāng)；隨著加速載荷水平提高，γ'相的長(zhǎng)寬比逐漸增大，且在A 3CCF狀態(tài)更加明顯。

表6 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下強(qiáng)化相筏化特征的損傷定量統(tǒng)計(jì)Table 6 Quantitative statistics ofγ'phase rafting features at different accelerated test cases

（3）失效模式判斷

通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)：在服役過程中，渦輪葉片枝晶分離和γ'相筏化的程度不十分顯著，但是晶界退化和碳化物分解的過程，尤其是碳化物分解產(chǎn)生有害相、引發(fā)微觀缺陷、促進(jìn)沿晶裂紋和加速氧化等，使得晶界強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用減弱，對(duì)渦輪葉片的損傷演化和失效行為產(chǎn)生重要影響；另外，由于渦輪葉片內(nèi)部不同微觀結(jié)構(gòu)（如γ基體相、γ'強(qiáng)化相、晶界、碳化物、孔洞和氧化物等）抵抗外部載荷的能力不同，其強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能各有差異，而疲勞損傷主要是由應(yīng)力集中所引起的，因此在不同的外部載荷作用下，可能觸發(fā)葉片內(nèi)部不同的起裂因素，最終導(dǎo)致渦輪葉片的失效行為表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即隨著載荷水平提高，渦輪葉片的主導(dǎo)起裂源由內(nèi)部滑移平面轉(zhuǎn)變?yōu)閬啽砻婵锥础⑻蓟铮龠M(jìn)一步轉(zhuǎn)變成表面氧化。

將疲勞壽命的加速比隨著高周應(yīng)力水平的變化關(guān)系繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，如圖6所示。

圖6 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪葉片的疲勞起裂與損傷演化特征Fig.6 Fatigue crackings and damage evolutions of turbine blades at different accelerated testing cases

從圖6可以看出：由A 0CCF到A 2CCF狀態(tài)，疲勞壽命的加速比基本未發(fā)生改變；然而，由A 2CCF到A 3CCF狀態(tài)，疲勞壽命的加速比表現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)。由此可以推測(cè)：在高低周復(fù)合疲勞加速失效的過程中，當(dāng)高周載荷的幅值增大到一定程度，其作用效果可能逐漸體現(xiàn)出一定的低周損傷特征，因此其會(huì)與原有的低周載荷一起，使得渦輪葉片表現(xiàn)出更加明顯的低周損傷趨勢(shì)。

為了更加直觀地進(jìn)行說明，采用疲勞條帶特征進(jìn)行判斷。在高低周復(fù)合疲勞的失效過程中，通常低周載荷的幅值較大，高周載荷的幅值較小，當(dāng)兩種載荷共同作用時(shí)，就可能在疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)形成大小相間的疲勞條帶。不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下的渦輪葉片疲勞條帶特征的對(duì)比情況如圖7和表7所示，可以看出：在A 0CCF狀態(tài)，擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)存在明顯的大小相間疲勞條帶；在A 2CCF狀態(tài)，也觀察到了大小相間的條帶特征，但較寬條帶內(nèi)部的細(xì)小條帶特征不如A 0CCF狀態(tài)明顯；在A 3CCF狀態(tài)，已基本沒有再觀察到細(xì)小的疲勞條帶，僅觀察到了較寬的大條帶特征；另外，隨著載荷水平的提高，大條帶的寬度也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

表7 疲勞條帶寬度隨加速載荷水平的變化規(guī)律Table 7 Variation of fatigue strip width with the acceleration load level

圖7 不同加速試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪葉片的疲勞條帶特征對(duì)比［20］Fig.7 Comparison of fatigue strips of turbine blades at different accelerated testing cases

由此判斷：A 0CCF和A 2CCF載荷下，渦輪葉片發(fā)生了典型的高低周復(fù)合疲勞失效；而在A 3CCF載荷下，可能表現(xiàn)出了更加明顯的低周疲勞失效特征。

（4） 加速有效性評(píng)定

基于本文中依次開展的起裂原因分析、損傷機(jī)理分析和失效模式判斷，開展渦輪葉片的加速有效性評(píng)定，相關(guān)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表8 渦輪葉片加速壽命試驗(yàn)有效性評(píng)估過程中的主要參數(shù)匯總Table 8 Summary of main parameters in effectiveness evaluation of turbine blade accelerated testings

從表8可以看出：在A 0CCF狀態(tài)時(shí)，渦輪葉片的失效特征與外場(chǎng)服役安全壽命時(shí)基本相同，且最終以高低周復(fù)合疲勞模式失效；在A 1CCF和A 2CCF狀態(tài)，渦輪葉片的主要起裂源為亞表面夾雜，雖然與A 0CCF狀態(tài)的起裂形式略有區(qū)別，但仍屬于穿晶起裂，且為高、低周損傷共同主導(dǎo)的失效模式，因此試驗(yàn)結(jié)果合理、有效；但在A 3CCF狀態(tài)，渦輪葉片的起裂源轉(zhuǎn)變?yōu)橐员砻嫜趸癁橹鳎抑鲗?dǎo)損傷為低周損傷，同時(shí)以沿晶形式進(jìn)行早期擴(kuò)展，因此試驗(yàn)中可能出現(xiàn)了過加速現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果無效。

由此，可以判定：A 1CCF和A 2CCF載荷為有效加速載荷，可采用A 1CCF、A 2CCF載荷下的壽命數(shù)據(jù)，通過將其外推折算到正常載荷水平，預(yù)測(cè)該型渦輪葉片的高低周復(fù)合疲勞壽命。

2.3 復(fù)合疲勞壽命預(yù)測(cè)

在確定了有效加速載荷和有效壽命數(shù)據(jù)后，即可預(yù)測(cè)該型渦輪葉片的復(fù)合疲勞安全壽命。

首先，基于已確定的應(yīng)力—壽命關(guān)系，將所有的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)（A 1CCF、A 2CCF載荷下的壽命數(shù)據(jù)）折算到未加速狀態(tài)；然后，分別采用對(duì)數(shù)正態(tài)、威布爾等分布函數(shù)擬合折算得到的數(shù)據(jù)和未加速數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)分布規(guī)律；最后，基于確定的分布規(guī)律，采用商用軟件等預(yù)測(cè)該型渦輪葉片的安全壽命。鑒于篇幅的限制，此處不再詳細(xì)展開壽命預(yù)測(cè)的全過程，但前期研究結(jié)果顯示：剔除無效數(shù)據(jù)和未剔除無效數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果顯示出明顯的差異性。因此，在開展加速試驗(yàn)后，非常有必要進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的有效性評(píng)估工作。

通過上面的方法應(yīng)用，本文提出的有效性評(píng)估方法能夠克服現(xiàn)有物理機(jī)制分析方法的主要缺點(diǎn)，其分析精度更高、評(píng)估結(jié)果也更加可靠。因此，可以將其應(yīng)用于渦輪葉片等高溫疲勞加速壽命試驗(yàn)的有效性評(píng)估過程中。在評(píng)估并確定了有效加速載荷后，即可采用該載荷下的壽命數(shù)據(jù)，通過外推、折算得到正常工作條件下的壽命數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)該試驗(yàn)對(duì)象的安全壽命。

3 結(jié) 論

（1）本文提出的評(píng)估方法有效克服了單一技術(shù)手段對(duì)于辨識(shí)能力的限制，并采用定量方式直觀表征了渦輪葉片的加速損傷演變規(guī)律，使得評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

（2）A 0CCF狀態(tài)，渦輪葉片的失效特征與外場(chǎng)服役基本相同；A 1CCF和A 2CCF狀態(tài)，渦輪葉片仍屬穿晶起裂，且為高、低周共同主導(dǎo)的失效模式；在A 3CCF狀態(tài)，渦輪葉片出現(xiàn)了過加速現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果無效。因此A 1CCF和A 2CCF為有效加速載荷。

（3）本文提出的基于微觀特征定量辨識(shí)的加速有效性評(píng)估方法，顯著提高了航空長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的分析精度，大幅度降低了試驗(yàn)成本，可為航空高性能結(jié)構(gòu)的運(yùn)行管理提供新的技術(shù)途徑。