Метода за анализу пукотина интегралног прстена лопатице аеромотора

Са побољшањем перформанси авио-мотора, лагани и високоефикасни материјали за лопатице турбина постали су тренд у развоју. Композити матрице титанијума ојачани силицијум карбидом дугим влакнима привукли су велику пажњу због свог доброг ефекта смањења тежине и способности да издрже прстенаста оптерећења. Овај материјал лопатица турбине има високу чврстоћу, отпорност на високе температуре и одличне особине замора и пузања. Производни процес укључује ковање легуре титанијума у ​​облик сечива, резервисање прореза у прстену сечива за попуњавање композитног материјала, који се затим чврсто везује технологијом врућег изостатичког пресовања.

У овој студији, век трајања лопатица И који користе ФХТ+ХИП процес и лопатица ИИ који користе само ФХТ процес је тестиран због вибрацијског замора, а циљни број циклуса био је 3×10^7. Оштрица И је завршила тест 1,8×10^7 пута због пукотине на врху, док је оштрица ИИ положила тест. Макроскопским прегледом, анализом лома, испитивањем материјала, механичким испитивањем и симулацијом коначних елемената, анализиране су карактеристике прслине и узроци сечива И како би се утврдио начин његовог лома.

1. Процес испитивања и резултати

1.1 Макроскопска инспекција

Резултати детекције флуоресценције пукотине сечива И приказани су на слици 1. Било је пукотина у близини врха сечива, а флуоресценција је показала да су пукотине продрле у правцу дебљине сечива, а пукотине су биле удаљене око 33 мм од улазна ивица сечива.

1.2 Анализа лома

Пукотина сечива је отворена, а макроморфологија прелома је приказана на слици 2. Прелом је сивкасто беле боје, а боја се очигледно разликује од вештачки отвореног подручја. Укупна флуктуација прелома је мала, а карактеристике зрачећих ивица и лукова замора су очигледне, што указује на то да је прелом пукотина услед замора. Фокусирајте се на јавни број: прво снаге две машине, бесплатан приступ огромним подацима о две машине, фокус на знање о две машине и кључне технологије!

Скенирајућа електронска микроскопија поља (СЕМ) коришћена је за микроскопско посматрање пукотине на сечиву, и утврђено је да се ивице које зраче и лукови замора конвергирају на дорзалној површини сечива, што указује да је замор почео одатле и представљао карактеристика једног извора. Локација изворишног региона је приказана у области црвене линије на Слици 2. Даље појачано посматрање је показало да је хабање у области извора замора било велико и да нису примећени очигледни металуршки дефекти (област црне линије на Слици 3а). Резултати анализе енергетског спектра показују да је садржај О у овом региону очигледно већи од оног у матриксу, а остали елементи немају очигледне абнормалности. У области проширења могу се видети јасне траке замора и секундарне пукотине, што додатно потврђује природу лома као замора (Слика 3б). Ознаке обраде сечива (Сл. 4) биле су видљиве на бочној површини изворишне области, која је имала одређени угао са пукотином, што указује да промоција иницијације пукотине није била значајна. Макро положај региона извора замора на задњој страни сечива је приказан на слици 5. Изворни регион је око 15 мм од крајње стране врха сечива и 20 мм од улазне ивице, и простире се на обе стране врх сечива и улазна ивица.

Испитивања механичких перформанси обављена су на сечивима И и ИИ, са по 4 узорка из сваке оштрице. Испитивање затезања на собној температури спроведено је према ХБ 5143-1996 стандарду, брзина оптерећења је била 1 мм/мин, а испитана су два узорка у сваком стању. Резултати су приказани у табели 2. Испитивање замора током високог циклуса на собној температури спроведено је према ХБ 5287-1996 стандарду, а за свако стање су тестирана два узорка. Резултати су приказани у табели 3.

Граница течења и затезна чврстоћа сечива И су нешто нижа од оне код сечива ИИ, издужење је слично, али је скупљање пресека очигледно другачије, а сечиво И нема очигледно грло. Испитивање замора на собној температури показало је да су перформансе замора сечива И биле знатно ниже од оне код сечива ИИ. Сечива третирана ФХТ-ом могу да испуне захтеве испитивања 3×10^7 пута, док сечива третирана са ФХТ+ХИП-ом не могу да испуне захтеве испитивања, што је у складу са резултатима испитивања вибрационог замора.

1.5 Анализа стреса

Замор сечива И од пукотине потиче од задње површине сечива и има одређено растојање од врха и бочне стране сечива. Да би се анализирала веза између порекла замора и дистрибуције напона, анализа површинског напона сечива се спроводи у софтверу за симулацију коначних елемената АНСИС.

У моделу коначних елемената лопатице, елемент Ц3Д10 је коришћен за поделу мреже, са укупно 12 035 елемената и 48 216 чворова. За анализу симулације коначних елемената коришћен је режим вибрација савијања првог реда. Референтна тачка је био врх лопатице улазне ивице, а гранично стање шипчастог дела изабрано је као ослонац корена. Резултати расподеле напона су приказани на Сл. 8. Може се видети да постоје три тачке високог нивоа напрезања на сечиву, тачка максималног напрезања је на задњој страни сечива, а тачка већег напрезања је близу крајње површине врха и улазне ивице базена сечива страна. Одговарајуће локације високог напрезања приказане су у табели 4. Замор сечива И потиче од задње површине сечива, а површина извора је око 15 мм од врха сечива и 20 мм од улазне ивице, што је у основи доследно са положајем зоне максималног напрезања Ц сечива.

2. Анализа и дискусија

Анализа лома показује да су карактеристике пукотине сечива И у складу са карактеристикама високог циклусног замора, а број радних циклуса достиже 1,87×10^7 пута. Оштрице третиране поступком ФХТ (термичке обраде) могу испунити захтеве теста од 3×10^7 пута; Међутим, сечива третирана ФХТ+ХИП (вруће изостатичко пресовање) су се поломила након само 3×10^6 циклуса, а њихова пластичност и својства замора су се значајно смањила.

Лист ИИ се третира ФХТ поступком како би се формирала структура мрежасте корпе, а игласта фаза је распоређена у зрну, чиме се побољшавају својства чврстоће и замора материјала. С друге стране, након ФХТ+ХИП третмана, зрно лопатице И значајно расте, а секундарна фаза се континуирано распоређује на граници зрна , што доводи до тога да се пукотина лако шири дуж границе зрна, чиме се смањује отпорност на замор.

Анализа коначних елемената показује да се тачка максималног напрезања сечива налази на задњој страни сечива, што је у складу са положајем изворишног региона пукотине И сечива. Ово указује да је област максималног напрезања највероватније место за појаву заморних пукотина. За ХИП обрађену оштрицу И, због раста зрна и постојања континуиране фазе, ова област је склонија раном пуцању од замора.

Резултати показују да секундарно ковање легуре титанијума након третмана старењем може подстаћи сферодизацију иглене фазе и формирати фину еквиаксијалну структуру у прелазном стању. Иако је жилавост лома ове структуре нешто нижа од структуре мрежасте корпе, можда је погоднија за ковање прстена са интегралним сечивом. Због тога се препоручује да се подеси редослед обраде и примени секундарно ковање након врућег изостатичког пресовања како би се избегло неповољно формирање границе зрна у континуалној фази и побољшале укупне перформансе сечива.

3. Закључци и предлози

1) Након ФХТ+ ХИП третмана, својство пукотине интегралног прстенастог сечива је замор високог циклуса, а заморна пукотина потиче од зоне максималног напрезања на задњој површини сечива.

2) Након ХИП третмана, постоји континуирани филм са равном границом зрна, што значајно смањује отпорност на замор и доводи до прераног покретања заморних пукотина.

3) Препоручује се да се изврши секундарни третман ковања након процеса врућег изостатичког пресовања да би се добила фина сфероидизована структура у прелазном стању како би се избегао негативан утицај граница зрна континуалне фазе на перформансе.