Wraz z poprawą osiągów silników lotniczych, trendem rozwijającym się są lekkie i wysokowydajne materiały na łopatki turbin. Kompozyty z osnową tytanową wzmocnioną długimi włóknami węglika krzemu cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na dobry efekt redukcji masy i zdolność wytrzymywania obciążeń pierścieniowych. Ten materiał łopatek turbiny ma wysoką wytrzymałość, odporność na wysoką temperaturę oraz doskonałe właściwości zmęczeniowe i pełzania. Proces produkcyjny obejmuje kucie stopu tytanu w kształt ostrza, z pozostawieniem szczelin w pierścieniu ostrza w celu wypełnienia materiału kompozytowego, który następnie jest szczelnie łączony za pomocą technologii prasowania izostatycznego na gorąco.
W pracy zbadano trwałość zmęczeniową drgań ostrzy I w procesie FHT+HIP oraz ostrzy II w procesie FHT, a docelowa liczba cykli wynosiła 3×10^7. Ostrze I zakończyło test przy 1,8×10^7 razy z powodu pęknięcia końcówki, natomiast ostrze II przeszło test. Za pomocą kontroli makroskopowej, analizy pęknięć, testów materiałowych, testów mechanicznych i symulacji elementów skończonych, przeanalizowano charakterystykę pęknięć i przyczyny ostrza I w celu określenia trybu jego awarii.
1. Proces testowy i wyniki
1.1 Kontrola makroskopowa
Wyniki detekcji fluorescencji pęknięcia I ostrza pokazano na rysunku 1. Wystąpiły pęknięcia w pobliżu końcówki ostrza, a fluorescencja pokazała, że pęknięcia przeniknęły w kierunku grubości ostrza, a pęknięcia były oddalone o około 33 mm od krawędź wlotowa ostrza.
1.2 Analiza pęknięć
Pęknięcie ostrza zostaje otwarte, a makromorfologię złamania pokazano na rycinie 2. Pęknięcie jest szaro-białe, a kolor wyraźnie różni się od obszaru sztucznie otwartego. Ogólna fluktuacja pęknięcia jest niewielka, a charakterystyka promieniujących krawędzi i łuków zmęczeniowych jest oczywista, co wskazuje, że pęknięcie jest pękaniem zmęczeniowym. Skoncentruj się na numerze publicznym: najpierw moc dwóch maszyn, bezpłatny dostęp do ogromnych danych dwóch maszyn, skoncentruj się na wiedzy o dwóch maszynach i kluczowych technologiach!
Do mikroskopowej obserwacji pęknięć ostrza zastosowano skaningową mikroskopię elektronową z emisją polową (SEM) i stwierdzono, że promieniujące krawędzie i łuki zmęczeniowe zbiegają się na grzbietowej powierzchni ostrza, co wskazuje, że zmęczenie zaczęło się od tego miejsca i miało charakter funkcja jednego źródła. Położenie obszaru źródłowego pokazano w obszarze czerwonej linii na rysunku 2. Dalsze wzmocnione obserwacje wykazały, że zużycie w obszarze źródła zmęczenia było duże i nie zaobserwowano żadnych widocznych defektów metalurgicznych (obszar czarnej linii na rysunku 3a). Wyniki analizy widma energii pokazują, że zawartość O w tym obszarze jest wyraźnie wyższa niż w matrycy, a pozostałe pierwiastki nie wykazują wyraźnych nieprawidłowości. W obszarze przedłużenia można dostrzec wyraźne pasma zmęczeniowe i wtórne pęknięcia, co dodatkowo potwierdza charakter pęknięcia jako zmęczeniowego (RYS. 3b). Na bocznej powierzchni obszaru źródłowego widoczne były ślady obróbki ostrza (RYS. 4), które posiadały pewien kąt względem pęknięcia, co wskazywało, że sprzyjanie inicjacji pęknięcia nie było znaczące. Makropołożenie obszaru źródła zmęczenia na tylnej stronie łopaty pokazano na rysunku 5. Obszar źródła znajduje się około 15 mm od czoła końcówki ostrza i 20 mm od krawędzi wlotowej i rozciąga się po obu stronach końcówkę ostrza i krawędź wlotową.
Badania mechaniczne przeprowadzono na łopatach I i II, pobierając po 4 próbki z każdej łopaty. Próbę rozciągania w temperaturze pokojowej przeprowadzono zgodnie ze standardem HB 5143-1996, prędkość ładowania wynosiła 1 mm/min, a w każdym stanie badano dwie próbki. Wyniki przedstawiono w tabeli 2. Wysokocyklowe badanie zmęczeniowe w temperaturze pokojowej przeprowadzono zgodnie ze standardem HB 5287-1996, a dla każdego stanu zbadano dwie próbki. Wyniki przedstawiono w tabeli 3.
Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie ostrza I są nieco niższe niż ostrza II, wydłużenie jest podobne, ale skurcz przekroju jest oczywiście inny, a ostrze I nie ma wyraźnego przewężenia. Próba zmęczeniowa w temperaturze pokojowej wykazała, że wytrzymałość zmęczeniowa ostrza I była znacznie niższa niż ostrza II. Ostrza poddane obróbce FHT mogą spełnić wymagania testowe 3×10^7 razy, podczas gdy ostrza poddane obróbce FHT+HIP nie mogą spełnić wymagań testowych, co jest zgodne z wynikami testów trwałości zmęczeniowej wibracyjnej.
1.5 Analiza naprężeń
Zmęczenie pękaniem ostrza I ma swoje źródło w tylnej powierzchni ostrza i występuje w pewnej odległości od czoła ostrza i boku ostrza. W celu analizy zależności pomiędzy genezą zmęczenia a rozkładem naprężeń, przeprowadza się analizę naprężeń powierzchniowych łopatki w programie symulacyjnym elementów skończonych ANSYS.
W modelu łopaty opartym na elementach skończonych do podziału siatki wykorzystano element C3D10, składający się w sumie z elementów 12 035 i 48 216 węzłów. Do analizy symulacyjnej elementów skończonych wykorzystano tryb drgań zginających pierwszego rzędu. Punktem odniesienia był wierzchołek łopatki krawędzi wlotowej, a jako podporę graniową wybrano stan brzegowy części czopowej. Wyniki rozkładu naprężeń pokazano na FIG. 8. Można zauważyć, że na ostrzu znajdują się trzy punkty o wysokim poziomie naprężenia, maksymalny punkt naprężenia znajduje się z tyłu ostrza, a najwyższy punkt naprężenia znajduje się w pobliżu powierzchni czołowej ostrza i krawędzi wlotowej niecki łopaty strona. Odpowiednie miejsca występowania dużych naprężeń przedstawiono w tabeli 4. Zmęczenie ostrza I ma swoje źródło w tylnej powierzchni ostrza, a obszar źródłowy znajduje się w odległości około 15 mm od czubka ostrza i 20 mm od krawędzi wlotowej, co jest w zasadzie spójne z położeniem strefy maksymalnego naprężenia C ostrza.
2. Analiza i dyskusja
Z analizy pęknięć wynika, że charakterystyka pęknięć ostrza I jest zgodna z charakterystyką zmęczenia wysokocyklowego, a liczba cykli pracy sięga 1,87×10^7 razy. Ostrza poddane obróbce FHT (obróbka cieplna) mogą spełnić wymagania testowe 3×10^7 razy; Jednakże ostrza poddane obróbce FHT+HIP (prasowanie izostatyczne na gorąco) pękały już po 3×10^6 cyklach, a ich plastyczność i właściwości zmęczeniowe znacznie spadły.
Liść II poddawany jest obróbce metodą FHT w celu utworzenia siatkowej struktury koszyczkowej, a faza iglasta jest rozłożona w ziarnie, co poprawia właściwości wytrzymałościowe i zmęczeniowe materiału. Natomiast po obróbce FHT+HIP ziarno ostrza I znacznie wzrasta, a faza wtórna jest w sposób ciągły rozmieszczona na granicy ziaren , co powoduje łatwe rozprzestrzenianie się pęknięcia wzdłuż granicy ziaren, zmniejszając w ten sposób odporność zmęczeniową.
Z analizy elementów skończonych wynika, że punkt maksymalnego naprężenia łopatki znajduje się na tylnej stronie łopatki, co jest zgodne z położeniem obszaru źródłowego pęknięcia I łopatki. Wskazuje to, że obszar maksymalnych naprężeń jest najbardziej prawdopodobnym miejscem wystąpienia pęknięć zmęczeniowych. W przypadku ostrza I poddanego obróbce HIP, ze względu na wzrost ziaren i występowanie fazy ciągłej, obszar ten jest bardziej podatny na wczesne pękanie zmęczeniowe.
Wyniki pokazują, że wtórne odkuwanie stopu tytanu po obróbce starzenia może sprzyjać sferodyzacji fazy igłowej i tworzyć drobną strukturę równoosiową w stanie przejściowym. Chociaż odporność na pękanie tej konstrukcji jest nieco niższa niż w przypadku konstrukcji kosza siatkowego, może być ona bardziej odpowiednia do kucia integralnego pierścienia ostrza. Dlatego zaleca się dostosowanie sekwencji przetwarzania i wykonanie kucia wtórnego po prasowaniu izostatycznym na gorąco, aby uniknąć niekorzystnego tworzenia się granicy ziaren w fazie ciągłej i poprawić ogólną wydajność ostrza.
3. Wnioski i sugestie
1) Po obróbce FHT+ HIP, właściwością pęknięcia integralnego ostrza pierścieniowego jest zmęczenie wysokocyklowe, a pęknięcie zmęczeniowe ma swoje źródło w strefie maksymalnego naprężenia na tylnej powierzchni ostrza.
2) Po obróbce HIP powstaje ciągły film o prostych granicach ziaren, co znacznie zmniejsza odporność zmęczeniową i prowadzi do przedwczesnej inicjacji pęknięć zmęczeniowych.
3) Zaleca się przeprowadzenie dodatkowej obróbki kucia po procesie prasowania izostatycznego na gorąco w celu uzyskania drobnej sferoidalnej struktury w stanie przejściowym, aby uniknąć niekorzystnego wpływu granic ziaren fazy ciągłej na wydajność.
