S poboljšanjem performansi zrakoplovnih motora, lagani i visoko učinkoviti materijali za lopatice turbina postali su trend u razvoju. Kompoziti titanske matrice ojačani dugim vlaknima silicijevim karbidom privukli su veliku pozornost zbog svog dobrog učinka smanjenja težine i sposobnosti da izdrže prstenasta opterećenja. Ovaj materijal lopatica turbine ima visoku čvrstoću, otpornost na visoke temperature i izvrsna svojstva zamora i puzanja. Proizvodni proces uključuje kovanje legure titana u oblik oštrice, ostavljajući utore u prstenu oštrice za popunjavanje kompozitnog materijala, koji se zatim čvrsto povezuje tehnologijom vrućeg izostatičkog prešanja.
U ovoj studiji ispitan je otpornost na vibracije lopatica I pomoću FHT+HIP postupka i lopatica II uz samo FHT postupak, a ciljani broj ciklusa bio je 3×10^7. Oštrica I prekinula je test pri 1,8×10^7 puta zbog pukotine na vrhu, dok je oštrica II prošla test. Makroskopskom inspekcijom, analizom loma, ispitivanjem materijala, mehaničkim ispitivanjem i simulacijom konačnih elemenata analizirane su karakteristike pukotine i uzroci lopatice I kako bi se odredio njezin način sloma.
1. Proces ispitivanja i rezultati
1.1 Makroskopski pregled
Rezultati detekcije fluorescencije pukotine lopatice I prikazani su na slici 1. Bilo je pukotina u blizini vrha lopatice, a fluorescencija je pokazala da su pukotine probile u smjeru debljine lopatice, a pukotine su bile oko 33 mm udaljene od ulazni rub oštrice.
1.2 Analiza loma
Pukotina oštrice je otvorena, a makromorfologija prijeloma prikazana je na slici 2. Prijelom je sivobijel, a boja se očito razlikuje od umjetno otvorenog područja. Ukupna fluktuacija loma je mala, a karakteristike zračećih rubova i lukova zamora su očite, što ukazuje da je lom pukotina uslijed zamora. Usredotočite se na javni broj: prvo snaga dva stroja, besplatan pristup ogromnim podacima dva stroja, usredotočite se na znanje dva stroja i ključne tehnologije!
Emisiona skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) korištena je za mikroskopsko promatranje loma pukotine na lopatici i otkriveno je da su se rubovi koji zrače i zamorni lukovi skupljaju na dorzalnoj površini lopatice, što ukazuje da je zamor započeo od tamo i predstavljao značajka jednog izvora. Lokacija područja izvora prikazana je u području crvene linije na slici 2. Daljnje pojačano promatranje pokazalo je da je trošenje u području izvora zamora bilo veliko i da nisu primijećeni očiti metalurški nedostaci (područje crne linije na slici 3a). Rezultati analize energetskog spektra pokazuju da je sadržaj O u ovoj regiji očito viši od onog u matrici, a ostali elementi nemaju očitu abnormalnost. Jasne trake zamora i sekundarne pukotine mogu se vidjeti u području proširenja, dodatno potvrđujući prirodu loma kao zamor (Slika 3b). Oznake strojne obrade oštrice (Slika 4) bile su vidljive na bočnoj površini područja izvora, koje je imalo određeni kut s pukotinom, što ukazuje da poticanje nastanka pukotine nije bilo značajno. Makro položaj područja izvora zamora na stražnjoj strani lopatice prikazan je na slici 5. Područje izvora je oko 15 mm od čeone strane vrha lopatice i 20 mm od ulaznog ruba, te se proteže na obje strane vrh oštrice i ulazni rub.
Ispitivanja mehaničkih svojstava provedena su na lopaticama I i II, s 4 uzorka uzeta od svake lopatice. Ispitivanje vlačne čvrstoće na sobnoj temperaturi provedeno je prema HB 5143-1996 standardu, brzina opterećenja bila je 1 mm/min, a ispitana su po dva uzorka u svakom stanju. Rezultati su prikazani u tablici 2. Ispitivanje visokocikličnim zamorom na sobnoj temperaturi provedeno je prema standardu HB 5287-1996, a za svako stanje ispitana su po dva uzorka. Rezultati su prikazani u tablici 3.
Granica tečenja i vlačna čvrstoća lopatice I su nešto niže nego one za lopaticu II, produljenje je slično, ali skupljanje presjeka je očito drugačije, a oštrica I nema očigledan vrat. Ispitivanje zamora na sobnoj temperaturi pokazalo je da je učinak zamora noža I bio znatno niži nego kod noža II. Noževi tretirani FHT-om mogu zadovoljiti zahtjeve ispitivanja od 3×10^7 puta, dok noževi tretirani FHT+HIP-om ne mogu ispuniti zahtjeve ispitivanja, što je u skladu s rezultatima ispitivanja vijeka trajanja od zamora od vibracija.
1.5 Analiza naprezanja
Zamor lopatice od pukotine I potječe od stražnje površine lopatice i ima određenu udaljenost od čeone strane vrha i bočne strane lopatice. Kako bi se analizirao odnos između podrijetla zamora i raspodjele naprezanja, analiza površinskog naprezanja lopatice provodi se u softveru za simulaciju konačnih elemenata ANSYS.
U modelu konačnih elemenata lopatice, element C3D10 korišten je za podjelu mreže, s ukupno 12 035 elemenata i 48 216 čvorova. Mod savijanja prvog reda korišten je za analizu simulacije konačnih elemenata. Referentna točka je bio vrh lopatice ulaznog ruba, a rubni uvjet dijela klina odabran je kao korijenski oslonac. Rezultati raspodjele naprezanja prikazani su na Sl. 8. Može se vidjeti da postoje tri točke visoke razine naprezanja na oštrici, najveća točka naprezanja je na stražnjoj strani oštrice, a veća točka naprezanja je blizu čeone površine vrha i ulaznog ruba bazena oštrice. strana. Odgovarajuće lokacije visokog naprezanja prikazane su u tablici 4. Zamor lopatice I potječe od stražnje površine lopatice, a područje izvora je oko 15 mm od vrha lopatice i 20 mm od ulaznog ruba, što je u osnovi dosljedno s položajem zone maksimalnog naprezanja C oštrice.
2. Analiza i rasprava
Analiza loma pokazuje da karakteristike pukotina lopatice I odgovaraju karakteristikama zamora visokog ciklusa, a broj radnih ciklusa doseže 1,87×10^7 puta. Oštrice tretirane postupkom FHT (toplinska obrada) mogu zadovoljiti zahtjeve ispitivanja od 3×10^7 puta; Međutim, oštrice tretirane FHT+HIP (vrućim izostatičkim prešanjem) pukle su nakon samo 3×10^6 ciklusa, a njihova plastičnost i svojstva zamora značajno su se smanjila.
List II se tretira FHT postupkom kako bi se formirala mrežasta struktura košare, a igličasta faza se raspoređuje u zrnu, što poboljšava čvrstoću i svojstva zamora materijala. S druge strane, nakon tretmana FHT+HIP, zrno oštrice I značajno raste, a sekundarna faza kontinuirano se raspoređuje na granici zrna od , što dovodi do lakog širenja pukotine duž granice zrna, čime se smanjuje otpornost na zamor.
Analiza konačnih elemenata pokazuje da se najveća točka naprezanja lopatice nalazi na stražnjoj strani lopatice, što je u skladu s položajem područja izvora pukotine I lopatice. Ovo ukazuje da je područje najvećeg naprezanja najvjerojatnije mjesto za pojavu pukotina uslijed zamora. Za oštricu I tretiranu HIP-om, zbog rasta zrna i postojanja kontinuirane faze, ovo područje je sklonije ranom pucanju uslijed zamora.
Rezultati pokazuju da sekundarno kovanje titanijske legure nakon tretmana starenjem može pospješiti sferodizaciju igličaste faze i formirati finu ekviaksijalnu strukturu prijelaznog stanja. Iako je otpornost na lom ove strukture nešto niža od one strukture mrežne košare, ona bi mogla biti prikladnija za kovanje integralnog prstena oštrice. Stoga se preporučuje prilagoditi redoslijed obrade i provesti sekundarno kovanje nakon vrućeg izostatičkog prešanja kako bi se izbjeglo nepovoljno kontinuirano formiranje granica zrna u fazi i poboljšala ukupna izvedba oštrice.
3. Zaključci i prijedlozi
1) Nakon FHT+ HIP tretmana, svojstvo pukotine integralne prstenaste lopatice je zamor od visokog ciklusa, a pukotina od zamora potječe iz zone maksimalnog naprezanja na stražnjoj površini lopatice.
2) Nakon HIP tretmana, postoji kontinuirani film s ravnom granicom zrna, što značajno smanjuje otpornost na zamor i dovodi do preranog početka zamornih pukotina.
3) Preporučuje se provođenje sekundarnog tretmana kovanjem nakon procesa vrućeg izostatičkog prešanja kako bi se dobila fina sferoidizirana struktura prijelaznog stanja kako bi se izbjegao negativan učinak granica zrna kontinuirane faze na izvedbu.
