Odată cu îmbunătățirea performanței motoarelor aeriene, materialele ușoare și de înaltă eficiență pentru paletele turbinei au devenit o tendință în dezvoltare. Compozitele cu matrice de titan armate cu fibre lungi din carbură de siliciu au atras multă atenție datorită efectului lor bun de reducere a greutății și capacității de a rezista la sarcini inelare. Acest material pentru palete de turbină are o rezistență ridicată, rezistență la temperaturi ridicate și proprietăți excelente la oboseală și fluaj. Procesul de fabricație implică forjarea aliajului de titan într-o formă de lamă, rezervând fante în inelul lamei pentru a umple materialul compozit, care este apoi strâns lipit prin tehnologia de presare izostatică la cald.
În acest studiu, a fost testată durata de viață la oboseală la vibrații a lamelor I utilizând procesul FHT+HIP și a lamelor II folosind doar procesul FHT, iar numărul țintă de cicluri a fost 3×10^7. Lama I a încheiat testul la 1,8×10^7 ori din cauza unei fisuri în vârf, în timp ce lama II a trecut testul. Prin intermediul inspecției macroscopice, analizei fracturilor, testării materialelor, încercărilor mecanice și simulării cu elemente finite, au fost analizate caracteristicile fisurii și cauzele lamei I pentru a determina modul de defectare a acesteia.
1. Procesul de testare și rezultatele
1.1 Inspecție macroscopică
Rezultatele detectării fluorescenței la fisura lamei I sunt prezentate în Figura 1. Au existat fisuri în apropierea vârfului lamei, iar fluorescența a arătat că fisurile au pătruns în direcția grosimii lamei, iar fisurile erau la aproximativ 33 mm distanță de marginea de intrare a lamei.
1.2 Analiza fracturilor
Crăpătura lamei este deschisă, iar macromorfologia fracturii este prezentată în Figura 2. Fractura este alb gri, iar culoarea este evident diferită de zona deschisă artificial. Fluctuația generală a fracturii este mică, iar caracteristicile marginilor radiante și arcurilor de oboseală sunt evidente, indicând faptul că fractura este fisurarea prin oboseală. Concentrați-vă pe numărul public: mai întâi două mașini de putere, acces gratuit la date masive de două mașini, concentrați-vă pe cunoștințele a două mașini și tehnologii cheie!
Microscopia electronică cu scanare cu emisie de câmp (SEM) a fost folosită pentru a observa microscopic fracturarea fisurii lamei și s-a constatat că marginile radiante și arcurile de oboseală convergeau pe suprafața dorsală a lamei, indicând faptul că oboseala a început de acolo și a prezentat un caracteristică cu o singură sursă. Locația regiunii sursei a fost arătată în zona liniei roșii din Figura 2. O observație amplificată suplimentară a arătat că uzura în zona sursei de oboseală a fost grea și nu s-au observat defecte metalurgice evidente (zona liniei negre din Figura 3a). Rezultatele analizei spectrului de energie arată că conținutul de O din această regiune este evident mai mare decât cel din matrice, iar alte elemente nu au anomalii evidente. În zona de extindere pot fi observate benzi de oboseală clare și fisuri secundare, confirmând în continuare natura fracturii ca oboseală (FIG. 3b). Semnele de prelucrare a lamei (FIG. 4) au fost vizibile pe suprafața laterală a regiunii sursei, care avea un anumit unghi cu fisura, indicând că promovarea inițierii fisurii nu a fost semnificativă. Poziția macro a regiunii sursei de oboseală pe partea din spate a lamei este prezentată în Figura 5. Regiunea sursă este la aproximativ 15 mm de la capătul vârfului lamei și la 20 mm de marginea de intrare și se extinde pe ambele părți ale vârful lamei și marginea de admisie.
Testele de performanță mecanică au fost efectuate pe lamele I și II, cu câte 4 probe prelevate din fiecare lamă. Testul de tracțiune la temperatura camerei a fost efectuat conform standardului HB 5143-1996, viteza de încărcare a fost de 1 mm/min și au fost testate două probe în fiecare stare. Rezultatele au fost prezentate în Tabelul 2. Testul de oboseală cu ciclu înalt la temperatura camerei a fost efectuat conform standardului HB 5287-1996 și au fost testate două probe pentru fiecare stare. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 3.
Limita de curgere și rezistența la întindere a lamei I sunt ușor mai mici decât a lamei II, alungirea este similară, dar contracția secțiunii este evident diferită, iar lama I nu are un gât evident. Testul de oboseală la temperatura camerei a arătat că performanța la oboseală a lamei I a fost semnificativ mai mică decât cea a lamei II. Lamele tratate cu FHT pot îndeplini cerințele de testare de 3×10^7 ori, în timp ce lamele tratate cu FHT+HIP nu pot îndeplini cerințele de testare, ceea ce este în concordanță cu rezultatele testelor de viață la oboseală la vibrații.
1.5 Analiza stresului
Oboseala prin fisurare a lamei I provine de la suprafața posterioară a lamei și are o anumită distanță de la capătul vârfului și de latura lamei. Pentru a analiza relația dintre originea oboselii și distribuția tensiunii, analiza tensiunii de suprafață a lamei este efectuată în software-ul de simulare cu elemente finite ANSYS.
În modelul cu elemente finite al lamei, elementul C3D10 a fost folosit pentru diviziunea rețelei, cu un total de 12 035 elemente și 48 216 noduri. Modul de vibrație de îndoire de ordinul întâi a fost utilizat pentru analiza de simulare cu elemente finite. Punctul de referință a fost vârful lamei marginii de intrare, iar condiția de limită a piesei de grindă a fost selectată ca suport de rădăcină. Rezultatele distribuţiei tensiunii au fost prezentate în FIG. 8. Se poate observa că există trei puncte de nivel ridicat de stres pe lamă, punctul de stres maxim este pe partea din spate a lamei, iar punctul de stres mai mare este aproape de capătul vârfului și de marginea de intrare a bazinului lamei. lateral. Locațiile de solicitare ridicată corespunzătoare sunt prezentate în Tabelul 4. Oboseala lamei I provine de la suprafața din spate a lamei, iar zona sursei este de aproximativ 15 mm de la capătul vârfului lamei și la 20 mm de marginea de intrare, ceea ce este practic consistent. cu poziţia zonei de stres maxim C a lamei.
2. Analiză și discuție
Analiza fracturii arată că caracteristicile de fisurare ale lamei I sunt conforme cu caracteristicile de oboseală de ciclu înalt, iar numărul de cicluri de lucru ajunge la 1,87×10^7 ori. Lamele tratate prin procesul FHT (tratament termic) pot îndeplini cerințele de testare de 3×10^7 ori; Cu toate acestea, lamele tratate cu FHT+HIP (presare izostatică la cald) s-au fracturat după doar 3×10^6 cicluri, iar proprietățile lor de plasticitate și oboseală au scăzut semnificativ.
Frunza II este tratată prin procesul FHT pentru a forma o structură de coș net, iar faza aciculară este distribuită în boabe, ceea ce îmbunătățește proprietățile de rezistență și oboseală ale materialului. Pe de altă parte, după tratamentul FHT+HIP, boabele lamei I crește semnificativ, iar faza secundară este distribuită continuu la limita de granule a , ceea ce duce la răspândirea cu ușurință a fisurii de-a lungul limitei de boabe, reducând astfel rezistența la oboseală.
Analiza cu elemente finite arată că punctul de tensiune maximă al lamei este situat pe partea din spate a lamei, ceea ce este în concordanță cu poziția regiunii sursă a fisurii I a lamei. Acest lucru indică faptul că regiunea de tensiune maximă este locul cel mai probabil pentru apariția fisurilor de oboseală. Pentru lama I tratată HIP, datorită creșterii boabelor și existenței fazei continue, această regiune este mai predispusă la fisurarea precoce de oboseală.
Rezultatele arată că forjarea secundară a aliajului de titan după tratamentul de îmbătrânire poate promova sferodizarea fazei acului și poate forma o structură echiaxială fină în stare de tranziție. Deși duritatea la rupere a acestei structuri este puțin mai mică decât cea a structurii coșului de plasă, aceasta poate fi mai potrivită pentru forjarea inelului cu lame integrate. Prin urmare, se recomandă ajustarea secvenței de procesare și implementarea forjarii secundare după presarea izostatică la cald pentru a evita formarea nefavorabilă a graniței în fază continuă și pentru a îmbunătăți performanța generală a lamei.
3. Concluzii și sugestii
1) După tratamentul FHT+ HIP, proprietatea de fisurare a lamei inelare integrale este oboseala cu ciclu ridicat, iar fisura de oboseală provine din zona de stres maxim de pe suprafața din spate a lamei.
2) După tratamentul HIP, există o peliculă continuă cu granulație dreaptă, care reduce semnificativ rezistența la oboseală și duce la inițierea prematură a fisurilor de oboseală.
3) Se recomandă efectuarea unui tratament secundar de forjare după procesul de presare izostatică la cald pentru a obține o structură fină sferoidizată în stare de tranziție pentru a evita efectul negativ al granițelor de fază continuă asupra performanței.
