С улучшением характеристик авиационных двигателей развивающейся тенденцией стали легкие и высокоэффективные материалы для лопаток турбин. Композиты с титановой матрицей, армированные карбидом кремния длинными волокнами, привлекли большое внимание из-за их хорошего эффекта снижения веса и способности выдерживать кольцевые нагрузки. Этот материал лопаток турбины обладает высокой прочностью, устойчивостью к высоким температурам и отличными усталостными свойствами и свойствами ползучести. Процесс производства включает в себя ковку титанового сплава в форму лезвия с сохранением пазов в кольце лезвия для заполнения композитным материалом, который затем плотно склеивается с помощью технологии горячего изостатического прессования.
В этом исследовании была проверена виброусталостная долговечность лопаток I с использованием процесса FHT+HIP и лопаток II с использованием только процесса FHT, а целевое количество циклов составляло 3×10^7. Лезвие I завершало испытание 1,8×10^7 раз из-за трещины на кончике, тогда как лезвие II выдержало испытание. Посредством макроскопического контроля, анализа разрушения, испытаний материалов, механических испытаний и моделирования методом конечных элементов были проанализированы характеристики трещин и причины лопатки I, чтобы определить режим ее отказа.
1. Процесс и результаты испытаний
1.1 Макроскопический осмотр
Результаты флуоресцентного обнаружения трещины лезвия I показаны на рисунке 1. Трещины были возле кончика лезвия, и флуоресценция показала, что трещины проникли в направлении толщины лезвия, и трещины находились примерно в 33 мм от входная кромка лопасти.
1.2 Анализ разрушения
Трещина лезвия открыта, макроморфология перелома показана на рисунке 2. Излом серовато-белого цвета, цвет явно отличается от искусственно открытого участка. Общие колебания излома невелики, а характеристики расходящихся кромок и усталостных дуг очевидны, что указывает на усталостное растрескивание. Сосредоточьтесь на общедоступности: сначала мощность двух машин, свободный доступ к огромным данным двух машин, сосредоточьтесь на знаниях двух машин и ключевых технологиях!
Сканирующая электронная микроскопия полевой эмиссии (СЭМ) использовалась для микроскопического наблюдения за трещиной разрушения лопатки, и было обнаружено, что расходящиеся кромки и усталостные дуги сходились на дорсальной поверхности лопатки, что указывает на то, что усталость началась оттуда и представляла собой функция единого источника. Расположение области источника было показано красной линией на рисунке 2. Дальнейшее расширенное наблюдение показало, что износ в области источника усталости был сильным и никаких явных металлургических дефектов не наблюдалось (область черной линии на рисунке 3а). Результаты анализа энергетического спектра показывают, что содержание О в этой области явно выше, чем в матрице, а другие элементы не имеют явных аномалий. В зоне растяжения можно увидеть четкие полосы усталости и вторичные трещины, что еще раз подтверждает усталостный характер разрушения (фиг. 3б). Следы механической обработки лезвия (фиг. 4) были видны на боковой поверхности исходной области, которая имела определенный угол с трещиной, что указывает на то, что содействие зарождению трещины не было значительным. Макроположение области источника усталости на задней стороне лопатки показано на рисунке 5. Область источника находится примерно в 15 мм от торца вершины лопатки и в 20 мм от входной кромки и простирается в обе стороны. кончик лезвия и входная кромка.
Испытания механических характеристик были проведены на лопастях I и II, от каждой лопатки было взято по 4 образца. Испытание на растяжение при комнатной температуре проводили по стандарту HB 5143-1996, скорость нагружения составляла 1 мм/мин, и в каждом состоянии испытывали по два образца. Результаты представлены в таблице 2. Испытание на многоцикловую усталость при комнатной температуре проводилось в соответствии со стандартом HB 5287-1996, и для каждого состояния испытывались по два образца. Результаты показаны в таблице 3.
Предел текучести и предел прочности лезвия I немного ниже, чем у лезвия II, удлинение аналогичное, но усадка сечения явно другая, и лезвие I не имеет явного сужения. Усталостные испытания при комнатной температуре показали, что усталостные характеристики лопатки I значительно ниже, чем у лопатки II. Лопасти, обработанные FHT, могут соответствовать требованиям испытаний в 3×10^7 раз, тогда как лопатки, обработанные FHT+HIP, не могут соответствовать требованиям испытаний, что согласуется с результатами испытаний на виброусталостную долговечность.
1.5 Анализ стресса
Трещино-разрушительная усталость лопатки I начинается с задней поверхности лопатки и находится на определенном расстоянии от торца вершины и боковой поверхности лопатки. Чтобы проанализировать взаимосвязь между происхождением усталости и распределением напряжений, анализ поверхностных напряжений лопатки проводится в программном обеспечении для моделирования методом конечных элементов ANSYS.
В конечно-элементной модели лопатки для разделения сетки использовался элемент C3D10, всего элементов 12 035 и узлов 48 216. Режим изгибных колебаний первого порядка использовался для анализа методом конечных элементов. Ориентиром служила вершина лопатки входной кромки, а в качестве корневой опоры выбиралось граничное условие шиповой части. Результаты распределения напряжений показаны на фиг. 8. Видно, что на лопасти есть три точки высокого уровня напряжения: точка максимального напряжения находится на задней стороне лопасти, а точка более высокого напряжения находится вблизи торца кончика и входной кромки чаши лопасти. сторона. Соответствующие места высоких напряжений показаны в Таблице 4. Усталость лопатки I возникает на задней поверхности лопатки, а область источника составляет около 15 мм от кончика лопатки и 20 мм от входной кромки, что в основном соответствует с положением зоны максимального напряжения C лопатки.
2. Анализ и обсуждение
Анализ разрушения показывает, что характеристики трещин лопатки I соответствуют характеристикам многоцикловой усталости, а количество рабочих циклов достигает 1,87×10^7 раз. Лезвия, обработанные методом FHT (термообработки), могут соответствовать требованиям испытаний в 3 × 10 ^ 7 раз; Однако лопатки, обработанные методом FHT+HIP (горячее изостатическое прессование), разрушались уже после 3×10^6 циклов, а их пластичность и усталостные свойства значительно снижались.
Лист II обрабатывается методом FHT для формирования сетчатой корзинчатой структуры, а игольчатая фаза распределяется в зерне, что улучшает прочностные и усталостные свойства материала. С другой стороны, после обработки FHT+HIP зерно лопатки I значительно увеличивается, и вторичная фаза непрерывно распределяется по границе зерна, что приводит к легкому распространению трещины вдоль границы зерна, тем самым снижая сопротивление усталости.
Конечно-элементный анализ показывает, что точка максимального напряжения лопатки расположена на тыльной стороне лопатки, что соответствует положению очаговой области трещины I лопатки. Это указывает на то, что область максимального напряжения является наиболее вероятным местом возникновения усталостных трещин. Для лопатки I, обработанной HIP, из-за роста зерен и наличия сплошной фазы эта область более склонна к раннему усталостному растрескиванию.
Результаты показывают, что вторичная ковка титанового сплава после старения может способствовать сферодизации игольчатой фазы и формированию тонкой равноосной структуры переходного состояния. Хотя вязкость разрушения этой конструкции немного ниже, чем у конструкции сетчатой корзины, она может быть более подходящей для штамповки цельного кольца лезвия. Поэтому рекомендуется скорректировать последовательность обработки и реализовать вторичную ковку после горячего изостатического прессования, чтобы избежать неблагоприятного образования границ зерен непрерывной фазы и улучшить общие характеристики лопатки.
3. Выводы и предложения.
1) После обработки FHT+ HIP трещина цельной кольцевой лопатки представляет собой многоцикловую усталость, а усталостная трещина возникает в зоне максимального напряжения на задней поверхности лопатки.
2) После ГИП-обработки образуется сплошная пленка с прямой границей зерен, что существенно снижает усталостную прочность и приводит к преждевременному зарождению усталостных трещин.
3) Рекомендуется провести вторичную ковку после процесса горячего изостатического прессования, чтобы получить тонкую сфероидизированную структуру в переходном состоянии, чтобы избежать негативного влияния границ зерен непрерывной фазы на производительность.
