С подобряването на производителността на авиационните двигатели, леките и високоефективни материали за турбинните лопатки се превърнаха в развиваща се тенденция. Композитите с титанова матрица, подсилени с дълги влакна от силициев карбид, привлякоха много внимание поради техния добър ефект на намаляване на теглото и способността им да издържат на пръстеновидни натоварвания. Този материал за турбинни лопатки има висока якост, устойчивост на висока температура и отлични свойства на умора и пълзене. Производственият процес включва изковаване на титановата сплав във форма на острие, като се запазват прорези в пръстена на острието за запълване на композитния материал, който след това се свързва плътно чрез технология за горещо изостатично пресоване.
В това проучване беше тестван животът на вибрационна умора на лопатки I, използващи FHT+HIP процес, и лопатки II, използващи само FHT процес, и целевият брой цикли беше 3×10^7. Острие I прекрати теста при 1,8 × 10^7 пъти поради пукнатина на върха, докато острие II премина теста. С помощта на макроскопска инспекция, анализ на счупване, изпитване на материала, механично изпитване и симулация на крайни елементи, характеристиките на пукнатината и причините за острието I бяха анализирани, за да се определи неговият начин на повреда.
1. Процес на изпитване и резултати
1.1 Макроскопска инспекция
Резултатите от флуоресцентно откриване на пукнатина на острие I са показани на Фигура 1. Имаше пукнатини близо до върха на острието и флуоресценцията показа, че пукнатините са проникнали в посоката на дебелината на острието и пукнатините са на около 33 mm от входния ръб на острието.
1.2 Анализ на счупване
Пукнатината на острието е отворена и макроморфологията на счупването е показана на Фигура 2. Счупването е сивобяло и цветът е очевидно различен от изкуствено отворената област. Общата флуктуация на счупването е малка и характеристиките на излъчващите се ръбове и дъгите на умора са очевидни, което показва, че счупването е напукване от умора. Съсредоточете се върху публичния номер: мощност на две машини първо, безплатен достъп до масивни данни за две машини, фокус върху знанието на две машини и ключови технологии!
Използвана е полево-емисионна сканираща електронна микроскопия (SEM) за микроскопско наблюдение на счупването на пукнатината на острието и беше установено, че излъчващите ръбове и дъгите на умора се събират върху дорзалната повърхност на острието, което показва, че умората започва от там и представлява функция с един източник. Местоположението на зоната на източника беше показано в зоната с червена линия на Фигура 2. По-нататъшно разширено наблюдение показа, че износването в зоната на източника на умора е силно и не са наблюдавани очевидни металургични дефекти (област с черна линия на Фигура 3а). Резултатите от анализа на енергийния спектър показват, че съдържанието на O в тази област е очевидно по-високо от това в матрицата и други елементи нямат очевидна аномалия. Могат да се видят ясни ивици на умора и вторични пукнатини в зоната на разширение, което допълнително потвърждава естеството на счупването като умора (ФИГ. 3b). Следи от машинна обработка на острието (ФИГ. 4) се виждаха върху страничната повърхност на зоната на източника, която имаше определен ъгъл спрямо пукнатината, което показва, че насърчаването на започване на пукнатини не е значително. Макро позицията на зоната на източника на умора от задната страна на острието е показана на Фигура 5. Областта на източника е на около 15 mm от крайната повърхност на върха на острието и 20 mm от входния ръб и се простира от двете страни на върха на острието и входния ръб.
Бяха проведени тестове за механични характеристики на остриета I и II, като от всяко острие бяха взети 4 проби. Изпитването на опън при стайна температура беше проведено съгласно стандарта HB 5143-1996, скоростта на натоварване беше 1 mm / min и бяха тествани две проби във всяко състояние. Резултатите са показани в таблица 2. Тестът за умора при висок цикъл при стайна температура е извършен съгласно стандарта HB 5287-1996 и са тествани две проби за всяко състояние. Резултатите са показани в таблица 3.
Границата на провлачване и якостта на опън на острието I са малко по-ниски от тези на острието II, удължението е подобно, но свиването на сечението е очевидно различно и острието I няма очевидно извиване. Тестът за умора при стайна температура показа, че характеристиките на умора на острие I са значително по-ниски от тези на острие II. Остриетата, обработени с FHT, могат да отговорят на изискванията за изпитване от 3 × 10^7 пъти, докато остриетата, обработени с FHT+HIP, не могат да изпълнят изискванията за изпитване, което е в съответствие с резултатите от изпитването за живот на умора от вибрации.
1.5 Анализ на напрежението
Умората от пукнатина на острието I произлиза от задната повърхност на острието и има определено разстояние от края на върха и страната на острието. За да се анализира връзката между произхода на умората и разпределението на напрежението, анализът на повърхностното напрежение на острието се извършва в софтуера за симулация на крайни елементи ANSYS.
В модела с крайни елементи на острието, елементът C3D10 беше използван за разделяне на мрежата с общо 12 035 елемента и 48 216 възли. Режимът на вибрация при огъване от първи ред беше използван за симулационен анализ на крайни елементи. Референтната точка беше върха на острието на входния ръб, а граничното състояние на частта на шипа беше избрано като опора на корена. Резултатите от разпределението на напрежението са показани на фиг. 8. Може да се види, че има три точки с високо ниво на напрежение върху острието, като максималната точка на напрежение е от задната страна на острието, а точката на по-високо напрежение е близо до крайната повърхност на върха и входния ръб на басейна на острието страна. Съответните места на високо напрежение са показани в таблица 4. Умората на острието I произхожда от задната повърхност на острието, а зоната на източника е около 15 mm от края на върха на острието и 20 mm от входния ръб, което в общи линии е последователно с позицията на зоната на максимално напрежение C на острието.
2. Анализ и дискусия
Анализът на счупването показва, че характеристиките на пукнатините на острието I съответстват на характеристиките на умора при висок цикъл и броят на работните цикли достига 1,87 × 10 ^ 7 пъти. Остриетата, обработени с FHT (топлинна обработка) процес, могат да отговорят на изискванията на теста от 3 × 10^7 пъти; Въпреки това, остриетата, третирани с FHT+HIP (горещо изостатично пресоване), се счупиха само след 3×10^6 цикъла и тяхната пластичност и свойства на умора намаляха значително.
Лист II се обработва чрез FHT процес, за да се образува мрежеста кошничка, а игловидната фаза се разпределя в зърното, което подобрява якостта и свойствата на умора на материала. От друга страна, след обработка FHT+HIP, зърното на острието I нараства значително и вторичната фаза се разпределя непрекъснато по границата на зърното на , което води до лесно разпространение на пукнатината по границата на зърното, като по този начин намалява устойчивостта на умора.
Анализът на крайните елементи показва, че точката на максимално напрежение на острието се намира на задната страна на острието, което е в съответствие с позицията на зоната на източника на пукнатината I на острието. Това показва, че зоната на максимално напрежение е най-вероятното място за възникване на пукнатини от умора. За острието I, обработено с HIP, поради растежа на зърната и наличието на непрекъсната фаза, тази област е по-склонна към ранно напукване от умора.
Резултатите показват, че вторичното изковаване на титанова сплав след обработка със стареене може да насърчи сферодизацията на иглената фаза и да образува фина равноосна структура на преходно състояние. Въпреки че якостта на счупване на тази структура е малко по-ниска от тази на структурата на мрежест кош, тя може да е по-подходяща за изковаване на пръстен с интегрално острие. Поради това се препоръчва да се коригира последователността на обработка и да се приложи вторично коване след горещо изостатично пресоване, за да се избегне неблагоприятно образуване на граници на зърната с непрекъсната фаза и да се подобри цялостната производителност на острието.
3. Изводи и предложения
1) След обработка FHT+ HIP, свойството на пукнатини на интегралната пръстеновидна лопатка е умора при висок цикъл, а пукнатината от умора произхожда от зоната на максимално напрежение върху задната повърхност на лопатката.
2) След HIP обработка има непрекъснат филм с права граница на зърното, което значително намалява устойчивостта на умора и води до преждевременно започване на пукнатини от умора.
3) Препоръчва се да се извърши обработка с вторично коване след процеса на горещо изостатично пресоване, за да се получи фина сфероидизирана структура в преходно състояние, за да се избегне неблагоприятният ефект от границите на зърната на непрекъснатата фаза върху производителността.
