Metode til revneanalyse af aeromotorens integrerede bladring

Med forbedringen af ​​flymotorens ydeevne er lette og højeffektive materialer til turbinevinger blevet en udviklingstendens. Siliciumcarbid langfiberforstærkede titanium matrix-kompositter har tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres gode vægtreduktionseffekt og evne til at modstå ringformede belastninger. Dette turbinebladmateriale har høj styrke, høj temperaturbestandighed og fremragende trætheds- og krybeegenskaber. Fremstillingsprocessen involverer smedning af titanlegeringen til en klingeform, der reserverer slidser i klingeringen for at fylde kompositmaterialet, som derefter er tæt bundet af varm isostatisk presseteknologi.

I denne undersøgelse blev vibrationstræthedslevetiden for blade I, der anvender FHT+HIP-proces, og blade II, der kun anvender FHT-proces, testet, og målantallet af cyklusser var 3×10^7. Blade I afsluttede testen ved 1,8×10^7 gange på grund af en spidsrevne, mens blad II bestod testen. Ved hjælp af makroskopisk inspektion, brudanalyse, materialeprøvning, mekanisk prøvning og finite element-simulering blev revnekarakteristika og årsager til klinge I analyseret for at bestemme dens fejltilstand.

1. Testproces og resultater

1.1 Makroskopisk inspektion

Fluorescensdetektionsresultaterne af klinge I-revne er vist i figur 1. Der var revner nær spidsenden af ​​bladet, og fluorescensen viste, at revnerne var trængt ind i bladets tykkelsesretning, og revnerne var omkring 33 mm væk fra bladets indløbskant.

1.2 Brudanalyse

Knivens revne er åbnet, og bruddets makromorfologi er vist i figur 2. Bruddet er gråhvidt, og farven er åbenlyst forskellig fra det kunstigt åbnede område. Bruddets overordnede udsving er lille, og karakteristikaene ved udstrålende kanter og udmattelsesbuer er tydelige, hvilket indikerer, at bruddet er udmattelsesrevner. Fokus på det offentlige nummer: to maskiner først, fri adgang til massive to maskiner data, fokus på to maskiner viden og nøgleteknologier!

Felt emission scanning elektronmikroskopi (SEM) blev brugt til mikroskopisk observation af revnefrakturen af ​​bladet, og det blev fundet, at de udstrålende kanter og træthedsbuer konvergerede på den dorsale overflade af bladet, hvilket indikerer, at trætheden startede derfra og præsenterede en enkeltkildefunktion. Placeringen af ​​kildeområdet blev vist i det røde linjeområde i figur 2. Yderligere forstærket observation viste, at sliddet i træthedskildeområdet var kraftigt, og der blev ikke observeret nogen åbenlyse metallurgiske defekter (sort linjeområde i figur 3a). Resultaterne af energispektrumanalyse viser, at O-indholdet i denne region åbenlyst er højere end i matrixen, og andre elementer har ingen åbenlys abnormitet. Tydelige udmattelsesbånd og sekundære revner kan ses i forlængelsesområdet, hvilket yderligere bekræfter brudkarakteren som udmattelse (FIG. 3b). Klingebearbejdningsmærker (fig. 4) var synlige på sidefladen af ​​kildeområdet, som havde en vis vinkel med revnen, hvilket indikerer, at fremme af revneinitiering ikke var signifikant. Makropositionen af ​​træthedskildeområdet på bagsiden af ​​bladet er vist i figur 5. Kildeområdet er ca. 15 mm fra endefladen af ​​bladets spids og 20 mm fra indløbskanten og strækker sig til begge sider af bladet. knivspidsen og indløbskanten.

Mekaniske ydelsestest blev udført på blade I og II, med 4 prøver taget fra hver vinge. Træktest ved stuetemperatur blev udført i overensstemmelse med HB 5143-1996-standarden, belastningshastigheden var 1 mm/min, og to prøver blev testet i hver tilstand. Resultaterne blev vist i tabel 2. Højcyklustræthedstesten ved stuetemperatur blev udført i henhold til HB 5287-1996-standarden, og to prøver blev testet for hver tilstand. Resultaterne er vist i tabel 3.

Flydestyrken og trækstyrken for klinge I er lidt lavere end klinge II, forlængelsen er ens, men sektionskrympningen er åbenlyst anderledes, og klinge I har ingen tydelig halsudskæring. Træthedstest ved stuetemperatur viste, at træthedsydelsen for blad I var signifikant lavere end for blad II. De FHT-behandlede vinger kan opfylde testkravene på 3×10^7 gange, mens de med FHT+HIP behandlede vinger ikke kan opfylde testkravene, hvilket stemmer overens med testresultaterne for vibrationstræthedslevetid.

1.5 Stressanalyse

Revnebrudstrætheden af ​​klinge I stammer fra bladets bagside og har en vis afstand fra spidsens endeflade og side af bladet. For at analysere forholdet mellem udmattelsesoprindelse og spændingsfordeling, udføres overfladespændingsanalysen af ​​vinge i ANSYS finite element simuleringssoftware.

I den endelige element-model af bladet blev C3D10-elementet brugt til maskedeling med i alt 12 035 elementer og 48 216 noder. Den første ordens bøjningsvibrationstilstand blev brugt til simuleringsanalyse af finite element. Referencepunktet var indløbskantens bladspids, og tappens grænsetilstand blev valgt som rodstøtte. Spændingsfordelingsresultaterne er vist i fig. 8. Det kan ses, at der er tre punkter med højt spændingsniveau på bladet, det maksimale spændingspunkt er på bagsiden af ​​bladet, og det højere spændingspunkt er nær spidsens endeflade og indløbskanten af ​​klingebassinet side. De tilsvarende højspændingsplaceringer er vist i tabel 4. Trætheden af ​​klinge I stammer fra bladets bagside, og kildeområdet er omkring 15 mm fra spidsenden af ​​bladet og 20 mm fra indløbskanten, hvilket grundlæggende er konsistent med positionen af ​​bladets maksimale spændingszone C.

2. Analyse og diskussion

Brudanalysen viser, at revneegenskaberne for bladet I er i overensstemmelse med højcyklustræthedsegenskaberne, og antallet af arbejdscyklusser når 1,87×10^7 gange. Bladene behandlet med FHT (varmebehandling) proces kan opfylde testkravene på 3×10^7 gange; Imidlertid knækkede bladene behandlet med FHT+HIP (hot isostatic pressing) efter kun 3×10^6 cyklusser, og deres plasticitet og træthedsegenskaber faldt betydeligt.

Blad II behandles ved FHT-proces for at danne en netkurvstruktur, og den nåleformede fase fordeles i kornet, hvilket forbedrer materialets styrke og udmattelsesegenskaber. På den anden side efter FHT+HIP-behandling vokser korn af klinge I markant, og den sekundære fase fordeles løbende ved korngrænsen på , hvilket fører til, at revnen spredes let langs korngrænsen, og dermed reducerer udmattelsesmodstanden.

Finite element-analysen viser, at det maksimale spændingspunkt for bladet er placeret på bagsiden af ​​bladet, hvilket er i overensstemmelse med positionen af ​​kildeområdet af revnen I af bladet. Dette indikerer, at den maksimale spændingsregion er det mest sandsynlige sted for udmattelsesrevner. For den HIP-behandlede klinge I er denne region på grund af kornvæksten og eksistensen af ​​kontinuerlig fase mere tilbøjelig til tidlige udmattelsesrevner.

Resultaterne viser, at den sekundære smedning af titanlegering efter ældningsbehandling kan fremme sfærodiseringen af ​​nålefasen og danne en fin overgangstilstand ækviaksial struktur. Selvom brudsejheden af ​​denne struktur er lidt lavere end den for netkurvstrukturen, kan den være mere egnet til den integrerede bladringssmedning. Derfor anbefales det at justere forarbejdningssekvensen og implementere sekundær smedning efter varm isostatisk presning for at undgå uønsket kontinuerlig korngrænsedannelse og forbedre bladets samlede ydeevne.

3. Konklusioner og forslag

1) Efter FHT+ HIP-behandling er revneegenskaben for en integreret ringformet klinge høj cyklustræthed, og træthedsrevnen stammer fra den maksimale spændingszone på bladets bagside.

2) Efter HIP-behandling er der en gennemgående film med lige korngrænse, hvilket reducerer udmattelsesmodstanden væsentligt og fører til for tidlig påbegyndelse af udmattelsesrevner.

3) Det anbefales at udføre en sekundær smedningsbehandling efter den varme isostatiske presseproces for at opnå en fin overgangstilstand sfæroidiseret struktur for at undgå den negative effekt af kontinuerte fase-korngrænser på ydeevnen.