Methode voor scheuranalyse van de integrale bladring van een vliegtuigmotor

Met de verbetering van de prestaties van vliegtuigmotoren zijn lichtgewicht en hoogefficiënte materialen voor turbinebladen een trend in ontwikkeling geworden. Met siliciumcarbide versterkte titaniummatrixcomposieten met lange vezels hebben veel aandacht getrokken vanwege hun goede gewichtsverminderende effect en hun vermogen om ringvormige belastingen te weerstaan. Dit turbinebladmateriaal heeft een hoge sterkte, hoge temperatuurbestendigheid en uitstekende vermoeidheids- en kruipeigenschappen. Het productieproces omvat het smeden van de titaniumlegering in de vorm van een blad, waarbij gleuven in de bladring worden gereserveerd om het composietmateriaal te vullen, dat vervolgens stevig wordt verbonden door middel van hete isostatische perstechnologie.

In dit onderzoek werd de levensduur door trillingsvermoeidheid van bladen I met behulp van het FHT+HIP-proces en bladen II met alleen het FHT-proces getest, en het beoogde aantal cycli was 3×10^7. Blad I beëindigde de test met 1,8 x 10 ^ 7 keer vanwege een scheur in de punt, terwijl blad II de test doorstond. Door middel van macroscopische inspectie, breukanalyse, materiaaltesten, mechanische testen en eindige-elementensimulatie werden de scheurkarakteristieken en oorzaken van blad I geanalyseerd om de faalwijze ervan te bepalen.

1. Testproces en resultaten

1.1 Macroscopische inspectie

De fluorescentiedetectieresultaten van de barst in blad I worden weergegeven in Figuur 1. Er waren scheuren nabij het uiteinde van het blad, en de fluorescentie toonde aan dat de scheuren de dikterichting van het blad waren binnengedrongen, en de scheuren waren ongeveer 33 mm verwijderd van het blad. de inlaatrand van het blad.

1.2 Breukanalyse

De scheur van het mes wordt geopend en de macromorfologie van de breuk wordt weergegeven in figuur 2. De breuk is grijsachtig wit en de kleur is duidelijk anders dan het kunstmatig geopende gebied. De algehele fluctuatie van de breuk is klein en de kenmerken van stralende randen en vermoeiingsbogen zijn duidelijk, wat aangeeft dat de breuk vermoeiingsscheuren is. Focus op het publieke nummer: twee machinekracht eerst, gratis toegang tot enorme gegevens van twee machines, focus op twee machinekennis en sleuteltechnologieën!

Veldemissie-scanning-elektronenmicroscopie (SEM) werd gebruikt om de scheurbreuk van het blad microscopisch waar te nemen, en er werd vastgesteld dat de stralende randen en vermoeidheidsbogen samenkwamen op het dorsale oppervlak van het blad, wat aangeeft dat de vermoeidheid vanaf daar begon en een vorm vertoonde. functie met één bron. De locatie van het brongebied werd weergegeven in het rode lijngebied in Figuur 2. Verdere versterkte observatie toonde aan dat de slijtage in het brongebied van vermoeidheid zwaar was en dat er geen duidelijke metallurgische defecten werden waargenomen (zwarte lijngebied in Figuur 3a). De resultaten van de energiespectrumanalyse laten zien dat het O-gehalte in dit gebied duidelijk hoger is dan dat in de matrix, en dat andere elementen geen duidelijke afwijkingen vertonen. Er zijn duidelijke vermoeiingsbanden en secundaire scheuren te zien in het uitbreidingsgebied, wat de aard van de breuk als vermoeiing verder bevestigt (FIG. 3b). Op het zijoppervlak van het brongebied waren bewerkingssporen van het blad (FIG. 4) zichtbaar, die een bepaalde hoek met de scheur hadden, wat aangeeft dat de bevordering van het ontstaan ​​van scheuren niet significant was. De macropositie van het vermoeidheidsbrongebied aan de achterkant van het blad wordt weergegeven in Figuur 5. Het brongebied bevindt zich ongeveer 15 mm van het eindvlak van de bladpunt en 20 mm van de inlaatrand, en strekt zich uit tot beide zijden van het blad. de bladpunt en de inlaatrand.

Er werden mechanische prestatietests uitgevoerd op de bladen I en II, waarbij van elk blad 4 monsters werden genomen. Er werd een trekproef bij kamertemperatuur uitgevoerd volgens de HB 5143-1996-standaard, de laadsnelheid was 1 mm/min, en in elke toestand werden twee monsters getest. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 2. De hoogcyclische vermoeidheidstest bij kamertemperatuur werd uitgevoerd volgens de HB 5287-1996-standaard, en voor elke toestand werden twee monsters getest. De resultaten worden weergegeven in Tabel 3.

De vloeigrens en treksterkte van blad I zijn iets lager dan die van blad II, de rek is vergelijkbaar, maar de sectiekrimp is duidelijk anders, en blad I heeft geen duidelijke insnoering. Vermoeidheidstests bij kamertemperatuur toonden aan dat de vermoeiingsprestaties van blad I aanzienlijk lager waren dan die van blad II. De met FHT behandelde bladen kunnen voldoen aan de testvereisten van 3×10^7 keer, terwijl de met FHT+HIP behandelde bladen niet aan de testvereisten kunnen voldoen, wat consistent is met de testresultaten van de levensduur door trillingsvermoeidheid.

1.5 Stressanalyse

De scheurbreukmoeheid van blad I vindt zijn oorsprong in het achteroppervlak van het blad en heeft een bepaalde afstand tot het uiteinde van het uiteinde en de zijkant van het blad. Om de relatie tussen de oorsprong van vermoeidheid en de spanningsverdeling te analyseren, wordt de oppervlaktespanningsanalyse van het blad uitgevoerd in ANSYS-simulatiesoftware voor eindige elementen.

In het eindige-elementenmodel van het blad werd het C3D10-element gebruikt voor de mesh-verdeling, met een totaal van 12 035 elementen en 48 216 knooppunten. De buigtrillingsmodus van de eerste orde werd gebruikt voor eindige-elementensimulatieanalyse. Het referentiepunt was de punt van het inlaatrandblad en de randvoorwaarde van het pendeel werd geselecteerd als wortelsteun. De resultaten van de spanningsverdeling werden getoond in FIG. 8. Het is te zien dat er drie punten met een hoog spanningsniveau op het blad zijn, het maximale spanningspunt bevindt zich aan de achterkant van het blad en het hogere spanningspunt bevindt zich nabij het uiteinde van de punt en de inlaatrand van het bladbassin kant. De overeenkomstige locaties met hoge spanning worden weergegeven in Tabel 4. De vermoeidheid van blad I is afkomstig van het achteroppervlak van het blad, en het brongebied bevindt zich ongeveer 15 mm van het uiteinde van het blad en 20 mm van de inlaatrand, wat in principe consistent is met de positie van de maximale spanningszone C van het blad.

2. Analyse en discussie

Uit de breukanalyse blijkt dat de scheurkarakteristieken van blad I voldoen aan de hoge cyclusvermoeidheidskarakteristieken, en dat het aantal werkcycli 1,87×10^7 maal bedraagt. De bladen die zijn behandeld met het FHT-proces (warmtebehandeling) kunnen voldoen aan de testvereisten van 3×10^7 keer; De met FHT+HIP (heet isostatisch persen) behandelde bladen braken echter al na 3x10^6 cycli, en hun plasticiteits- en vermoeidheidseigenschappen namen aanzienlijk af.

Blad II wordt behandeld door middel van het FHT-proces om een ​​netmandstructuur te vormen, en de naaldvormige fase wordt verdeeld in de korrel, wat de sterkte- en vermoeiingseigenschappen van het materiaal verbetert. Aan de andere kant groeit na de FHT+HIP-behandeling de korrel van blad I aanzienlijk en wordt de secundaire fase continu verdeeld op de korrelgrens van , wat ertoe leidt dat de scheur zich gemakkelijk langs de korrelgrens verspreidt, waardoor de weerstand tegen vermoeiing wordt verminderd.

Uit de eindige elementenanalyse blijkt dat het maximale spanningspunt van het blad zich aan de achterkant van het blad bevindt, wat consistent is met de positie van het brongebied van de scheur I van het blad. Dit geeft aan dat het gebied met maximale spanning de meest waarschijnlijke plaats is waar vermoeiingsscheuren kunnen optreden. Voor het met HIP behandelde blad I is dit gebied, vanwege de korrelgroei en het bestaan ​​van een continue fase, gevoeliger voor vroegtijdige vermoeidheidsscheuren.

De resultaten laten zien dat het secundair smeden van een titaniumlegering na een verouderingsbehandeling de sferodisatie van de naaldfase kan bevorderen en een fijne equiaxiale structuur in de overgangstoestand kan vormen. Hoewel de breuktaaiheid van deze structuur enigszins lager is dan die van de netmandstructuur, kan deze geschikter zijn voor het smeden van integrale bladringen. Daarom wordt aanbevolen om de verwerkingsvolgorde aan te passen en secundair smeden te implementeren na heet isostatisch persen om ongunstige continue fasekorrelgrensvorming te voorkomen en de algehele prestaties van het blad te verbeteren.

3. Conclusies en suggesties

1) Na FHT+ HIP-behandeling is de scheureigenschap van het integrale ringvormige blad hoge cyclusvermoeidheid, en de vermoeidheidsscheur komt voort uit de maximale spanningszone op het achteroppervlak van het blad.

2) Na de HIP-behandeling ontstaat er een doorlopende film met rechte korrelgrens, waardoor de vermoeiingsweerstand aanzienlijk wordt verminderd en tot voortijdige aanvang van vermoeiingsscheuren leidt.

3) Het wordt aanbevolen om na het hete isostatische persproces een secundaire smeedbehandeling uit te voeren om een ​​fijne sferoïde structuur in de overgangstoestand te verkrijgen om het nadelige effect van continue fasekorrelgrenzen op de prestaties te voorkomen.