Sa poboljšanjem performansi aeromotora, lagani i visokoefikasni materijali za lopatice turbina postali su trend u razvoju. Kompoziti titanijumske matrice ojačani dugim vlaknima silicijum karbidom privukli su veliku pažnju zbog svog dobrog efekta smanjenja težine i sposobnosti da izdrže prstenasta opterećenja. Ovaj materijal lopatica turbine ima visoku čvrstoću, otpornost na visoke temperature i odlična svojstva zamora i puzanja. Proizvodni proces uključuje kovanje legure titanijuma u oblik oštrice, rezervisanje proreza u prstenu oštrice za popunjavanje kompozitnog materijala, koji se zatim čvrsto vezuje tehnologijom vrućeg izostatičkog presovanja.
U ovoj studiji testiran je vijek trajanja lopatica I uz korištenje FHT+HIP procesa i lopatica II koji koriste samo FHT proces, a ciljni broj ciklusa bio je 3×10^7. Oštrica I je završila test 1,8×10^7 puta zbog pukotine vrha, dok je oštrica II položila test. Makroskopskim pregledom, analizom loma, ispitivanjem materijala, mehaničkim ispitivanjem i simulacijom konačnih elemenata, analizirane su karakteristike pukotine i uzroci lopatice I kako bi se odredio način loma.
1. Proces ispitivanja i rezultati
1.1 Makroskopska inspekcija
Rezultati detekcije fluorescencije pukotine oštrice I prikazani su na slici 1. Bilo je pukotina blizu vrha vrha oštrice, a fluorescencija je pokazala da su pukotine prodrle u smjer debljine oštrice, a pukotine su bile udaljene oko 33 mm od ulazna ivica oštrice.
1.2 Analiza loma
Pukotina sečiva je otvorena, a makromorfologija prijeloma je prikazana na slici 2. Prijelom je sivkasto bijele boje, a boja se očito razlikuje od umjetno otvorenog područja. Ukupna fluktuacija loma je mala, a karakteristike zračećih ivica i lukova zamora su očigledne, što ukazuje da je lom pukotina od zamora. Usredsredite se na javni broj: prvo snage dve mašine, besplatan pristup ogromnim podacima o dve mašine, fokus na znanje o dve mašine i ključne tehnologije!
Skenirajuća elektronska mikroskopija polja (SEM) korišćena je za mikroskopsko posmatranje pukotine na lopatici, a utvrđeno je da se ivice koje zrače i lukovi zamora konvergiraju na dorzalnoj površini lopatice, što ukazuje da je zamor počeo odatle i predstavljao karakteristika jednog izvora. Lokacija izvorišnog područja prikazana je u području crvene linije na slici 2. Daljnje pojačano promatranje pokazalo je da je habanje u području izvora zamora bilo veliko i da nisu uočeni očigledni metalurški defekti (područje crne linije na slici 3a). Rezultati analize energetskog spektra pokazuju da je sadržaj O u ovoj regiji očigledno veći od onog u matriksu, a ostali elementi nemaju očigledne abnormalnosti. U području proširenja mogu se vidjeti jasne trake zamora i sekundarne pukotine, što dodatno potvrđuje prirodu loma kao zamora (Sl. 3b). Na bočnoj površini izvorišne regije vidljivi su tragovi obrade oštricama (Sl. 4), koji su imali određeni ugao s pukotinom, što ukazuje da promocija nastanka pukotine nije bila značajna. Makro pozicija regije izvora zamora na stražnjoj strani lopatice prikazana je na slici 5. Izvorna regija je oko 15 mm od krajnje strane vrha oštrice i 20 mm od ulazne ivice i prostire se na obje strane lopatice. vrh oštrice i ivica ulaza.
Ispitivanja mehaničkih performansi obavljena su na oštricama I i II, sa po 4 uzorka iz svake oštrice. Ispitivanje zatezanja na sobnoj temperaturi provedeno je prema HB 5143-1996 standardu, brzina opterećenja je bila 1mm/min, a ispitana su dva uzorka u svakom stanju. Rezultati su prikazani u Tabeli 2. Ispitivanje zamora u velikom ciklusu na sobnoj temperaturi provedeno je prema HB 5287-1996 standardu, a ispitana su dva uzorka za svako stanje. Rezultati su prikazani u tabeli 3.
Granica tečenja i zatezna čvrstoća oštrice I su nešto niže od one kod oštrice II, istezanje je slično, ali je skupljanje presjeka očito drugačije, a oštrica I nema očito grlo. Ispitivanje zamora na sobnoj temperaturi pokazalo je da su performanse zamora oštrice I bile znatno niže od one oštrice II. Oštrice tretirane FHT-om mogu ispuniti zahtjeve ispitivanja 3×10^7 puta, dok lopatice tretirane FHT+HIP-om ne mogu ispuniti zahtjeve ispitivanja, što je u skladu s rezultatima ispitivanja vijeka trajanja zamora od vibracija.
1.5 Analiza naprezanja
Zamor sečiva I na pukotini potiče od stražnje površine sečiva i ima određenu udaljenost od vrha i bočne strane sečiva. Kako bi se analizirala veza između porijekla zamora i raspodjele naprezanja, analiza površinskog naprezanja lopatice se provodi u softveru za simulaciju konačnih elemenata ANSYS.
U modelu konačnih elemenata lopatice, za podjelu mreže korišten je element C3D10, sa ukupno 12 035 elemenata i 48 216 čvorova. Za analizu simulacije konačnih elemenata korišten je način vibracije prvog reda savijanja. Referentna točka je bio vrh lopatice ulazne ivice, a granično stanje šipčastog dijela odabrano je kao oslonac korijena. Rezultati raspodjele naprezanja prikazani su na Sl. 8. Vidi se da postoje tri tačke visokog nivoa naprezanja na oštrici, tačka maksimalnog naprezanja je na zadnjoj strani sečiva, a tačka većeg naprezanja je blizu vrha vrha i ulazne ivice bazena za sečivo strana. Odgovarajuće lokacije visokog naprezanja prikazane su u tabeli 4. Zamor lopatice I potiče od stražnje površine lopatice, a područje izvora je oko 15 mm od vrha vrha lopatice i 20 mm od ulaznog ruba, što je u osnovi konzistentno. sa položajem zone maksimalnog naprezanja C oštrice.
2. Analiza i diskusija
Analiza loma pokazuje da su karakteristike pukotine lopatice I u skladu sa karakteristikama visokog ciklusnog zamora, a broj radnih ciklusa dostiže 1,87×10^7 puta. Oštrice tretirane postupkom FHT (toplinska obrada) mogu zadovoljiti zahtjeve ispitivanja 3×10^7 puta; Međutim, lopatice tretirane FHT+HIP (vruće izostatičko prešanje) slomile su se nakon samo 3×10^6 ciklusa, a njihova plastičnost i svojstva zamora su značajno smanjena.
List II se tretira FHT postupkom kako bi se formirala struktura mrežaste korpe, a iglasta faza je raspoređena u zrnu, čime se poboljšavaju svojstva čvrstoće i zamora materijala. S druge strane, nakon FHT+HIP tretmana, zrno lopatice I značajno raste, a sekundarna faza se kontinuirano raspoređuje na granici zrna , što dovodi do toga da se pukotina lako širi duž granice zrna, čime se smanjuje otpornost na zamor.
Analiza konačnih elemenata pokazuje da se tačka maksimalnog naprezanja lopatice nalazi na stražnjoj strani lopatice, što je u skladu sa položajem izvorišnog područja pukotine I lopatice. Ovo ukazuje da je područje maksimalnog naprezanja najvjerovatnije mjesto za pojavu zamornih pukotina. Za HIP obrađenu oštricu I, zbog rasta zrna i postojanja kontinuirane faze, ova regija je sklonija ranom pucanju od zamora.
Rezultati pokazuju da sekundarno kovanje legure titanijuma nakon tretmana starenjem može potaknuti sferodizaciju igličaste faze i formirati ekviaksijalnu strukturu finog prelaznog stanja. Iako je žilavost loma ove strukture nešto niža od strukture mrežaste korpe, može biti prikladnija za kovanje prstena sa integralnim nožem. Stoga se preporučuje da se prilagodi redoslijed obrade i izvrši sekundarno kovanje nakon vrućeg izostatičkog prešanja kako bi se izbjeglo nepovoljno formiranje granice zrna u kontinuiranoj fazi i poboljšale ukupne performanse oštrice.
3. Zaključci i prijedlozi
1) Nakon FHT+ HIP tretmana, svojstvo pukotine integralnog prstenastog sečiva je zamor visokog ciklusa, a zamorna pukotina potiče od zone maksimalnog naprezanja na zadnjoj površini sečiva.
2) Nakon HIP tretmana, postoji kontinuirani film sa ravnom granicom zrna, što značajno smanjuje otpornost na zamor i dovodi do preranog nastanka zamornih pukotina.
3) Preporučuje se izvođenje sekundarnog tretmana kovanja nakon procesa vrućeg izostatičkog presovanja kako bi se dobila fina sferoidizirana struktura u prijelaznom stanju kako bi se izbjegao negativan utjecaj granica zrna kontinuirane faze na performanse.
