Methode zur Rissanalyse des integralen Schaufelrings eines Flugzeugtriebwerks

Mit der Verbesserung der Leistung von Flugzeugtriebwerken sind leichte und hocheffiziente Materialien für Turbinenschaufeln zu einem sich entwickelnden Trend geworden. Siliziumkarbid-Langfaser-verstärkte Titanmatrix-Verbundwerkstoffe haben wegen ihrer guten Gewichtsreduzierungswirkung und ihrer Fähigkeit, ringförmigen Belastungen standzuhalten, große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Dieses Turbinenschaufelmaterial weist eine hohe Festigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und hervorragende Ermüdungs- und Kriecheigenschaften auf. Der Herstellungsprozess umfasst das Schmieden der Titanlegierung in eine Schaufelform, wobei Schlitze im Schaufelring reserviert werden, um das Verbundmaterial zu füllen, das dann durch heißisostatische Presstechnologie fest verbunden wird.

In dieser Studie wurde die Vibrationsermüdungslebensdauer von Rotorblättern I, die das FHT+HIP-Verfahren verwenden, und Rotorblättern II, die nur das FHT-Verfahren verwenden, getestet. Die Zielanzahl der Zyklen betrug 3×10^7. Klinge I beendete den Test aufgrund eines Spitzenrisses bei 1,8×10^7 Malen, während Klinge II den Test bestand. Mittels makroskopischer Untersuchung, Bruchanalyse, Materialprüfung, mechanischer Prüfung und Finite-Elemente-Simulation wurden die Risseigenschaften und -ursachen von Rotorblatt I analysiert, um dessen Ausfallart zu bestimmen.

1. Testablauf und Ergebnisse

1.1 Makroskopische Inspektion

Die Ergebnisse der Fluoreszenzdetektion des Risses in der Klinge I sind in Abbildung 1 dargestellt. Es gab Risse in der Nähe des Spitzenendes der Klinge, und die Fluoreszenz zeigte, dass die Risse in die Dickenrichtung der Klinge eingedrungen waren und die Risse etwa 33 mm davon entfernt waren der Einlasskante der Klinge.

1.2 Bruchanalyse

Der Riss der Klinge wird geöffnet und die Makromorphologie des Bruchs ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Bruch ist grauweiß und die Farbe unterscheidet sich offensichtlich von dem künstlich geöffneten Bereich. Die Gesamtschwankung des Bruchs ist gering und die Merkmale von strahlenden Kanten und Ermüdungsbögen sind offensichtlich, was darauf hindeutet, dass es sich bei dem Bruch um Ermüdungsrisse handelt. Konzentrieren Sie sich auf die öffentliche Nummer: Zuerst die Leistung von zwei Maschinen, freier Zugriff auf massive Daten von zwei Maschinen, Fokus auf Wissen und Schlüsseltechnologien von zwei Maschinen!

Mithilfe der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde der Rissbruch der Klinge mikroskopisch beobachtet. Es wurde festgestellt, dass die strahlenden Kanten und Ermüdungsbögen auf der Rückseite der Klinge zusammenliefen, was darauf hindeutet, dass die Ermüdung von dort ausging und eine Single-Source-Funktion. Die Lage des Quellbereichs wurde im roten Linienbereich in Abbildung 2 dargestellt. Eine weitere verstärkte Beobachtung zeigte, dass der Verschleiß im Ermüdungsquellenbereich stark war und keine offensichtlichen metallurgischen Defekte beobachtet wurden (schwarzer Linienbereich in Abbildung 3a). Die Ergebnisse der Energiespektrumanalyse zeigen, dass der O-Gehalt in diesem Bereich offensichtlich höher ist als der in der Matrix und dass andere Elemente keine offensichtliche Anomalie aufweisen. Im Dehnungsbereich sind deutliche Ermüdungsbänder und Sekundärrisse zu erkennen, die den Charakter des Bruchs als Ermüdung weiter bestätigen (Abb. 3b). Auf der Seitenfläche des Quellbereichs, der einen bestimmten Winkel zum Riss aufwies, waren Bearbeitungsspuren der Klinge sichtbar (Abb. 4), was darauf hindeutet, dass die Förderung der Rissentstehung nicht signifikant war. Die Makroposition des Ermüdungsquellenbereichs auf der Rückseite der Schaufel ist in Abbildung 5 dargestellt. Der Quellenbereich liegt etwa 15 mm von der Endfläche der Schaufelspitze und 20 mm von der Einlasskante entfernt und erstreckt sich auf beide Seiten der Schaufelspitze und der Einlasskante.

An den Rotorblättern I und II wurden mechanische Leistungstests durchgeführt, wobei von jedem Rotorblatt vier Proben entnommen wurden. Der Zugversuch bei Raumtemperatur wurde gemäß dem HB 5143-1996-Standard durchgeführt, die Belastungsgeschwindigkeit betrug 1 mm/min und zwei Proben wurden in jedem Zustand getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Ermüdungstest bei hoher Lastspielzahl bei Raumtemperatur wurde gemäß der HB 5287-1996-Norm durchgeführt, und für jeden Zustand wurden zwei Proben getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

Die Streckgrenze und Zugfestigkeit von Klinge I sind etwas geringer als die von Klinge II, die Dehnung ist ähnlich, aber die Querschnittsschrumpfung ist offensichtlich unterschiedlich, und Klinge I weist keine offensichtliche Einschnürung auf. Ein Ermüdungstest bei Raumtemperatur zeigte, dass die Ermüdungsleistung von Klinge I deutlich geringer war als die von Klinge II. Die mit FHT behandelten Rotorblätter können die Testanforderungen des 3×10^7-fachen erfüllen, während die mit FHT+HIP behandelten Rotorblätter die Testanforderungen nicht erfüllen können, was mit den Testergebnissen zur Vibrationsermüdungslebensdauer übereinstimmt.

1.5 Stressanalyse

Die Rissbruchermüdung der Klinge I entsteht an der Rückseite der Klinge und hat einen gewissen Abstand von der Spitzenendfläche und der Seite der Klinge. Um den Zusammenhang zwischen Ermüdungsursprung und Spannungsverteilung zu analysieren, wird die Oberflächenspannungsanalyse der Schaufel in der Finite-Elemente-Simulationssoftware ANSYS durchgeführt.

Im Finite-Elemente-Modell des Blades wurde das C3D10-Element für die Netzteilung verwendet, mit insgesamt 12 035 Elementen und 48 216 Knoten. Für die Finite-Elemente-Simulationsanalyse wurde der Biegeschwingungsmodus erster Ordnung verwendet. Der Referenzpunkt war die Schaufelspitze der Einlasskante, und die Randbedingung des Zapfenteils wurde als Wurzelunterstützung ausgewählt. Die Ergebnisse der Spannungsverteilung sind in Abb. 1 dargestellt. 8. Es ist ersichtlich, dass es an der Schaufel drei Punkte mit hohem Spannungsniveau gibt, der Punkt mit der höchsten Belastung liegt auf der Rückseite der Schaufel und der Punkt mit der höheren Belastung liegt in der Nähe der Endfläche der Spitze und der Einlasskante des Schaufelbeckens Seite. Die entsprechenden Stellen mit hoher Beanspruchung sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Ermüdung von Schaufel I entsteht an der Rückseite der Schaufel, und der Quellbereich liegt etwa 15 mm vom Spitzenende der Schaufel und 20 mm von der Einlasskante entfernt, was grundsätzlich konsistent ist mit der Position der maximalen Belastungszone C des Blattes.

2. Analyse und Diskussion

Die Bruchanalyse zeigt, dass die Risseigenschaften der Klinge I den Ermüdungseigenschaften bei hohen Lastwechselzyklen entsprechen und die Anzahl der Arbeitszyklen das 1,87×10^7-fache erreicht. Die mit dem FHT-Verfahren (Wärmebehandlung) behandelten Klingen können die Testanforderungen um das 3×10^7-fache erfüllen; Allerdings brachen die mit FHT+HIP (heißisostatisches Pressen) behandelten Schaufeln bereits nach 3×10^6 Zyklen und ihre Plastizität und Ermüdungseigenschaften nahmen deutlich ab.

Blatt II wird durch das FHT-Verfahren behandelt, um eine Netzkorbstruktur zu bilden, und die nadelförmige Phase wird im Korn verteilt, was die Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften des Materials verbessert. Andererseits wächst das Korn der Schaufel I nach der FHT+HIP-Behandlung erheblich und die Sekundärphase verteilt sich kontinuierlich an der Korngrenze von , was dazu führt, dass sich der Riss leicht entlang der Korngrenze ausbreitet, wodurch die Ermüdungsbeständigkeit verringert wird.

Die Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass der maximale Spannungspunkt der Schaufel auf der Rückseite der Schaufel liegt, was mit der Position des Quellbereichs des Risses I der Schaufel übereinstimmt. Dies weist darauf hin, dass der Bereich maximaler Spannung der wahrscheinlichste Ort für das Auftreten von Ermüdungsrissen ist. Bei der HIP-behandelten Klinge I ist dieser Bereich aufgrund des Kornwachstums und der Existenz einer kontinuierlichen Phase anfälliger für frühe Ermüdungsrisse.

Die Ergebnisse zeigen, dass das sekundäre Schmieden der Titanlegierung nach der Alterungsbehandlung die Sphärodisierung der Nadelphase fördern und eine feine gleichachsige Übergangszustandsstruktur bilden kann. Obwohl die Bruchzähigkeit dieser Struktur etwas geringer ist als die der Netzkorbstruktur, eignet sie sich möglicherweise besser für das Schmieden integrierter Schaufelringe. Daher wird empfohlen, die Verarbeitungsreihenfolge anzupassen und nach dem heißisostatischen Pressen ein sekundäres Schmieden durchzuführen, um eine nachteilige Bildung von kontinuierlichen Korngrenzen in der kontinuierlichen Phase zu vermeiden und die Gesamtleistung der Klinge zu verbessern.

3. Schlussfolgerungen und Vorschläge

1) Nach der FHT+ HIP-Behandlung ist die Risseigenschaft der integrierten ringförmigen Schaufel eine Ermüdung bei hoher Lastspielzahl, und der Ermüdungsriss entsteht aus der Zone maximaler Belastung auf der Rückseite der Schaufel.

2) Nach der HIP-Behandlung liegt ein kontinuierlicher Film mit gerader Korngrenze vor, der die Ermüdungsbeständigkeit deutlich verringert und zu einer vorzeitigen Entstehung von Ermüdungsrissen führt.

3) Es wird empfohlen, nach dem heißisostatischen Pressvorgang eine sekundäre Schmiedebehandlung durchzuführen, um eine feine sphäroidisierte Struktur im Übergangszustand zu erhalten und die nachteilige Wirkung kontinuierlicher Phasenkorngrenzen auf die Leistung zu vermeiden.