עם השיפור בביצועי מנוע התעופה, חומרים קלים ויעילים עבור להבי טורבינה הפכו למגמה מתפתחת. חומרים מרוכבים ממטריקס טיטניום מחוזקים בסיבי סיליקון קרביד משכו תשומת לב רבה בגלל אפקט הפחתת המשקל הטוב שלהם ויכולתם לעמוד בעומסים טבעתיים. לחומר להב טורבינה זה חוזק גבוה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ותכונות עייפות וזחילה מצוינות. תהליך הייצור כולל חישול סגסוגת הטיטניום לצורת להב, שמירת חריצים בטבעת הלהב כדי למלא את החומר המרוכב, אשר לאחר מכן מחובר בחוזקה על ידי טכנולוגיית לחיצה איזוסטטית חמה.
במחקר זה, נבדקו חיי עייפות הרטט של להבים I המשתמשים בתהליך FHT+HIP ולהבים II המשתמשים בתהליך FHT בלבד, ומספר היעד של המחזורים היה 3×10^7. להב I סיים את הבדיקה ב-1.8×10^7 פעמים עקב סדק בקצה, בעוד שלהב II עבר את הבדיקה. באמצעות בדיקה מקרוסקופית, ניתוח שברים, בדיקת חומרים, בדיקות מכניות והדמיית אלמנטים סופיים, נותחו מאפייני הסדק והגורמים של להב I כדי לקבוע את מצב הכשל שלו.
1. תהליך בדיקה ותוצאות
1.1 בדיקה מקרוסקופית
תוצאות זיהוי הקרינה של סדק להב I מוצגות באיור 1. היו סדקים ליד קצה הלהב, והפלורסנטיות הראתה שהסדקים חדרו לכיוון העובי של הלהב, והסדקים היו במרחק של כ-33 מ"מ מהלהב. קצה הכניסה של הלהב.
1.2 ניתוח שברים
הסדק של הלהב נפתח, והמורפולוגיה המאקרו של השבר מוצגת באיור 2. השבר לבן אפרפר, והצבע שונה כמובן מהאזור שנפתח באופן מלאכותי. התנודה הכוללת של השבר קטנה, והמאפיינים של קצוות מקרינים וקשתות עייפות ברורים, מה שמצביע על כך שהשבר הוא פיצוח עייפות. התמקדו במספר הציבורי: תחילה שתי מכונות, גישה חופשית לנתונים מסיביים של שני מכונות, התמקדות בידע על שני מכונות ובטכנולוגיות מפתח!
נעשה שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים של פליטת שדה (SEM) כדי לצפות מיקרוסקופית בשבר הסדק של הלהב, ונמצא שהקצוות המקרינים וקשתות העייפות התכנסו על פני השטח הגבי של הלהב, מה שמצביע על כך שהעייפות התחילה משם והציגה תכונה של מקור יחיד. מיקומו של אזור המקור הוצג באזור הקו האדום באיור 2. תצפית מוגברת נוספת הראתה כי הבלאי באזור מקור העייפות היה כבד ולא נצפו פגמים מתכתיים ברורים (אזור הקו השחור באיור 3א). התוצאות של ניתוח ספקטרום האנרגיה מראות שתכולת ה-O באזור זה גבוהה יותר מזו שבמטריקס, ולאלמנטים אחרים אין חריגה ברורה. ניתן לראות פסי עייפות ברורים וסדקים משניים באזור ההרחבה, מה שמאשר עוד יותר את אופי השבר כעייפות (איור 3b). סימני עיבוד להב (איור 4) נראו על פני השטח הצדדיים של אזור המקור, בעלי זווית מסוימת עם הסדק, דבר המעיד על כך שקידום התחלת הסדק לא היה משמעותי. מיקום המאקרו של אזור מקור העייפות בצד האחורי של הלהב מוצג באיור 5. אזור המקור נמצא כ-15 מ"מ מהפנים הקצה של קצה הלהב ו-20 מ"מ מקצה הכניסה, ומשתרע לשני הצדדים של קצה הלהב וקצה הכניסה.
בדיקות ביצועים מכניות בוצעו בלהבים I ו-II, כאשר 4 דגימות נלקחו מכל להב. בדיקת מתיחה בטמפרטורת החדר נערכה לפי תקן HB 5143-1996, מהירות הטעינה הייתה 1 מ"מ לדקה, ושתי דגימות נבדקו בכל מצב. התוצאות הוצגו בטבלה 2. בדיקת עייפות במחזור גבוה בטמפרטורת החדר בוצעה לפי תקן HB 5287-1996, ושתי דגימות נבדקו עבור כל מצב. התוצאות מוצגות בטבלה 3.
חוזק הכניעה וחוזק המתיחה של להב I נמוכים במעט מזה של להב II, ההתארכות דומה אך ברור שההתכווצות של החתך שונה, וללהב I אין צוואר ברור. בדיקת עייפות בטמפרטורת החדר הראתה שביצועי העייפות של להב I היו נמוכים משמעותית מזה של להב II. הלהבים המטופלים ב-FHT יכולים לעמוד בדרישות הבדיקה של פי 3×10^7, בעוד שהלהבים המטופלים ב-FHT+HIP אינם יכולים לעמוד בדרישות הבדיקה, מה שעולה בקנה אחד עם תוצאות הבדיקה של חיי עייפות רעידות.
1.5 ניתוח מתח
עייפות השבר בסדק של להב I מקורה מהמשטח האחורי של הלהב ויש לו מרחק מסוים מקצה הקצה ומצד הלהב. על מנת לנתח את הקשר בין מקור העייפות להתפלגות המתח, ניתוח המתח של הלהב מתבצע בתוכנת הדמיית אלמנטים סופיים של ANSYS.
במודל האלמנטים הסופיים של להב, אלמנט C3D10 שימש לחלוקת רשת, עם סך של 12 035 אלמנטים וצמתים 48 216. מצב רטט כיפוף מסדר ראשון שימש לניתוח הדמיית אלמנטים סופיים. נקודת ההתייחסות הייתה קצה להב קצה הכניסה, ומצב הגבול של חלק הטנון נבחר כתומך השורש. תוצאות התפלגות המתח הוצגו באיור. 8. ניתן לראות שיש שלוש נקודות רמת מתח גבוהות על הלהב, נקודת הלחץ המקסימלית היא בצד האחורי של הלהב, ונקודת הלחץ הגבוהה יותר נמצאת ליד קצה הקצה וקצה הכניסה של אגן הלהב. צַד. מיקומי הלחץ הגבוהים המתאימים מוצגים בטבלה 4. העייפות של להב I מקורה במשטח האחורי של הלהב, ושטח המקור הוא כ-15 מ"מ מקצה הלהב ו-20 מ"מ מקצה הכניסה, וזה בעצם עקבי. עם המיקום של אזור הלחץ המרבי C של הלהב.
2. ניתוח ודיון
ניתוח השבר מראה שמאפייני הסדק של להב I תואמים את מאפייני העייפות במחזור גבוה, ומספר מחזורי העבודה מגיע פי 1.87×10^7. הלהבים המטופלים על ידי תהליך FHT (טיפול בחום) יכולים לעמוד בדרישות הבדיקה של 3×10^7 פעמים; עם זאת, הלהבים שטופלו ב-FHT+HIP (לחיצה איזוסטטית חמה) נשברו לאחר מחזורים של 3×10^6 בלבד, ותכונות הפלסטיות והעייפות שלהם ירדו באופן משמעותי.
עלה II מטופל על ידי תהליך FHT ליצירת מבנה סל נטו, והשלב האציקולרי מופץ בתבואה, מה שמשפר את תכונות החוזק והעייפות של החומר. מאידך, לאחר טיפול FHT+HIP, גרגר להב I גדל בצורה משמעותית, והשלב המשני מופץ באופן רציף בגבול הגרגירים של , מה שמוביל להתפשטות הסדק בקלות לאורך גבול הגרגיר ובכך מפחית את עמידות העייפות.
ניתוח האלמנטים הסופיים מראה שנקודת הלחץ המקסימלית של הלהב ממוקמת בצד האחורי של הלהב, מה שעולה בקנה אחד עם המיקום של אזור המקור של הסדק I של הלהב. זה מצביע על כך שאזור הלחץ המרבי הוא המקום הסביר ביותר להתרחשות סדקי עייפות. עבור הלהב המטופל ב-HIP I, בשל צמיחת הגרגירים וקיומו של שלב מתמשך, אזור זה נוטה יותר לסדיקת עייפות מוקדמת.
התוצאות מראות כי חישול משני של סגסוגת טיטניום לאחר טיפול ההזדקנות יכול לקדם את הספרודיזציה של שלב המחט וליצור מבנה שווה-צירי במצב מעבר עדין. למרות שקשיחות השבר של מבנה זה מעט נמוכה מזו של מבנה סל הרשת, היא עשויה להתאים יותר עבור חישול טבעת הלהב האינטגרלי. לכן, מומלץ להתאים את רצף העיבוד וליישם פרזול משני לאחר לחיצה איזוסטטית חמה כדי למנוע היווצרות גבול גרגר מתמשכת לרעה ולשפר את הביצועים הכוללים של הלהב.
3. מסקנות והצעות
1) לאחר טיפול FHT+HIP, תכונת הסדק של להב טבעתי אינטגרלי היא עייפות מחזורית גבוהה, וסדק העייפות נובע מאזור הלחץ המרבי על המשטח האחורי של הלהב.
2) לאחר טיפול HIP, יש סרט רציף עם גבול גרגר ישר, אשר מפחית משמעותית את עמידות העייפות ומוביל להתחלה מוקדמת של סדקי עייפות.
3) מומלץ לבצע טיפול פרזול משני לאחר תהליך הכבישה האיזוסטטית החמה כדי לקבל מבנה כדורי במצב מעבר עדין כדי למנוע את ההשפעה השלילית של גבולות גרגרים בשלב מתמשך על הביצועים.
