Dengan peningkatan kinerja mesin aero, material ringan dan berefisiensi tinggi untuk bilah turbin telah menjadi tren yang berkembang. Komposit matriks titanium yang diperkuat serat panjang silikon karbida telah menarik banyak perhatian karena efek pengurangan beratnya yang baik dan kemampuannya menahan beban melingkar. Material sudu turbin ini memiliki kekuatan tinggi, tahan suhu tinggi serta sifat lelah dan mulur yang sangat baik. Proses pembuatannya melibatkan penempaan paduan titanium menjadi bentuk bilah, menyisakan slot pada cincin bilah untuk mengisi material komposit, yang kemudian diikat erat dengan teknologi pengepresan isostatik panas.
Pada penelitian ini, umur kelelahan getaran sudu I yang menggunakan proses FHT+HIP dan sudu II yang hanya menggunakan proses FHT saja diuji, dan jumlah siklus yang ditargetkan adalah 3×10^7. Bilah I menghentikan pengujian pada 1,8×10^7 kali karena ujung retak, sedangkan bilah II lulus pengujian. Melalui inspeksi makroskopis, analisis rekahan, pengujian material, pengujian mekanis dan simulasi elemen hingga, karakteristik retak dan penyebab bilah I dianalisis untuk menentukan mode kegagalannya.
1. Proses dan hasil pengujian
1.1 Pemeriksaan Makroskopis
Hasil deteksi fluoresensi retakan sudu I ditunjukkan pada Gambar 1. Terdapat retakan di dekat ujung sudu, dan fluoresensi menunjukkan bahwa retakan tersebut telah menembus arah ketebalan sudu, dan jarak retakan tersebut sekitar 33 mm. tepi saluran masuk bilah.
1.2 Analisis fraktur
Retakan pada bilahnya terbuka, dan morfologi makro dari rekahan tersebut ditunjukkan pada Gambar 2. Rekahan tersebut berwarna putih keabu-abuan, dan warnanya jelas berbeda dengan area yang dibuka secara artifisial. Fluktuasi rekahan secara keseluruhan kecil, dan karakteristik tepi memancar serta busur lelah terlihat jelas, menunjukkan bahwa rekahan tersebut adalah retak lelah. Fokus pada nomor publik: dua kekuatan mesin terlebih dahulu, akses gratis ke dua data mesin dalam jumlah besar, fokus pada dua pengetahuan mesin dan teknologi utama!
Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (SEM) digunakan untuk mengamati secara mikroskopis retakan retakan pada bilah, dan ditemukan bahwa tepi yang memancar dan busur kelelahan menyatu pada permukaan punggung bilah, menunjukkan bahwa kelelahan dimulai dari sana dan menunjukkan a fitur sumber tunggal. Lokasi daerah sumber ditunjukkan pada area garis merah pada Gambar 2. Pengamatan yang diperkuat lebih lanjut menunjukkan bahwa keausan pada area sumber kelelahan sangat besar dan tidak ada cacat metalurgi yang terlihat jelas (area garis hitam pada Gambar 3a). Hasil analisis spektrum energi menunjukkan bahwa kandungan O di wilayah ini jelas lebih tinggi dibandingkan di matriks, dan unsur-unsur lainnya tidak memiliki kelainan yang jelas. Pita kelelahan yang jelas dan retakan sekunder dapat dilihat pada area perluasan, yang selanjutnya menegaskan sifat patahan sebagai kelelahan (Gbr. 3b). Tanda pemesinan bilah (Gbr. 4) terlihat pada permukaan samping daerah sumber, yang memiliki sudut tertentu dengan retakan, yang menunjukkan bahwa kemajuan inisiasi retakan tidak signifikan. Posisi makro daerah sumber kelelahan pada sisi belakang sudu ditunjukkan pada Gambar 5. Daerah sumber berjarak sekitar 15 mm dari permukaan ujung ujung sudu dan 20 mm dari tepi saluran masuk, serta meluas ke kedua sisi sudu. ujung pisau dan tepi saluran masuk.
Uji unjuk kerja mekanis dilakukan pada sudu I dan II, dengan masing-masing sudu diambil 4 sampel. Uji tarik pada suhu kamar dilakukan sesuai standar HB 5143-1996, kecepatan pemuatan 1 mm / menit, dan dua sampel diuji di setiap keadaan. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2. Uji kelelahan siklus tinggi pada suhu kamar dilakukan sesuai dengan standar HB 5287-1996, dan dua sampel diuji untuk setiap keadaan. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3.
Kekuatan luluh dan kekuatan tarik bilah I sedikit lebih rendah dibandingkan bilah II, perpanjangannya serupa tetapi penyusutan bagiannya jelas berbeda, dan bilah I tidak memiliki leher yang jelas. Uji kelelahan pada suhu kamar menunjukkan bahwa kinerja kelelahan sudu I jauh lebih rendah dibandingkan sudu II. Bilah yang diberi perlakuan FHT dapat memenuhi persyaratan pengujian 3×10^7 kali, sedangkan bilah yang diberi perlakuan FHT+HIP tidak dapat memenuhi persyaratan pengujian, hal ini sesuai dengan hasil pengujian umur kelelahan getaran.
1.5 Analisis stres
Kelelahan patah retak sudu I berasal dari permukaan belakang sudu dan mempunyai jarak tertentu dari ujung muka dan samping sudu. Untuk menganalisis hubungan antara asal mula kelelahan dan distribusi tegangan, analisis tegangan permukaan sudu dilakukan dalam perangkat lunak simulasi elemen hingga ANSYS.
Pada model elemen hingga blade, elemen C3D10 digunakan untuk pembagian mesh, dengan total elemen 12 035 dan node 48 216. Mode getaran lentur orde pertama digunakan untuk analisis simulasi elemen hingga. Titik acuannya adalah ujung bilah tepi saluran masuk, dan kondisi batas bagian duri dipilih sebagai penyangga akar. Hasil distribusi tegangan ditunjukkan pada Gambar. 8. Terlihat terdapat tiga titik tingkat tegangan tinggi pada sudu, titik tegangan maksimum berada pada sisi belakang sudu, dan titik tegangan tertinggi berada di dekat muka ujung ujung dan tepi saluran masuk cekungan sudu. samping. Lokasi tegangan tinggi yang sesuai ditunjukkan pada Tabel 4. Kelelahan sudu I berasal dari permukaan belakang sudu, dan luas sumbernya sekitar 15 mm dari ujung sudu dan 20 mm dari tepi saluran masuk, yang pada dasarnya konsisten dengan posisi zona tegangan maksimum C sudu.
2. Analisis dan pembahasan
Analisis patahan menunjukkan karakteristik retak sudu I sesuai dengan karakteristik kelelahan siklus tinggi, dan jumlah siklus kerja mencapai 1,87×10^7 kali. Bilah yang dirawat dengan proses FHT (perlakuan panas) dapat memenuhi persyaratan pengujian 3×10^7 kali; Namun, bilah yang diberi perlakuan FHT+HIP (pengepresan isostatik panas) patah hanya setelah 3×10^6 siklus, dan sifat plastisitas serta kelelahannya menurun secara signifikan.
Daun II diperlakukan dengan proses FHT untuk membentuk struktur keranjang jaring, dan fase acicular didistribusikan dalam butiran, yang meningkatkan sifat kekuatan dan kelelahan material. Di sisi lain, setelah perawatan FHT+HIP, butiran bilah I tumbuh secara signifikan, dan fase sekunder terus didistribusikan pada batas butir, yang menyebabkan retakan mudah menyebar di sepanjang batas butir, sehingga mengurangi ketahanan lelah.
Analisis elemen hingga menunjukkan bahwa titik tegangan maksimum sudu terletak pada sisi belakang sudu, konsisten dengan posisi daerah sumber retakan I sudu. Hal ini menunjukkan bahwa daerah tegangan maksimum merupakan tempat yang paling mungkin terjadinya retak lelah. Untuk sudu I yang diberi perlakuan HIP, karena pertumbuhan butir dan adanya fase kontinyu, wilayah ini lebih rentan terhadap retak lelah dini.
Hasilnya menunjukkan bahwa penempaan sekunder paduan titanium setelah perlakuan penuaan dapat mendorong spherodisasi fase jarum dan membentuk struktur ekuaksial keadaan transisi yang halus. Meskipun ketangguhan patah struktur ini sedikit lebih rendah dibandingkan dengan struktur keranjang jaring, struktur ini mungkin lebih cocok untuk penempaan cincin bilah integral. Oleh karena itu, disarankan untuk menyesuaikan urutan pemrosesan dan menerapkan penempaan sekunder setelah pengepresan isostatik panas untuk menghindari pembentukan batas butir fase kontinu yang merugikan dan meningkatkan kinerja blade secara keseluruhan.
3. Kesimpulan dan Saran
1) Setelah perlakuan FHT+ HIP, sifat retak pada sudu annular integral adalah kelelahan siklus tinggi, dan retak lelah berasal dari zona tegangan maksimum pada permukaan belakang sudu.
2) Setelah perawatan HIP, terdapat lapisan film kontinu dengan batas butiran lurus, yang secara signifikan mengurangi ketahanan lelah dan menyebabkan timbulnya retakan lelah secara prematur.
3) Direkomendasikan untuk melakukan perlakuan penempaan sekunder setelah proses pengepresan isostatik panas untuk mendapatkan struktur spheroid keadaan transisi yang halus untuk menghindari efek buruk dari batas butir fase kontinu terhadap kinerja.
