Phương pháp phân tích vết nứt của vòng lưỡi tích hợp động cơ máy bay

Với sự cải thiện hiệu suất của động cơ máy bay, vật liệu nhẹ và hiệu suất cao cho cánh tuabin đã trở thành xu hướng đang phát triển. Vật liệu tổng hợp ma trận titan được gia cố bằng sợi silicon cacbua dài đã thu hút nhiều sự chú ý vì tác dụng giảm trọng lượng tốt và khả năng chịu tải trọng hình khuyên. Vật liệu lưỡi tuabin này có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và đặc tính mỏi và rão tuyệt vời. Quá trình sản xuất bao gồm việc rèn hợp kim titan thành hình lưỡi dao, dành các khe trong vòng lưỡi để lấp đầy vật liệu composite, sau đó được liên kết chặt chẽ bằng công nghệ ép đẳng tĩnh nóng.

Trong nghiên cứu này, tuổi thọ mỏi do rung của các cánh I sử dụng quy trình FHT+HIP và các cánh II chỉ sử dụng quy trình FHT đã được thử nghiệm và số chu kỳ mục tiêu là 3×10^7. Lưỡi I đã kết thúc thử nghiệm ở mức 1,8×10^7 lần do vết nứt ở đầu, trong khi Lưỡi II đã vượt qua bài kiểm tra. Bằng phương pháp kiểm tra vĩ mô, phân tích vết nứt, thử nghiệm vật liệu, thử nghiệm cơ học và mô phỏng phần tử hữu hạn, các đặc điểm vết nứt và nguyên nhân của cánh I đã được phân tích để xác định chế độ hỏng hóc của nó.

1. Quá trình và kết quả thử nghiệm

1.1 Kiểm tra vĩ mô

Kết quả phát hiện huỳnh quang của vết nứt lưỡi I được thể hiện trên Hình 1. Có các vết nứt ở gần đầu lưỡi và kết quả huỳnh quang cho thấy các vết nứt đã xuyên qua hướng dày của lưỡi dao và các vết nứt cách nhau khoảng 33 mm. cạnh đầu vào của lưỡi dao.

1.2 Phân tích vết nứt

Vết nứt của lưỡi kiếm được mở ra và hình thái vĩ mô của vết nứt được thể hiện trong Hình 2. Vết nứt có màu trắng xám và màu sắc rõ ràng khác với khu vực được mở nhân tạo. Sự biến động tổng thể của vết nứt là nhỏ, và các đặc điểm của các cạnh bức xạ và vòng cung mỏi là rõ ràng, cho thấy vết nứt là vết nứt do mỏi. Tập trung vào số lượng công cộng: sức mạnh của hai máy trước, truy cập miễn phí vào dữ liệu khổng lồ của hai máy, tập trung vào kiến ​​thức hai máy và công nghệ chủ chốt!

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM) được sử dụng để quan sát bằng kính hiển vi vết nứt của lưỡi dao và người ta phát hiện ra rằng các cạnh bức xạ và vòng cung mỏi hội tụ trên bề mặt mặt sau của lưỡi dao, cho thấy độ mỏi bắt đầu từ đó và biểu hiện tính năng nguồn đơn. Vị trí của vùng nguồn được thể hiện trong vùng đường màu đỏ trong Hình 2. Quan sát khuếch đại sâu hơn cho thấy độ mòn ở vùng nguồn mỏi rất nặng và không quan sát thấy khuyết tật luyện kim rõ ràng (vùng đường màu đen trong Hình 3a). Kết quả phân tích phổ năng lượng cho thấy hàm lượng O ở vùng này rõ ràng cao hơn hàm lượng trong ma trận và các nguyên tố khác không có sự bất thường rõ ràng. Có thể nhìn thấy rõ các dải mỏi và vết nứt thứ cấp ở vùng mở rộng, điều này khẳng định thêm bản chất đứt gãy là mỏi (Hình 3b). Các vết gia công lưỡi (Hình 4) có thể nhìn thấy được trên bề mặt bên của vùng nguồn, có một Góc nhất định với vết nứt, cho thấy rằng việc thúc đẩy bắt đầu vết nứt là không đáng kể. Vị trí vĩ mô của vùng nguồn mỏi ở mặt sau của lưỡi dao được thể hiện trong Hình 5. Vùng nguồn cách mặt cuối của đầu lưỡi dao khoảng 15 mm và cách mép đầu vào 20 mm, và kéo dài sang cả hai bên của đầu lưỡi và cạnh đầu vào.

Các thử nghiệm hiệu suất cơ học được thực hiện trên cánh I và II, với 4 mẫu được lấy từ mỗi cánh. Thử nghiệm độ bền kéo ở nhiệt độ phòng được thực hiện theo tiêu chuẩn HB 5143-1996, tốc độ tải là 1 mm/phút và hai mẫu được thử nghiệm ở mỗi trạng thái. Kết quả được thể hiện trong Bảng 2. Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao ở nhiệt độ phòng được thực hiện theo tiêu chuẩn HB 5287-1996 và hai mẫu được thử nghiệm cho mỗi trạng thái. Kết quả được thể hiện ở Bảng 3.

Độ bền chảy và độ bền kéo của lưỡi I thấp hơn một chút so với lưỡi II, độ giãn dài tương tự nhưng độ co của mặt cắt rõ ràng là khác nhau và lưỡi I không có cổ rõ ràng. Thử nghiệm độ mỏi ở nhiệt độ phòng cho thấy hiệu suất mỏi của lưỡi I thấp hơn đáng kể so với lưỡi II. Các lưỡi được xử lý bằng FHT có thể đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm 3×10^7 lần, trong khi các lưỡi được xử lý bằng FHT+HIP không thể đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm, phù hợp với kết quả thử nghiệm về tuổi thọ mỏi do rung.

1.5 Phân tích ứng suất

Độ mỏi do nứt gãy của lưỡi I bắt nguồn từ mặt sau của lưỡi và có một khoảng cách nhất định tính từ mặt đầu và mặt bên của lưỡi. Để phân tích mối quan hệ giữa nguồn gốc mỏi và phân bố ứng suất, việc phân tích ứng suất bề mặt của cánh được thực hiện trên phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS.

Trong mô hình phần tử hữu hạn của phiến, phần tử C3D10 được sử dụng để phân chia lưới, với tổng số phần tử 12 035 và nút 48 216. Chế độ rung uốn bậc nhất được sử dụng để phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn. Điểm tham chiếu là đầu lưỡi dao ở cạnh đầu vào và điều kiện biên của phần mộng được chọn làm trụ đỡ gốc. Kết quả phân bố ứng suất được thể hiện trên Fig. 8. Có thể thấy trên lưỡi dao có ba điểm ứng suất cao, điểm ứng suất lớn nhất nằm ở mặt sau của lưỡi dao, điểm ứng suất cao hơn nằm ở gần mặt đầu mút và mép đầu vào của bể lưỡi dao bên. Các vị trí ứng suất cao tương ứng được thể hiện trong Bảng 4. Độ mỏi của lưỡi I bắt nguồn từ mặt sau của lưỡi và vùng nguồn cách đầu mút của lưỡi khoảng 15 mm và cách mép đầu vào 20 mm, về cơ bản là nhất quán. với vị trí vùng ứng suất lớn nhất C của cánh.

2. Phân tích và thảo luận

Phân tích vết nứt cho thấy đặc tính vết nứt của lưỡi I phù hợp với đặc tính mỏi chu kỳ cao và số chu kỳ làm việc đạt 1,87×10^7 lần. Các lưỡi dao được xử lý bằng quy trình FHT (xử lý nhiệt) có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm tra 3×10^7 lần; Tuy nhiên, các lưỡi dao được xử lý bằng FHT+HIP (ép đẳng tĩnh nóng) bị gãy chỉ sau 3×10^6 chu kỳ, đồng thời độ dẻo và đặc tính mỏi của chúng giảm đáng kể.

Lá II được xử lý bằng quy trình FHT để tạo thành cấu trúc giỏ lưới và pha hình kim được phân bổ trong hạt, giúp cải thiện độ bền và đặc tính mỏi của vật liệu. Mặt khác, sau khi xử lý FHT+HIP, hạt cánh I phát triển đáng kể và pha thứ cấp liên tục phân bố ở ranh giới hạt của , dẫn đến vết nứt dễ dàng lan rộng dọc theo ranh giới hạt, do đó làm giảm khả năng chống mỏi.

Phân tích phần tử hữu hạn cho thấy điểm ứng suất lớn nhất của lưỡi dao nằm ở mặt sau của lưỡi dao, phù hợp với vị trí vùng nguồn vết nứt I của lưỡi dao. Điều này chỉ ra rằng vùng ứng suất cực đại là nơi có nhiều khả năng xảy ra vết nứt mỏi nhất. Đối với lưỡi được xử lý HIP I, do sự phát triển của hạt và sự tồn tại của pha liên tục nên vùng này dễ bị nứt mỏi sớm hơn.

Kết quả cho thấy quá trình rèn thứ cấp của hợp kim titan sau khi xử lý lão hóa có thể thúc đẩy quá trình hình cầu hóa của pha kim và hình thành cấu trúc cân bằng trạng thái chuyển tiếp tốt. Mặc dù độ bền đứt gãy của cấu trúc này thấp hơn một chút so với cấu trúc giỏ lưới, nhưng nó có thể phù hợp hơn cho việc rèn vòng lưỡi tích hợp. Do đó, nên điều chỉnh trình tự xử lý và thực hiện rèn thứ cấp sau khi ép đẳng tĩnh nóng để tránh sự hình thành ranh giới hạt pha liên tục bất lợi và cải thiện hiệu suất tổng thể của lưỡi dao.

3. Kết luận và đề xuất

1) Sau khi xử lý FHT+ HIP, đặc tính vết nứt của lưỡi hình khuyên tích hợp là độ mỏi chu kỳ cao và vết nứt mỏi bắt nguồn từ vùng ứng suất tối đa trên bề mặt sau của lưỡi.

2) Sau khi xử lý HIP, có một màng liên tục với ranh giới hạt thẳng, làm giảm đáng kể khả năng chống mỏi và dẫn đến xuất hiện sớm các vết nứt mỏi.

3) Nên thực hiện xử lý rèn thứ cấp sau quá trình ép đẳng tĩnh nóng để thu được cấu trúc hình cầu ở trạng thái chuyển tiếp tốt để tránh ảnh hưởng bất lợi của ranh giới hạt pha liên tục đến hiệu suất.