Mengingat kegagalan retak pada bilah rotor kompresor selama uji coba kipas turbo mesin, makalah ini menganalisis kekuatan dan karakteristik getaran bilah dan menyimpulkan bahwa bilah memiliki risiko resonansi selama operasi. Getaran bilah diukur dengan metode pengukuran non-kontak, dan tegangan getaran bilah rotor tanpa lubang korosi diperoleh. Keandalan kerja bilah dalam keadaan non-korosi diverifikasi dengan melakukan uji kelelahan siklus tinggi pada bilah. Ambang batas ekstensi retak bilah dalam keadaan korosi dibalik dengan rumus Pairs, dan penyebab retak bilah dianalisis. Alasan utama fraktur adalah bahwa bilah pertama-tama membentuk lubang korosi, dan kemudian gagal karena kelelahan korosi di bawah aksi beban bergantian siklus tinggi. Makalah ini berfokus pada peningkatan dari perspektif proses, mengontrol kisaran suhu tempering material, menambahkan proses infiltrasi aluminium pada permukaan bilah, secara efektif mencegah bilah dari kegagalan fraktur, dan meningkatkan keandalan kerja bilah.

Bilah merupakan salah satu bagian penting dari mesin, dan melakukan tugas penting untuk mengubah energi termal menjadi energi mekanik. Karena kecepatannya yang tinggi, beban yang besar, dan kondisi kerja yang kompleks, bilah mudah rusak selama pengoperasian. Baja tahan karat penerbangan memiliki kekuatan tinggi, plastisitas yang baik, ketangguhan dan ketahanan lelah, serta harganya murah. Bilah ini banyak digunakan dalam industri penerbangan untuk memproduksi bilah mesin. Turbin uap yang digunakan dalam pesawat dan kapal laut, karena faktor meteorologi di atmosfer laut, seperti suhu tinggi, kelembaban tinggi, salinitas tinggi, dan banyak daerah berkabut, akan secara langsung memengaruhi perilaku korosi bahan paduan baja. Bilah mesin sangat rentan terhadap korosi tegangan dan korosi lelah, yang tidak hanya mengurangi efisiensi mesin, tetapi juga meningkatkan waktu dan biaya perawatan.

Retak korosi tegangan sering kali merupakan fraktur getas yang terjadi tanpa deformasi makroskopis yang jelas. Setelah terbentuk, retak korosi tegangan meluas lebih cepat daripada jenis korosi lokal lainnya, dan merupakan jenis korosi paling merusak yang diketahui hingga saat ini. Hasil statistik menunjukkan bahwa retak korosi tegangan baja tahan karat menempati urutan pertama di antara kegagalan fraktur, yang mencakup lebih dari 50%. Selama beberapa dekade, para sarjana di bidang terkait di seluruh dunia telah berkomitmen untuk meneliti kelelahan korosi pada struktur baja paduan berkekuatan tinggi, yang meletakkan dasar yang kokoh untuk pengembangan eksperimental dan eksplorasi mekanisme kelelahan korosi pada struktur tersebut. Misalnya, Liu dkk. mempelajari karakteristik kelelahan korosi baja berkekuatan tinggi 38CrMoAl dan menemukan bahwa kerusakan korosi pertama kali akan muncul di zona plastik lokal spesimen, yang mempercepat inisiasi retak lelah. Guo Hongchao mempelajari kinerja kelelahan baja berkekuatan tinggi Q690 dalam lingkungan korosif dan menemukan bahwa batas kelelahan menurun sebesar 30.15% dan 38.89% ketika siklus korosi masing-masing adalah 60 hari dan 100 hari. Jing Yongzhi merangkum penelitian relevan tentang pelapis pelindung bilah mesin yang berfungsi di lingkungan laut dan merangkum konsep desain pelapis pelindung bilah.

Bertujuan pada fenomena fraktur korosi tegangan dari bilah rotor tahap pertama kompresor selama uji coba jenis mesin tertentu, makalah ini menganalisis karakteristik tegangan dan getaran kondisi tunak di dalam selubung kerja bilah dan menyimpulkan bahwa bilah memiliki risiko resonansi di bawah kecepatan lambat; melakukan uji pemantauan getaran bilah berdasarkan pengukuran regangan non-kontak, dan memperoleh tegangan getaran bilah rotor tanpa lubang korosi; dikombinasikan dengan hasil pengukuran uji kelelahan siklus tinggi bilah, keandalan kerja bilah dalam keadaan non-korosi diverifikasi; rumus Pairs digunakan untuk membalikkan ambang batas ekstensi retak bilah dalam keadaan korosif, dan penyebab retak bilah dianalisis. Hasil analisis konsisten dengan kesimpulan analisis fraktur, memverifikasi efektivitas analisis. Tindakan perlindungan yang sesuai diambil, dan kelayakan tindakan diverifikasi melalui eksperimen.

1 Gambaran Umum Kesalahan
Cakram bilah tahap pertama dan jurnal depan kompresor mesin turbofan diintegrasikan, menggunakan penempaan cetakan baja tahan panas 1Cr12Ni2WMoVNb dan pemesinan CNC integral. Setelah sekitar 177 jam uji coba, ditemukan bahwa semua bilah memiliki lubang yang tidak merata dengan berbagai ukuran dari pangkal hingga ujung bilah, dan satu bilah retak. Panjang retakan sekitar 8.3 mm, terletak di dekat tepi saluran masuk, sekitar 4.8 mm dari pelat tepi, dan penampakan bilah yang retak ditunjukkan pada Gambar 1.
Morfologi makroskopik area sumber fraktur ditunjukkan pada Gambar 2, di mana busur kelelahan dan tonjolan radial yang khas dapat terlihat. Area sumber berwarna hitam dalam jarak sekitar 0.2 mm, yang menunjukkan bahwa terdapat produk korosi di area sumber. Area yang diperluas berwarna abu-abu kehitaman dan kuning muda, dan sejumlah besar busur kelelahan dapat terlihat.

2 Analisis Penyebab
Untuk lebih memperjelas penyebab dan mekanisme kegagalan, analisis kekuatan statis, analisis getaran, analisis perluasan retak, dan analisis fraktur dilakukan pada bilah rotor tahap pertama kompresor.

2.1 Analisis Kekuatan Statis
Menurut karakteristik struktural simetris siklik dari bilah tahap pertama kompresor, badan cakram 1/31 dan bilah lengkap diambil sebagai model perhitungan, dan analisis kekuatan statis dilakukan menggunakan platform perangkat lunak ANSYS. Derajat kebebasan aksial dan keliling dari simpul lubang baut web dibatasi, dan beban memperhitungkan suhu, kecepatan, dan gaya aerodinamis. Kondisi batas simetris siklik diterapkan pada permukaan simetri siklik. Model elemen hingga ditunjukkan pada Gambar 3, dan distribusi tegangan badan bilah di bawah keadaan kerja maksimum ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tegangan di area tengah akar belakang bilah adalah yang terbesar, dan tegangan pada awal retak bilah relatif rendah, yang memenuhi persyaratan desain kekuatan.

2.2 Analisis Getaran
Analisis modal bilah rotor tahap pertama kompresor telah dilakukan. Mode getaran orde pertama dan distribusi tegangan getaran relatif bilah ditunjukkan pada Gambar 5. Dapat dilihat dari Gambar 5 bahwa posisi tegangan getaran maksimum orde pertama bertepatan dengan posisi retakan bilah. Diagram kecepatan resonansi bilah ditunjukkan pada Gambar 6.

Di antara mereka, urutan eksitasi yang perlu dianalisis adalah: K = 1, 2, 3, 4, yang sesuai dengan distorsi aliran udara masuk dan eksitasi orde rendah dari mesin; jumlah bilah pemandu tahap depan adalah 38, dan jumlah bilah pemandu tahap belakang adalah 52. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, dalam rentang kecepatan operasi mesin, terdapat titik resonansi antara garis eksitasi K = 3 kali dan garis frekuensi alami orde pertama dari bilah. Kecepatan operasi mesin yang sesuai adalah kecepatan lambat, titik resonansi berada di bawah kecepatan lambat, dan margin resonansi adalah 5.4%.

Untuk memverifikasi risiko resonansi tingkat pertama dari bilah di bawah eksitasi K=3 kali, getaran bilah rotor tahap pertama kompresor diukur menggunakan sistem pengukuran getaran bilah nonkontak. Bilah rotor tahap pertama kompresor diperiksa sebelum pengujian, dan tidak ditemukan lubang korosi.
Untuk mengukur tekanan getaran maksimum yang mungkin terjadi pada bilah dalam rentang selubung, uji coba mempertimbangkan kombinasi sudut bukaan bilah pemandu dan kondisi suhu masuk yang berbeda, dan total 6 uji keadaan kombinasi dilakukan. Spektrum uji kecepatan ditunjukkan pada Gambar 7.

Prinsip dasar pengujian regangan nonkontak dibagi menjadi dua langkah: langkah pertama adalah menguji nilai amplitudo ujung bilah di bawah kondisi resonansi di bawah kondisi kerja bilah yang sebenarnya; langkah kedua adalah menghitung hasil regangan dari titik pengukuran regangan yang diperlukan pada resonansi berdasarkan hubungan konversi antara regangan bilah dan amplitudo ujung. Hasil perpindahan getaran, kecepatan resonansi, dan frekuensi bilah dalam proses percepatan siklus pertama di bawah keadaan 1 ditunjukkan pada Gambar 8. Sumbu horizontal pada gambar adalah nomor bilah, dan sumbu vertikal adalah perpindahan, kecepatan resonansi, dan frekuensi resonansi dari atas ke bawah. Tegangan getaran orde pertama bilah yang diperoleh setelah konversi ditunjukkan pada Tabel 1.

Mengacu pada HB 5277-84, batas kelelahan getaran siklus tinggi dari bilah diukur dengan metode pengangkatan, dan 15 data yang valid diperoleh. Nilai batas kelelahan 107 siklus-3σ dari bilah dengan batas kesalahan 5% (yaitu, tingkat kepercayaan 95%, tingkat kelangsungan hidup 99.73%) adalah 485MPa. Analisis cadangan kelelahan siklus tinggi menggunakan nilai batas kelelahan-3σ dari bilah ditunjukkan pada Gambar 9, di mana ordinat adalah tegangan getaran dan absis adalah tegangan kondisi tunak. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 9, tegangan getaran pada retakan bilah didistribusikan di bawah kurva Goodman dengan cadangan kelelahan 1.7, dan cadangan kelelahan siklus tinggi yang dihitung menggunakan tegangan getaran maksimum adalah 5.2, sehingga bilah tidak akan mengalami kerusakan kelelahan siklus tinggi.

2.3 Analisis perambatan retak
Untuk memastikan apakah bilah dapat mengalami perambatan lelah di bawah aksi beban bolak-balik siklus tinggi, analisis perambatan retak pada bilah sekarang dilakukan.
Hukum pertumbuhan retak lelah ditunjukkan pada Gambar 10. Dari Gambar 10 terlihat bahwa terdapat tiga daerah antara laju pertumbuhan retak lelah da/dN dan faktor intensitas tegangan ΔK.
a) Daerah pertama adalah tahap pertumbuhan retak lelah yang lambat. Terdapat nilai ambang batas pertumbuhan retak lelah ΔKth. Jika ΔK lebih rendah dari ΔKth, retak lelah tidak tumbuh atau tumbuh sangat lambat;
b) Pertumbuhan retak lelah di wilayah kedua mengikuti hukum fungsi daya. Laju pertumbuhan retak lelah da/dN dapat dinyatakan dengan fungsi daya dari amplitudo faktor intensitas tegangan ΔK. Rumus Paris banyak digunakan untuk menyatakannya;
c) Daerah ketiga adalah tahap pertumbuhan cepat. Ketika retakan tumbuh perlahan mendekati atau mencapai KIC (1 – R), retakan tumbuh dengan cepat. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 1, retakan bilah dimulai dari lubang korosi, dan pertumbuhan retakan lelah dihasilkan di area lokal dekat ujung lubang korosi. Analisis getaran menunjukkan bahwa tegangan getaran orde pertama pada retakan bilah adalah tegangan tarik di sepanjang tepi intake, dan retakan awal termasuk dalam retakan tipe-I. Medan tegangan dan medan perpindahan di dekat ujung retakan tipe-I dapat disederhanakan sebagai: Lihat rumus (1) dan (2) pada gambar.
Dimana: KI adalah faktor intensitas tegangan ujung retakan tipe-I; r adalah jari-jari polar ujung retakan dalam koordinat polar; fij(I) (θ) dan g(ijI) (θ) masing-masing adalah fungsi tegangan dan fungsi perpindahan.
Menurut mekanika fraktur elastis linier, ekspresi faktor intensitas tegangan seperti yang ditunjukkan dalam rumus (3), di mana: Δσ adalah amplitudo tegangan; a adalah ukuran retakan; Y adalah koefisien bentuk. Karena bentuk lubang korosi kira-kira merupakan retakan permukaan elips, koefisien bentuk Y diambil sebesar 1.12. Ubah rumus (3) untuk memperoleh (4).
Dimana: a0 adalah ukuran retak kritis untuk retak lelah. Jika ukuran retak kurang dari a0, retak lelah tidak akan terjadi pada bilah.
Untuk baja martensit, Barsom memperoleh hubungan empiris berikut (5). Di mana: R adalah rasio tegangan. Artinya, ketika rasio tegangan meningkat, nilai ambang batas faktor intensitas tegangan baja martensit akan menurun.

Data sampel tegangan getaran yang diukur dianalisis secara statistik, dan distribusi frekuensi tegangan getaran bilah dianalisis. Histogram distribusi frekuensi tegangan getaran ditunjukkan pada Gambar 11. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, distribusi tegangan getaran sesuai dengan distribusi normal, dan kurva pemasangan mematuhi distribusi X~N (36.86, 323.336). Nilai tegangan getaran +3σ (yaitu tingkat kepercayaan 95%, tingkat kelangsungan hidup 0.13%) dihitung sebesar 88 MPa.

Berdasarkan nilai tegangan getaran +3σ dan tegangan steady-state pada kecepatan resonansi bilah, rasio tegangan R pada awal retak bilah dihitung menjadi 0.2. Dari rumus (5), dapat dihitung bahwa nilai ambang batas faktor intensitas tegangan ΔKth yang sesuai dengan rasio tegangan R sebesar 0.2 adalah 5.31 MPa·m1/2. Dari rumus (4), dapat dihitung bahwa ukuran retak kritis a0 dari retak lelah adalah 0.23 mm. Kedalaman lubang korosi yang diukur secara komprehensif adalah 0.25 mm. Dari perhitungan di atas, dapat dilihat bahwa ketika tegangan getaran mengambil nilai +3σ, kedalaman lubang korosi dapat mencapai ukuran retak kritis dan retakan akan mengembang. Karena distribusi tegangan getaran mengikuti distribusi normal, bagian tegangan getaran yang kurang dari nilai +3σ tidak dapat memenuhi kondisi untuk ekspansi retak. Analisis menunjukkan bahwa ini terkait dengan pengurangan sifat material setelah bilah terkorosi.

Karena lingkungan korosif akan mengurangi faktor intensitas tegangan bahan logam, membuat bilah lebih rentan terhadap retak, amplitudo faktor intensitas tegangan ini disebut nilai ambang batas amplitudo faktor intensitas tegangan kelelahan korosi, yang direpresentasikan oleh ΔKthCF. Sekarang nilai ambang batas faktor intensitas tegangan bilah di bawah lingkungan korosif terbalik. Dengan asumsi bahwa ukuran retak kritis bilah adalah 0.25 mm, nilai rata-rata tegangan getaran adalah 36.86 MPa dan rumus (3) digunakan untuk menghitung nilai ambang batas faktor intensitas tegangan bilah di bawah lingkungan korosif menjadi 2.31MPa·m1/2. Analisis menunjukkan bahwa lingkungan korosif mengurangi nilai ambang batas faktor intensitas tegangan bilah. Ketika faktor intensitas tegangan pada titik awal retak bilah mencapai nilai ambang batas perluasan retak di lingkungan korosif, retak kelelahan korosi dimulai, dan kemudian perluasan kelelahan terjadi.

2.4 Analisis fraktur
Analisis fraktur pada bilah yang retak menunjukkan morfologi mikroskopis dari area sumber fraktur pada Gambar 12. Fitur intergranular yang khas dapat dilihat di area sumber, dan morfologi lubang korosi halus dapat dilihat pada permukaan butiran. Mikromorfologi fraktur ditunjukkan pada Gambar 13. Retakan meluas ke arah tepi knalpot, dan fitur pita kelelahan yang khas dapat dilihat sebelum, selama, dan setelah perpanjangan.

Sampel metalografi dipotong dari bilah yang retak sejajar dengan arah retakan. Sampel digiling dan dipoles untuk mengamati struktur mikro. Morfologi ditunjukkan pada Gambar 14. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 14, sejumlah besar retakan intergranular dapat dilihat pada tepi intake bilah yang retak. Kedalaman retakan relatif dangkal, sekitar 0.25 mm, dan karakteristik retakan intergranular halus dapat dilihat di dekat batas butiran, yang menunjukkan bahwa lubang pada tepi intake bilah disebabkan oleh korosi.

Analisis spektrum energi pada batas butir menunjukkan bahwa area sumber fraktur sebagian besar mengandung unsur korosif seperti O, S, dan C, dan terdapat pula sejumlah unsur O di area ekspansi. Terdapat pula unsur korosif seperti S dan O di area pit dan permukaan bilah lainnya, lihat Tabel 2.

Hasil analisis fraktur menunjukkan bahwa lubang pada tepi masuk bilah dan area sumber fraktur di sepanjang serat disebabkan oleh korosi. Dari perspektif tingkat kerusakan korosi dan posisi retak, area sumber retak pada dasarnya dekat dengan akar bilah, yang menunjukkan bahwa perpanjangan lelah bilah tidak hanya terkait dengan tingkat kerusakan korosi permukaan, tetapi juga dengan tegangan getaran yang relatif besar yang ditanggung oleh posisi ini selama pengoperasian. Bilah mungkin terlebih dahulu mengalami retak korosi di sepanjang serat, dan kemudian perpanjangan lelah terjadi di bawah aksi tegangan kerja.

3 Analisis Penyebab Komprehensif

Alasan kegagalan dan fraktur bilah dirangkum sebagai berikut: bilah rotor sering bekerja di daerah pesisir dan pedalaman yang lembab dan panas. Atmosfer mengandung kadar media korosif yang tinggi seperti sulfur dan klorin, dan nilai pH rendah. Di bawah pengaruh lingkungan, bilah pertama kali terkorosi, dan lubang serta rongga yang tidak rata terbentuk di tepi saluran masuk udara. Pembentukan lubang korosi menghasilkan konsentrasi tegangan lokal, sehingga retakan kelelahan korosi pada bilah berasal dari lubang korosi.

Korosi sangat melemahkan gaya ikatan antara butiran material dan mengurangi nilai ambang batas faktor intensitas tegangan material. Di bawah aksi tegangan getaran siklus tinggi, lubang korosi mulai berubah menjadi retakan. Ketika nilai faktor intensitas tegangan dari retakan ekuivalen pada lubang korosi bilah mencapai nilai ambang batas faktor intensitas tegangan untuk perluasan retakan kelelahan korosi, retakan kelelahan korosi dimulai. Setelah itu, di bawah aksi gabungan lingkungan korosif dan beban bergantian siklus tinggi, retakan kelelahan korosi didorong untuk meluas, dan akhirnya kegagalan kelelahan korosi bilah terjadi.

4 Langkah-langkah perbaikan dan verifikasi

4.1 Langkah-langkah peningkatan
Karena bilah rotor memenuhi persyaratan kinerja struktural dan aerodinamis dalam hal desain struktural, dua peningkatan berikut dipertimbangkan dari perspektif proses:
a) Selama proses penempaan, suhu temper dikontrol untuk meningkatkan ketahanan korosi material;
b) Proses aluminisasi suhu rendah ditambahkan ke permukaan bilah untuk meningkatkan ketahanan bilah terhadap korosi.

4.2 Verifikasi tindakan
Untuk memverifikasi efektivitas tindakan tersebut, uji korosi semprotan garam dilakukan pada spesimen material yang sama. Menurut persyaratan GJB150.11A-2009[19], spesimen dirancang, dan dimensinya ditunjukkan pada Gambar 15. Tiga spesimen yang ditempa pada suhu 590℃ tanpa aluminisasi, tiga spesimen yang ditempa pada suhu 580℃ tanpa aluminisasi, dan tiga spesimen yang ditempa pada suhu 580℃ dengan aluminisasi diambil untuk uji korosi semprotan garam, dan pengaruh proses aluminisasi dan suhu tempering pada ketahanan korosi semprotan garam dari material 1Cr12Ni2WMoVNb dieksplorasi. Parameter uji dari proses pengujian ditunjukkan pada Tabel 3, dan tampilan benda uji setelah 96 jam korosi semprotan garam ditunjukkan pada Gambar 16.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa ketahanan korosi sampel temper 580℃ secara signifikan lebih baik daripada sampel temper 590℃; lapisan aluminized secara signifikan menunda korosi substrat dan berperan dalam menahan korosi semprotan garam.
Setelah melaksanakan langkah-langkah perbaikan di atas, dilakukan pembongkaran dan pemeriksaan bilah rotor pada mesin yang telah habis masa pakainya. Tidak ditemukan adanya korosi atau keretakan pada bilah rotor, yang menandakan bahwa langkah-langkah tersebut telah terverifikasi efektif.

Kesimpulan

Penelitian terkait telah dilakukan terhadap korosi dan fraktur bilah pada pengujian jenis mesin tertentu, dan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

Menurut analisis simulasi, dapat diketahui bahwa bilah mengalami resonansi di bawah kecepatan lambat; menurut uji pengukuran regangan non-kontak seluruh mesin dan hasil pengukuran uji kelelahan siklus tinggi pada bilah, dapat dibuktikan bahwa bilah bekerja andal dalam keadaan tidak korosif.

Alasan utama terjadinya fraktur adalah bilah mengalami korosi terlebih dahulu, dan korosi tersebut mengurangi ambang batas perpanjangan retak lelah material. Ketika nilai faktor intensitas tegangan dari retakan ekuivalen pada lubang korosi bilah mencapai nilai ambang batas faktor intensitas tegangan dari perpanjangan retak lelah akibat korosi, retak lelah akibat korosi dimulai, dan kemudian terjadi kegagalan lelah di bawah aksi beban bolak-balik siklus tinggi. Pengaruh korosi pada ambang batas perpanjangan retak lelah terkait dengan media korosif, organisasi dan sifat material, suhu, rasio tegangan dan bentuk beban, yang relatif kompleks dan memerlukan penelitian lebih lanjut secara mendalam.

Perlu memperhatikan konsep desainnya mata pisau lapisan pelindungMisalnya, proses aluminisasi suhu rendah dapat secara efektif meningkatkan ketahanan korosi dan masa pakai bilah. Namun, proses aluminisasi suhu rendah dapat memengaruhi parameter seperti ambang batas perluasan retak, dan tingkat pengaruhnya memerlukan penelitian mendalam melalui eksperimen yang relevan.