Glede na odpoved razpoke lopatica rotorja kompresorja med testnim delovanjem turboventilatorski motorja, ta članek analizira značilnosti trdnosti in vibracij rezila in ugotavlja, da obstaja tveganje resonance med delovanjem. Vibracije lopatice so bile izmerjene z brezkontaktno merilno metodo in pridobljene so bile vibracijske napetosti lopatice rotorja brez korozijskih jam. Delovna zanesljivost rezila v nerjavečem stanju je bila preverjena z izvedbo visokocikličnega testa utrujenosti rezila. Prag razširitve razpoke rezila v korozijskem stanju je bil obrnjen s formulo Pairs in analiziran je bil vzrok za pokanje rezila. Glavni razlog za zlom je, da rezilo najprej tvori korozijske jamice, nato pa odpove zaradi korozijske utrujenosti pod delovanjem visokocikličnih izmeničnih obremenitev. Ta članek se osredotoča na izboljšanje z vidika procesa, nadzoruje temperaturno območje kaljenja materiala, dodaja postopek infiltracije aluminija na površini rezila, učinkovito preprečuje zlom rezila in izboljša delovno zanesljivost rezila.

Lopatica je eden od pomembnih delov motorja in opravlja pomembno nalogo pretvarjanja toplotne energije v mehansko. Zaradi visoke hitrosti, velike obremenitve in zapletenih delovnih pogojev se med delovanjem zlahka pokvari. Letalsko nerjavno jeklo ima visoko trdnost, dobro plastičnost, žilavost in odpornost proti utrujenosti ter nizko ceno. Široko se uporablja v letalski industriji za izdelavo lopatic motorjev. Parne turbine, ki se uporabljajo v pomorskih letalih in ladjah, bodo zaradi meteoroloških dejavnikov v morskem ozračju, kot so visoka temperatura, visoka vlažnost, visoka slanost in številna meglena območja, neposredno vplivale na korozijsko obnašanje materialov iz jeklenih zlitin. Lopatice motorja so zelo nagnjene k napetostni koroziji in koroziji zaradi utrujenosti, kar ne le zmanjša učinkovitost motorja, ampak tudi poveča čas vzdrževanja in stroške.

Razpoke zaradi napetostne korozije so pogosto krhki zlomi, ki se pojavijo brez kakršne koli očitne makroskopske deformacije. Ko nastanejo, se razpoke zaradi napetostne korozije širijo hitreje kot druge vrste lokalne korozije in so najbolj uničujoča vrsta korozije, ki je znana doslej. Statistični rezultati kažejo, da je napetostno korozijsko razpokanje nerjavnega jekla na prvem mestu med okvarami zaradi loma in predstavlja več kot 50 %. Že desetletja so znanstveniki na sorodnih področjih po vsem svetu predani raziskavam korozijske utrujenosti konstrukcij iz visokotrdnega legiranega jekla, s čimer so postavili trdne temelje za eksperimentalni razvoj in raziskovanje mehanizmov korozijske utrujenosti takšnih struktur. Na primer, Liu et al. proučevali karakteristike korozijske utrujenosti visokotrdnega jekla 38CrMoAl in ugotovili, da bi se korozijska poškodba najprej pojavila v lokalnem plastičnem območju vzorca, kar bi pospešilo nastanek razpok zaradi utrujenosti. Guo Hongchao je preučeval odpornost proti utrujenosti jekla visoke trdnosti Q690 v jedkem okolju in ugotovil, da se je meja utrujenosti zmanjšala za 30.15 % oziroma 38.89 %, ko je bil korozijski cikel 60 d oziroma 100 d. Jing Yongzhi je povzel ustrezne raziskave zaščitnih premazov za lopatice motorjev, ki se uporabljajo v morskih okoljih, in povzel koncept zasnove zaščitnih premazov za lopatice.

S ciljem preučevanja pojava napetostno korozijskega loma lopatice prvostopenjskega rotorja kompresorja med preskusnim delovanjem določenega tipa motorja je ta članek analiziral karakteristike napetosti in vibracij v stabilnem stanju znotraj delovnega ovoja lopatice in ugotovil, da rezilo je imelo tveganje resonance pod nizko hitrostjo; izvedel preskus spremljanja vibracij lopatice na podlagi brezkontaktne meritve obremenitve in pridobil vibracijsko obremenitev lopatice rotorja brez korozijskih jam; v kombinaciji z rezultati meritev visokocikličnega preskusa utrujenosti rezila je bila preverjena delovna zanesljivost rezila v nerjavečem stanju; formula Pairs je bila uporabljena za obračanje praga razširitve razpoke rezila v jedkem stanju in analiziran je bil vzrok za pokanje rezila. Rezultati analize so bili skladni z zaključki analize zloma, kar potrjuje učinkovitost analize. Izvedeni so bili ustrezni zaščitni ukrepi, izvedljivost ukrepov pa je bila preverjena s poskusi.

1 Pregled napak
Prvostopenjski disk z lopaticami in sprednji ležaj kompresorja turboventilatorskega motorja sta integrirana z uporabo kovanja iz toplotno odpornega jekla 1Cr12Ni2WMoVNb in integrirane CNC obdelave. Po približno 177 urah preizkusa je bilo ugotovljeno, da so imela vsa rezila neenakomerno razporejene jamice različnih velikosti od korena do konice rezila, eno rezilo pa je imelo razpoko. Dolžina razpoke je približno 8.3 mm, nahaja se blizu vstopnega roba, približno 4.8 mm od robne plošče, videz razpokanega rezila pa je prikazan na sliki 1.
Makroskopska morfologija območja izvora zloma je prikazana na sliki 2, kjer so vidni značilni loki utrujenosti in radialni grebeni. Območje vira je črno znotraj približno 0.2 mm, kar pomeni, da so v območju vira produkti korozije. Razširjeno območje je sivo-črne in svetlo rumene barve, vidno pa je veliko število lokov utrujenosti.

2 Analiza vzroka
Da bi dodatno razjasnili vzrok in mehanizem okvare, so bile izvedene analize statične trdnosti, analize vibracij, analize razširitve razpoke in analize loma na lopatici rotorja prve stopnje kompresorja.

2.1 Analiza statične trdnosti
Glede na ciklične simetrične strukturne značilnosti lopatice prve stopnje kompresorja sta bila kot računski model vzeta telo diska 1/31 in celotna lopatica, analiza statične trdnosti pa je bila izvedena s programsko platformo ANSYS. Aksialne in obodne prostostne stopnje vozlišč lukenj za vijake v mrežici so bile omejene, obremenitev pa je upoštevala temperaturo, hitrost in aerodinamično silo. Ciklični simetrični robni pogoji so bili uporabljeni na površini ciklične simetrije. Model končnih elementov je prikazan na sliki 3, porazdelitev napetosti telesa rezila pod največjim delovnim stanjem pa na sliki 4. Rezultati izračuna kažejo, da je napetost v srednjem območju zadnjega korena rezila največja, napetost na začetku razpoke rezila pa je relativno nizka, kar izpolnjuje zahteve glede trdnosti.

2.2 Analiza vibracij
Izvedena je bila modalna analiza rotorske lopatice prve stopnje kompresorja. Vibracijski način prvega reda in porazdelitev relativne vibracijske napetosti rezila sta prikazana na sliki 5. Iz slike 5 je razvidno, da položaj največje vibracijske napetosti prvega reda sovpada s položajem razpoke rezila. Diagram resonančne hitrosti rezila je prikazan na sliki 6.

Med njimi so vrstni redi vzbujanja, ki jih je treba analizirati, naslednji: K = 1, 2, 3, 4, ki ustreza popačenju pretoka vstopnega zraka in vzbujanju nizkega reda motorja; število vodilnih lopatic sprednje stopnje je 38, število vodilnih lopatic zadnje stopnje pa 52. Kot je prikazano na sliki 6, je znotraj območja delovne hitrosti motorja resonančna točka med K = 3-kratnim vzbujanjem črto in linijo lastne frekvence prvega reda rezila. Ustrezna hitrost delovanja motorja je nizka hitrost, resonančna točka je pod nizko hitrostjo, resonančna meja pa je 5.4 %.

Da bi preverili resonančno tveganje prvega reda lopatice pri K=3-kratnem vzbujanju, so bile vibracije lopatice rotorja prve stopnje kompresorja izmerjene z brezkontaktnim sistemom za merjenje tresljajev lopatic. Pred preskusom so bile pregledane lopatice rotorja prve stopnje kompresorja in niso bile odkrite nobene korozijske jamice.
Da bi izmerili največjo vibracijsko obremenitev, ki se lahko pojavi v rezilu znotraj območja ovojnice, je preskus upošteval kombinacijo različnih kotov odpiranja vodilnih lopatic in vstopnih temperaturnih pogojev, skupaj pa je bilo izvedenih 6 preskusov stanja kombinacije. Spekter preskusa hitrosti je prikazan na sliki 7.

Osnovno načelo brezkontaktnega testiranja obremenitve je razdeljeno na dva koraka: prvi korak je preizkus vrednosti amplitude konice rezila v resonančnih pogojih v dejanskih delovnih pogojih rezila; drugi korak je izračun rezultata deformacije zahtevane točke merjenja deformacije pri resonanci na podlagi pretvorbenega razmerja med deformacijo rezila in amplitudo konice. Rezultati vibracijskega premika, resonančne hitrosti in frekvence rezila v prvem ciklu pospeševalnega procesa v stanju 1 so prikazani na sliki 8. Vodoravna os na sliki je številka rezila, navpična os pa premik, resonančna hitrost, in resonančno frekvenco od zgoraj navzdol. Vibracijska napetost prvega reda rezila, dobljena po pretvorbi, je prikazana v tabeli 1.

Sklicujoč se na HB 5277-84 je bila meja odpornosti rezila na visokociklične vibracije izmerjena z metodo dviganja in pridobljenih je bilo 15 veljavnih podatkov. Vrednost 107-ciklične meje utrujenosti-3σ za rezilo s 5-odstotno mejo napake (tj. 95-odstotna stopnja zaupanja, 99.73-odstotna stopnja preživetja) je bila 485 MPa. Analiza rezerve utrujenosti pri visokem ciklu z uporabo vrednosti meje utrujenosti 3σ rezila je prikazana na sliki 9, kjer je ordinata vibracijska napetost, abscisa pa napetost v stabilnem stanju. Kot je razvidno iz slike 9, je vibracijska napetost na razpoki rezila porazdeljena pod Goodmanovo krivuljo z rezervo utrujenosti 1.7, visokociklična rezerva utrujenosti, izračunana z uporabo največje vibracijske napetosti, pa je 5.2, tako da bo rezilo ne utrpijo poškodb zaradi utrujenosti zaradi visokega cikla.

2.3 Analiza širjenja razpok
Da bi ugotovili, ali je lahko rezilo podvrženo širjenju utrujenosti pod delovanjem visokocikličnih izmeničnih obremenitev, je zdaj izvedena analiza širjenja razpok na rezilu.
Zakon rasti utrujenostne razpoke je prikazan na sliki 10. Iz slike 10 je razvidno, da obstajajo tri regije med hitrostjo rasti utrujenostne razpoke da/dN in faktorjem intenzivnosti napetosti ΔK.
a) Prvo območje je stopnja rasti počasne utrujenostne razpoke. Obstaja mejna vrednost rasti utrujenostne razpoke ΔKth. Ko je ΔK nižji od ΔKth, utrujenostna razpoka ne raste ali pa raste zelo počasi;
b) Rast utrujenostne razpoke v drugem območju sledi zakonu potenčne funkcije. Hitrost rasti utrujenostne razpoke da/dN lahko izrazimo s funkcijo moči amplitude faktorja intenzivnosti napetosti ΔK. Pariška formula se pogosto uporablja za izražanje;
c) Tretja regija je stopnja hitre rasti. Ko se razpoka počasi približa ali doseže KIC (1 – R), se razpoka hitro poveča. Kot je razvidno iz slike 1, se razpoka rezila začne iz korozijske jame, rast utrujene razpoke pa nastane v lokalnem območju blizu konice korozijske jame. Analiza vibracij kaže, da je vibracijska napetost prvega reda na razpoki lopatice natezna napetost vzdolž vstopnega roba, začetna razpoka pa pripada razpoki tipa I. Polje napetosti in polje premika v bližini konice razpoke tipa I je mogoče poenostaviti kot: Glej formulo (1) in (2) na sliki.
Kjer je: KI faktor intenzivnosti napetosti konice razpoke tipa I; r je polarni radij vrha razpoke v polarnih koordinatah; fij(I) (θ) in g(ijI) (θ) sta napetostna funkcija oziroma funkcija premika.
Glede na linearno elastično mehaniko loma je izraz faktorja intenzivnosti napetosti tak, kot je prikazano v formuli (3), kjer je: Δσ amplituda napetosti; a je velikost razpoke; Y je koeficient oblike. Ker je oblika korozijske jame približno eliptična površinska razpoka, je koeficient oblike Y vzet kot 1.12. Pretvorimo formulo (3), da dobimo (4).
Kjer je: a0 kritična velikost razpoke za razpoke zaradi utrujenosti. Če je velikost razpoke manjša od a0, se v rezilu ne bo pojavilo pokanje zaradi utrujenosti.
Za martenzitno jeklo je Barsom dobil naslednje empirično razmerje (5). Kjer je: R razmerje napetosti. To pomeni, da ko se razmerje napetosti poveča, se bo mejna vrednost faktorja intenzivnosti napetosti martenzitnega jekla zmanjšala.

Vzorčni podatki izmerjene vibracijske obremenitve so statistično analizirani in analizirana je frekvenčna porazdelitev vibracijske obremenitve rezila. Histogram frekvenčne porazdelitve vibracijske obremenitve je prikazan na sliki 11. Kot je prikazano na sliki 11, je porazdelitev vibracijske napetosti v skladu z normalno porazdelitvijo, prilegajoča krivulja pa upošteva porazdelitev X~N (36.86, 323.336). Vrednost vibracijske napetosti +3σ (tj. 95-odstotna stopnja zaupanja, 0.13-odstotna stopnja preživetja) je izračunana na 88 MPa.

Na podlagi vrednosti vibracijske napetosti +3σ in stacionarne napetosti pri resonančni hitrosti rezila je izračunano razmerje napetosti R na začetku razpoke na rezilu 0.2. Iz formule (5) je mogoče izračunati, da je mejna vrednost faktorja intenzivnosti napetosti ΔKth, ki ustreza razmerju napetosti R 0.2, 5.31 MPa·m1/2. Iz formule (4) lahko izračunamo, da je kritična velikost razpoke a0 utrujenostnega razpokanja 0.23 mm. Celotno izmerjena globina korozijske jame je 0.25 mm. Iz zgornjega izračuna je razvidno, da ko vibracijska napetost doseže vrednost +3σ, lahko globina korozijske jame doseže kritično velikost razpoke in razpoka se razširi. Ker porazdelitev vibracijske napetosti sledi normalni porazdelitvi, del vibracijske napetosti, manjši od vrednosti +3σ, ne more izpolniti pogojev za širjenje razpoke. Analiza kaže, da je to povezano z zmanjšanjem lastnosti materiala po korodiranju rezila.

Ker bo korozivno okolje zmanjšalo faktor intenzivnosti napetosti kovinskega materiala, zaradi česar bo rezilo bolj nagnjeno k pokanju, se ta amplituda faktorja intenzivnosti napetosti imenuje mejna vrednost amplitude faktorja intenzivnosti napetosti zaradi korozijske utrujenosti, ki jo predstavlja ΔKthCF. Zdaj je mejna vrednost faktorja intenzivnosti napetosti rezila v korozivnem okolju obrnjena. Ob predpostavki, da je kritična velikost razpoke rezila 0.25 mm, je povprečna vrednost vibracijske obremenitve 36.86 MPa, formula (3) pa se uporabi za izračun mejne vrednosti faktorja intenzivnosti napetosti rezila v jedkem okolju, ki znaša 2.31 MPa· m1/2. Analiza kaže, da korozivno okolje zmanjša mejno vrednost faktorja intenzivnosti napetosti rezila. Ko faktor intenzivnosti napetosti na točki začetka razpoke rezila doseže mejno vrednost razširitve razpoke v jedkem okolju, se začne razpoka zaradi korozijske utrujenosti, nato pa pride do razširitve zaradi utrujenosti.

2.4 Analiza zloma
Analiza loma počene lopatice prikazuje mikroskopsko morfologijo območja vira loma na sliki 12. Tipične intergranularne značilnosti so vidne v območju vira, morfologija finih korozijskih jamic pa je vidna na površini zrn. Mikromorfologija loma je prikazana na sliki 13. Razpoka se razteza proti izpušnemu robu in tipične lastnosti pasov utrujenosti so vidne pred, med in po razširitvi.

Metalografski vzorec je bil izrezan iz počene lopatice vzporedno s smerjo razpoke. Vzorec je bil brušen in poliran, da bi opazovali mikrostrukturo. Morfologija je prikazana na sliki 14. Kot je razvidno iz slike 14, je na vstopnem robu počene lopatice vidno veliko število intergranularnih razpok. Globina razpoke je sorazmerno majhna, približno 0.25 mm, in blizu meje zrn je mogoče videti fine značilnosti medzrnčastega razpokanja, kar kaže, da so jamice na vstopnem robu rezila posledica korozije.

Analiza energijskega spektra na meji zrn kaže, da območje izvora loma večinoma vsebuje korozivne elemente, kot so O, S in C, določena količina elementa O pa je tudi v območju raztezanja. Korozivni elementi, kot sta S in O, so tudi v drugih območjih jam in na površinah rezila, glejte tabelo 2.

Rezultati analize loma kažejo, da so jamice na vstopnem robu rezila in območje izvora loma vzdolž zrna posledica korozije. Z vidika stopnje korozijske poškodbe in položaja razpok je območje vira razpoke v bistvu blizu korena lopatice, kar kaže, da podaljšanje lopatice zaradi utrujenosti ni povezano le s stopnjo površinske korozijske poškodbe, ampak tudi z razmeroma velika vibracijska obremenitev, ki jo nosi ta položaj med delovanjem. Rezilo se lahko najprej podvrže korozijskemu razpokanju vzdolž zrna, nato pa se pod delovanjem delovne napetosti pojavi raztezanje zaradi utrujenosti.

3 Celovita analiza vzrokov

Razlogi za okvaro in zlom lopatic so povzeti na naslednji način: lopatice rotorja pogosto delujejo v obalnih in celinskih vlažnih in vročih območjih. Ozračje vsebuje visoko vsebnost jedkih medijev, kot sta žveplo in klor, pH vrednost pa je nizka. Pod vplivom okolja lamele najprej korodirajo, na robu dovoda zraka pa nastanejo neravne jamice in luknje. Tvorba korozijskih jam povzroči lokalno koncentracijo napetosti, zato razpoke rezil zaradi korozije izvirajo iz korozijskih jam.

Korozija močno oslabi vezno silo med materialnimi zrni in zmanjša mejno vrednost faktorja intenzivnosti napetosti materiala. Pod delovanjem visokociklične vibracijske obremenitve se začnejo korozijske jamice spreminjati v razpoke. Ko vrednost faktorja intenzivnosti napetosti ekvivalentne razpoke na korozijski jamici lopatice doseže mejno vrednost faktorja intenzivnosti napetosti za razširitev razpok zaradi korozijske utrujenosti, se začnejo razpoke zaradi korozijske utrujenosti. Nato se pod kombiniranim delovanjem korozivnega okolja in visokocikličnih izmeničnih obremenitev spodbuja širjenje razpok zaradi korozijske utrujenosti in na koncu povzroči odpoved rezil zaradi korozijske utrujenosti.

4 Ukrepi za izboljšanje in preverjanje

4.1 Ukrepi za izboljšanje
Ker lopatice rotorja izpolnjujejo strukturne in aerodinamične zahteve glede konstrukcijske zasnove, sta z vidika procesa upoštevani naslednji dve izboljšavi:
a) Med postopkom kovanja kovanja se temperatura popuščanja nadzoruje, da se izboljša odpornost materiala proti koroziji;
b) Postopek nizkotemperaturnega aluminiziranja je dodan površini rezila za izboljšanje korozijske odpornosti rezila.

4.2 Preverjanje meril
Da bi preverili učinkovitost ukrepov, so bili na istih vzorcih materiala opravljeni korozijski testi s slano prho. V skladu z zahtevami GJB150.11A-2009 [19] so bili vzorci zasnovani, dimenzije pa so prikazane na sliki 15. Trije vzorci, kaljeni pri 590 ℃ brez aluminiziranja, trije vzorci, kaljeni pri 580 ℃ brez aluminiziranja, in trije vzorci, kaljeni pri 580 ℃ z aluminiziranjem so bili uporabljeni za preskuse korozije s solnim razpršilom, raziskan pa je bil tudi vpliv postopka aluminiziranja in temperature popuščanja na odpornost materiala 1Cr12Ni2WMoVNb na korozijo s slanim razpršilom. Preizkusni parametri preskusnega postopka so prikazani v tabeli 3, videz preskušanca po 96 urah korozije v slanem mesu pa je prikazan na sliki 16.

Rezultati preskusa kažejo, da je odpornost proti koroziji pri 580 ℃ kaljenem vzorcu bistveno boljša kot pri 590 ℃ kaljenem vzorcu; aluminizirana plast znatno upočasni korozijo podlage in igra vlogo pri odpornosti proti koroziji solnega pršila.
Po izvedbi zgornjih ukrepov za izboljšanje so bile lopatice rotorja motorja, ki je dosegel konec svoje življenjske dobe, razstavljene in pregledane in ni prišlo do korozije ali zloma, kar kaže, da so bili ukrepi preverjeno učinkoviti.

zaključek

S tem povezane raziskave so bile opravljene o koroziji in lomu lopatic med preskusom določenega tipa motorja in lahko sklepamo naslednje:

Glede na analizo simulacije je razvidno, da imajo lopatice resonanco pod nizko hitrostjo; v skladu z brezkontaktnim preskusom merjenja obremenitve celotnega stroja in rezultati meritev rezil pri visokocikličnem preskusu utrujenosti je mogoče dokazati, da rezila zanesljivo delujejo v nekorozivnem stanju.

Glavni razlog za zlom je, da je rezilo najprej korodirano, korozija pa zmanjša prag razširitve razpoke zaradi utrujenosti materiala. Ko vrednost faktorja intenzivnosti napetosti ekvivalentne razpoke na korozijski jamici lopatice doseže mejno vrednost faktorja intenzivnosti napetosti razširitve razpoke zaradi korozijske utrujenosti, se začne razpoka zaradi korozijske utrujenosti, nato pa pride do odpovedi zaradi utrujenosti pod delovanjem izmeničnega visokega cikla obremenitev. Vpliv korozije na prag širjenja utrujenostne razpoke je povezan z jedkim medijem, organizacijo in lastnostmi materiala, temperaturo, napetostnim razmerjem in obliko obremenitve, kar je relativno kompleksno in zahteva nadaljnje poglobljene raziskave.

Treba je biti pozoren na koncept oblikovanja rezilo zaščitni premaz. Na primer, postopek aluminiranja pri nizki temperaturi lahko učinkovito izboljša odpornost proti koroziji in življenjsko dobo rezila. Vendar pa lahko postopek aluminizacije pri nizkih temperaturah vpliva na parametre, kot je prag razširitve razpoke, obseg njegovega vpliva pa zahteva poglobljeno raziskavo z ustreznimi poskusi.