航空エンジンの性能向上に伴い、タービンブレードの軽量化・高効率化が進んでいます。炭化ケイ素長繊維強化チタンマトリックス複合材料は、優れた軽量化効果と環状荷重に耐える能力により多くの注目を集めています。このタービンブレード材料は、高強度、高温耐性、優れた疲労特性とクリープ特性を備えています。製造プロセスでは、チタン合金をブレードの形状に鍛造し、複合材料を充填するためにブレード リングのスロットを確保し、熱間静水圧プレス技術によってしっかりと接合します。
本研究では、FHT+HIP加工を施したブレードIとFHTのみを施したブレードIIの振動疲労寿命を試験し、目標サイクル数は3×10^7とした。ブレード I は先端亀裂のため 1.8×10^7 回で試験を終了しましたが、ブレード II は試験に合格しました。肉眼検査、破壊解析、材料試験、機械試験、および有限要素シミュレーションによって、ブレード I の亀裂の特性と原因を分析し、その破損モードを決定しました。
1. 試験の過程と結果
1.1 肉眼検査
ブレード I の亀裂の蛍光検出結果を図 1 に示します。ブレードの先端付近に亀裂があり、蛍光の結果、亀裂はブレードの厚さ方向に貫通しており、亀裂はブレードから約 33 mm 離れていることがわかりました。ブレードの入口エッジ。
1.2 破壊解析
ブレードの亀裂が開いており、その破面のマクロ形態を図 2 に示します。破面は灰白色で、人工的に開いた部分とは明らかに色が異なります。破面全体の変動は小さく、放射状のエッジと疲労円弧の特徴が明らかであり、この破面が疲労亀裂であることを示しています。公開番号に焦点を当てます。まず 2 台のマシンのパワーを優先し、2 台のマシンの膨大なデータに無料でアクセスし、2 台のマシンの知識と主要なテクノロジーに焦点を当てます。
電界放射型走査型電子顕微鏡（SEM）を使用してブレードの亀裂破壊を顕微鏡観察したところ、放射状のエッジと疲労アークがブレードの背面に集中していることがわかり、そこから疲労が始まり、疲労が発生したことがわかりました。シングルソース機能。疲労源領域の位置は、図 2 の赤線領域に示されています。さらに拡大観察すると、疲労源領域の摩耗が激しく、明らかな金属学的欠陥は観察されないことがわかりました (図 3a の黒線領域)。エネルギースペクトル分析の結果、この領域の O 含有量はマトリックス中の O 含有量よりも明らかに高く、他の元素には明らかな異常がないことがわかります。明らかな疲労帯および二次亀裂が伸長領域に見られ、疲労としての破壊性質がさらに確認される（図３ｂ）。ブレード加工跡（図４）は、亀裂に対して一定の角度を有するソース領域の側面に見られ、亀裂の発生の促進が顕著ではないことを示した。翼裏側の疲労源領域のマクロ位置を図5に示します。疲労源領域は翼端端面から約15mm、入口端から約20mmの位置にあり、翼の両側に広がっています。ブレード先端と入口エッジ。
機械的性能テストはブレード I と II で実行され、各ブレードから 4 つのサンプルが採取されました。室温での引張試験はHB5143-1996規格に従って実施し、荷重速度は1mm/minで、各状態で2つのサンプルを試験しました。結果を表２に示す。室温での高サイクル疲労試験は、ＨＢ｛｛５｝｝規格に従って実施し、各状態について２つのサンプルを試験した。結果を表３に示す。
ブレード I の降伏強さと引張強さはブレード II よりわずかに低く、伸びは同様ですが、断面収縮は明らかに異なり、ブレード I には明らかなネッキングはありません。室温での疲労試験では、ブレード I の疲労性能がブレード II の疲労性能よりも大幅に低いことがわかりました。 FHT で処理されたブレードは 3×10^7 回の試験要件を満たすことができますが、FHT+HIP で処理されたブレードは試験要件を満たすことができません。これは振動疲労寿命の試験結果と一致しています。
1.5 応力解析
ブレード I のき裂破壊疲労はブレード裏面から発生し、ブレード先端面およびブレード側面から一定の距離があります。疲労起点と応力分布の関係を解析するために、ANSYS有限要素シミュレーションソフトウェアでブレードの表面応力解析を実施します。
ブレードの有限要素モデルでは、メッシュ分割に C3D10 要素が使用され、合計 12 035 個の要素と 48 216 個のノードが使用されました。有限要素シミュレーション解析には一次曲げ振動モードを使用しました。基準点は入口端ブレード先端とし、ほぞ部の境界条件をルートサポートとして選択した。応力分布の結果を図２に示した。 8. ブレード上に 3 つの高応力レベルの点があり、最大応力点はブレードの裏側にあり、より高い応力点は先端面とブレード盆地の入口端の近くにあることがわかります。側。対応する高応力箇所を表 4 に示します。ブレード I の疲労はブレード裏面から発生し、発生源領域はブレード先端から約 15 mm、入口端から約 20 mm であり、基本的には一致しています。ブレードの最大応力ゾーン C の位置。
2. 分析と考察
破壊解析の結果、ブレード I の亀裂特性は高サイクル疲労特性に一致し、作動サイクル数は 1.87×10^7 回に達することがわかりました。 FHT (熱処理) プロセスで処理されたブレードは、3×10^7 回のテスト要件を満たすことができます。しかし、FHT+HIP (熱間静水圧プレス) で処理したブレードは、わずか 3×10^6 サイクル後に破損し、その可塑性と疲労特性が大幅に低下しました。
リーフ II は FHT プロセスによって処理されてネットバスケット構造を形成し、針状相が結晶粒内に分散され、材料の強度と疲労特性が向上します。一方，FHT+HIP 処理後では，ブレード I の結晶粒が大きく成長し，第 2 相が粒界に連続的に分布するため，粒界に沿って亀裂が広がりやすくなり，耐疲労性が低下する。
有限要素解析により、ブレードの最大応力点がブレードの裏側に位置し、ブレードの亀裂 I の発生源領域の位置と一致することがわかりました。これは、最大応力領域が疲労亀裂が発生する可能性が最も高い場所であることを示しています。 HIP 処理されたブレード I の場合、粒子の成長と連続相の存在により、この領域は初期疲労亀裂が発生しやすくなります。
結果は,時効処理後のチタン合金の二次鍛造が針状相の球状化を促進し,微細な遷移状態等軸組織を形成できることを示した。この構造の破壊靱性はネットバスケット構造より若干低いものの、ブレードリング一体鍛造にはより適していると考えられる。したがって、有害な連続相粒界形成を回避し、ブレードの全体的な性能を向上させるために、加工順序を調整し、熱間静水圧プレス後に二次鍛造を実行することをお勧めします。
3. 結論と提案
1) FHT+ HIP 処理後の一体環状ブレードの亀裂特性は高サイクル疲労であり、疲労亀裂はブレード裏面の最大応力ゾーンから発生します。
2) HIP 処理後は、真っ直ぐな粒界を持つ連続した皮膜が存在します。これにより、耐疲労性が大幅に低下し、疲労亀裂の早期発生につながります。
3) 連続相粒界による性能への悪影響を避けるため、熱間静水圧プレス加工後に二次鍛造処理を行って微細な遷移状態球状組織を得ることが推奨されます。
