Моделирование нагревание, неупругого деформирования и
термоусталостного разрушения жаропрочных суперсплавов
для проектирования ответственных деталей в авиастроении
2. Введение 3
3. Основные уравнения описания термо-электро-механического поведения сплошной
среды 5
3.1. Основные уравнения термо-электро-механики 5
3.2. Модели деформирования упруго - вязко - пластического материала 5
3.3. Модели накопления повреждений при термической усталости 8
4. Термоэлектрический анализ эволюции температуры в корсетных образцах из
жаропрочных суперсплавов при термоусталостных испытаниях 9
5. Термо - упруго - вязко - пластическое моделирование деформирования корсетного
образца из жаропрочных суперсплавов 15
6. Анализ и расчет влияния времени выдержки на термоусталостную долговечность
жаропрочных никелевых корсетных образцов 18
Заключение 21
Планы на дальнейшие исследования 22
Список литературы
В авиадвигателестроении тенденция повышения коэффициента полезного действия приводит к возрастанию рабочей температуры газа перед турбиной и требований к деталям рабочего тракта газотурбинных двигателей (ГТД), особенно к рабочим лопаткам. В связи с этим широкое распространение для изготовления лопаток турбины получили монокристаллические жаропрочные сплавы на никелевой основе, обладающие более высокой длительной прочностью и пластичностью по сравнению с поликристаллическими сплавами. Как пример использования монокристаллических лопаток в авиастроении, можно упомянуть впервые разработанный в России МС-21 с отечественным двигателем ПД-14, где впервые в гражданской авиации были использованы лопатки из упомянутых монокристаллических материалов. Жаропрочные сплавы на никелевой основе состоят из у-фазы никеля и упрочняющей у' -фазы на основе интерметаллида Ai3Ti или Ni3Al [1], которая в свою очередь рассеяна в матрице из у фазы - твердого раствора легирующих элементов в никеле. Упрочнение монокристаллического сплава у1 фазой обеспечивает длительное сохранение высокой работоспособности в широком интервале температур. Таким образом, одним из важнейших факторов, влияющих на сопротивление высокотемпературной ползучести, является объемная доля у' фазы и температура растворения у' фазы.
Кроме высокой жаропрочности монокристаллических сплавов для обеспечения работоспособности лопаток необходимо иметь высокое сопротивление термоциклическим нагрузками материла, поскольку именно термоусталостная прочность определяет ресурс рабочих лопаток ГТД.
Циклическая прочность материалов, характеризующаяся необратимым накоплением упругопластических деформаций за малое число циклов (1О2-105), которое приводит к разрушению за малое число циклов, называется малоцикловой усталостью [1,2]. Одним из самых опасных видов малоцикловой усталости является сопротивление термоусталости, то есть разрушение под действием циклического изменения
температуры в условиях стесненности деформаций.
Одним из типичных и самых опасных повреждений рабочих лопаток являются термоусталостные трещины [3,4,5], появляющиеся в результате многократной смены температуры лопатки, поэтому вызывает интерес анализ зависимости термоусталостного разрушения различных жаропрочных сплавов от температурных режимов и влияния времени выдержки при максимальной температуре цикла.
Объект исследования: нагрев, неупругое деформирование и термоусталостная прочность монокристаллических и поликристаллических никелевых сплавов при различных температурных режимах и варьируемых временах выдержки при максимальной температуре.
Новизна исследования заключается в том, что на установке в НПО ЦКТИ проведено большое число испытаний материалов для разных температурных режимов, но систематический анализ влияния времени в ы д е р ж к и на термическую усталость не проводился.
Данное исследование весьма актуально, поскольку позволит использовать имеющиеся экспериментальные данные по характеристикам жаропрочных сплавов, критерии разрушения и модели деформирования жаропрочных сплавов для реальных режимов эксплуатации деталей газовых турбин и, в частности, авиадвигателей.
Цели и задачи исследования:
1. Смоделировать нагрев и охлаждение корсетного образца электрическим током и построить расчетные распределения температуры вдоль образца при максимальной температуре в цикле, эволюцию температуры во времени и сравнить с имеющимися в НПО ЦКТИ экспериментальными данными.
2. Упростить задачу, путем поиска фиктивной длины образца без учета оснастки на основе сравнения пластических деформаций в центре образца и перемещений в контрольных точках с исходной задачей. Определение полей неупругих деформаций в плоском корсетном образце, используя полученные распределения температур. Провести сравнительный анализ сплавов.
3. Решение проблемы влияния времени выдержки на термоусталостную прочность при различных режимах температур монокристаллических и поликристаллических материалов на основе деформационного критерия [6,7,8] путем расчета и сравнения с экспериментальными данными. Провести сравнительный анализ сплавов.
4. Верификация критерия термоусталостного разрушения, механических свойств сплавов и моделей деформирования на примере корсетного образца для последующего моделирования разрушения рабочих лопаток ГТД.
Методы исследования: при решении указанных задач применялись методы математической физики, теории упругости и термоупругости, теории пластичности и ползучести. Для программной реализации, использовался конечно-элементный пакет ANSYS, а также пакет PANTOCRATOR, который использовался для задания микромеханических моделей пластичности и ползучести.
1. В результате выполненных исследований было впервые сделано прямое моделирование нагрева и охлаждения корсетного образца для экспериментов на термоусталость электрическим током на установке, разработанной в ЦКТИ. В результате проведенного расчета было получено расчетное распределение температуры вдоль образца и эволюция температуры во время цикла нагрева-охлаждения, которые хорошо коррелирует с экспериментальными данными для всех температурных режимов, по которым были известны экспериментальные данные. Это позволяет с большой достоверностью определять поля пластических деформаций в образце, что влияет на достоверность определения циклов до образования магистральной трещины в образце и число циклов до его разрушения при циклическом изменении температуры.
2. После установления распределения температуры вдоль корсетного образца при максимальной температуре была решена вспомогательная задача по обоснованию эквивалентной длины образца в упрощенной постановке для решения задачи на термоусталостную прочность. При многовариантном варьировании длины образца с целью упрощения конечно-элементной постановки задачи (решении термопластической задачи) для монокристаллических сплавов ВЖМ4, ЖС32, ВИН3 и одного поликристаллического сплава ЖС6Ф для нескольких температурных режимов была установлена эквивалентная длина в упрощенной постановке. В результате нахождения эффективной длины для сплавов при различных режимах температур были определены поля пластических деформаций для нескольких сплавов. Это позволило провести сравнительный анализ сплавов и выявить самый прочный сплав из них.
3. После нахождения эффективной длины для нескольких сплавов, была принята одна эффективная длина в термоусталостной задаче для всех моно - и поликристаллических сплавов. Была выведена аналитическая аппроксимация влияния времени выдержки на термоусталостную долговечность. В результате проведенных расчетов для сплавов ВЖМ4, ЖС32, ВИН3 и ЧС70 расчетные и аналитические кривые влияния времени выдержки хорошо коррелируют с экспериментальными точками. Полученная корреляция с экспериментальными данными подтверждает обоснованность построенных расчетных кривых. Сравнительный анализ кривых подтверждает большую прочность монокристаллических сплавов по сравнению с поликристаллическими. Результаты расчетов и экспериментов показали, что выдержка сильно (по степенному закону) влияет на термоусталостную прочность
4. Сравнение данных экспериментов с результатами конечно -элементных расчетов и аналитических оценок влияния времени выдержки показали удовлетворительную точность для всех режимов и сплавов, что доказывает адекватность использования деформационного критерия (1) и моделей деформирования для предсказания термоусталостной долговечности моно- и поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
