מבוא

טורבינות גז הן העורקים של תעופה מודרנית ודור חשמל, המרת אנרגיית דלק לכוח מכני תחת עומסים תרמיים מכניים קיצוניים.הלהבים והדיסקים בחלק החם חייבים לעמוד בטמפרטורות שיכולות לעלות על 1,000 מעלות צלזיוס תוך חתירה באלפי סגסוגת גז גבוהה, בסופו של דבר, מנקה, אך ורקמותק של דבר, על בסיס ניקל, ⁇ מבוססת קובלט, ואינטגרציה בין-ידית, על ידי מנגנונים אלה, כדי לשמור על מנגנונים רגישים, אפילו על סגסוגת של כוח קריטיים, אך ורקמות, כדי שיפור של כוח, אך ורקמות, אך ורקמות, אך ורקמות, כמו גם על שיטות ניתוח אינטנסיביים, סגסוגת של כוח, אך ורקמות, על מנת לשמור על מנגנונים קריטי, כדי לשמור על סגסוגת של לחץ כבד, אך ורקמותקטיביים, אך ורקמות, אך ורקמות, על מנגנונים קריטי, עם זאת, על מנת לשמור על מנגנונים קריטי, על מנת לשמור על עמידות, אך ורקמות, עם זאת, על בסיס ניקל-ידי לחץ גבוה, על שיטות ניתוח אינטנסיביות, על מנת לשמור על מנגנונים קריטי, אך ורקמות, על עמידות, על עמידות, אך ורקמות, על מנגנונים קריטי, אך ורקמות, אך ורק

חשיבות ניתוח Fracture עבור Gas Turbine Components

ניתוח Fracture אינו רק פעילות לאחר המוות; הוא משמעת הנדסית פרואקטיבית שמזין בחזרה לתוך מחזורי עיצוב, בחירה חומרית ותכנון תחזוקה.כאשר שברים להב טורבינות, התוצאות יכולות לנוע בין זמן לכשלים במנועי קטסטרופליים על ידי לימוד באופן שיטתי של משטחים, שינויים מיקרו-מבנהיים, וטעינה היסטורית, מהנדסים יכולים להצביע על שורש הכישלון - בין אם זה יהיה חלוץ, עייפות, שילוב של תהליכים קריטיים של זמן, או ניתוח של פעילות גופנית, כלומר, כלומר, או ניתוח אינטנסיבי של זמן, כלומר, כלומר, או ניתוח של פעילות משולבת, כלומר, כלומר, כלומר, לחץ יעיל יותר, תוך כדי לחץ על ידי ניקוי מחדש של שיטות בקרה, או ניקוי יעיל יותר, כלומר, על ידי ניקוי יעיל יותר, כלומר, כלומר, על ידי ניקוי יעיל יותר, על ידי ניקוי יעיל יותר, על ידי שיטות בקרה, 000, 000, 000 של שיטות בקרה, שיטות בקרה, 000 של פעילות מחזורים של שיטות בקרה, 000 של פעילות מחזורים של פעילות מחזורים, 000 של פעילות מחזורי זמן קצר יותר, 000, כלומר, עבור שיטות בקרה, תוך כדי לחץ דם, 000, 000, 000 של פעילות מחזורי לחץ על ידי ניקוי, 000, 000, 000, 000, 000, 000

מצבי Fracture נפוצים ב High-Temperature Alloys

⁇ עתירה גבוהה מציג כמה מצבי שבר נפרדים בהתאם לתנאי הלחץ, הטמפרטורה והסביבה.זיהוי המצב הדומיננטי הוא הצעד הראשון בכל חקירה של כשל.התת הבאה מתארת את המנגנונים הנצפים ביותר לעתים קרובות.

Transgranular Fracture

(השבר הטרנסגרארי מתרחש כאשר סדק מתפשט דרך הפנים של גרגריה, בדרך כלל לאחר מטוסים גבישיים של התנגדות נמוכה.מצב זה קשור בדרך כלל עם FLT:0 מעייפות מכנית FLT:1 ו FLT:2creep-fatigue אינטראקציה FLT 3 בטמפרטורות בינוניות.

« « ריבועים

(ב) שבר בין-גרנר מתקדם לאורך גבולות דגנים, אשר לעתים קרובות החוליה החלשה ביותר בסגסוגת עתירה גבוהה, מצב זה אופייני כאשר גבולות דגנים מחוסנים על ידי חמצון, sulfidation, או משקעים של שלבים מפוצצים: "שברים מבוססי ניקל" (Followed) מופיעים בבירור על ידי טמפרטורות גבוהות יותר יכול לגרום להיווצרות של carbides או גרגרים משולבים:

עקבו אחרי Rupture

קריפט הוא עיוות פלסטיק תלוי בזמן המתרחש תחת לחץ קבוע בטמפרטורות גבוהות.ב להבים טורבינות גז, מצמרר כמו התחדשות איטית, מלווה לעתים קרובות על היווצרות של חללים בגבולות דגנים.בסופו של דבר, אלה cavities פחם כדי ליצור microcreratures (החליפה מסיבית) מסגסוגת אחורית (החלופה) מסולפתים) מסולפתים רחבת (השערים) מסולפתים) מסולפתים מסולקים מסולקים מסולקים מסולפים) מסולקים (התים) משקעים מהירים (מדומים) ומצילים) מסולקים מסולקים מסולקים לעתים קרובות).

עייפות תרמית

להבים של גז טורבינות חווים חימום מהיר במהלך ההתחלה והקירור במהלך הסגורה, יצירת ⁇ תרמיים חמורים שגורמים ללחץ תרמי מחזורי.תהליך זה, הידוע בשם FLT:0thermalעייפותFLT:1, יכול ליזום סדקים ב- blade Edges, קירור חורים, או ממריצים מתח אחרים.

גורמים המשפיעים על התנהגות Fracture

התגובה השבירה של ⁇ עתיריות גבוהה אינה רק נקבעת על ידי הרכב ⁇ ; היא שילוב מורכב של חומר, עיצוב ומשתנה תפעולי.הגורמים הבאים הם בין המשפיעים ביותר.

ציוד חומרי

ניקל הוא הבסיס עבור רוב Superalloys המשמשים להבים טורבינות, מתן מאק מאק (FCC) הממטריקס כי שומרת כוח לטמפרטורות הומולוגיות גבוהות. אלמנטים כגון chromi משפרים את ההתנגדות חמצון, בעוד אלומיניום טיטניום מקדם באופן משמעותי את היווצרות של gamma-prime ( ⁇ ) precipitatesate - השלב העיקרי של Cobult, חיזוקים אלה, אבל סגסוגת עלות רפום באופן משמעותי, אבל ⁇ .

מיקרו

המבנה המיקרו של סגסוגת עתירה גבוהה - כולל גודל דגנים, אופי גבול דגנים, גודל טרום בית ותפוצה, ואת נוכחות של שלבים ארוזים קרוב ביותר (TCP) - באופן ישיר השפעות התנהגות שבר.דגנים יפים בדרך כלל לשפר את ההתנגדות עייפות על ידי מתן יותר דגנים כי הם לעתים קרובות דגנים לחץ על צמיחה סדק, אבל הם עשויים להפחית את ההתנגדות כי דגנים מאיץ בטמפרטורות גבוהות.

תנאי תפעול

טמפרטורה, מתח ותדירות מחזור הם הפרמטרים התפעוליים העיקריים המכתיבים מצב שבר.בטמפרטורות מתחת ל-700 מעלות צלזיוס, עייפות מכנית נוטה לשלוט, עם סדקים טרנסגרנרים. בטווח של 700-900 מעלות צלזיוס, אינטראקציה מצמררת-פנג הופכת חשובה, ועייפות בין-גרפית עלולה להופיע.מעל 900 מעלות צלזיוס, קרע חולף ונפיחות של סדקים עמידים, הופכים לדאגות תרמיות גבוהות יותר, או לחץ נמוך יותר, אך גם על פני השטח התחתון, או לחץ נמוך יותר, אך גם על פני השטח התחתון, או לחץ פסיכולוגי, עלול להופיע.

השפעות סביבתיות

(ב) ,השער הגז בטורבינה הוא קורוזיבי וחמצן (FLT:0) Oxidation CorLT:1 צור את משטח ⁇ , מה שממיר אותו לתוך תחמוצות מתפתלות שיכולה לדחוס או לפעול כאתרי ניקוי מחץ (FLT) של 7.2 מנגנוני הגנה חמים על הסביבה (FLT) ולהפחית את ההשפעות של מלחים אחרים על ידי מלחים ומלחים (Flowed)

טכניקות אנליטיות למחקר Fracture

ניתוח שבר מודרני מבוסס על חבילה של טכניקות משלימים המשתרעות מבדיקה חזותית בקנה מידה מאקרו לאופיון בקנה מידה אטומי.כל שיטה מספקת מידע ייחודי על תהליך הכישלונות.

סורק אלקטרון מיקרוסקופיה (SEM) ו- Fractography

SEM הוא הכלי העבודה לניתוח משטח השבעה.זה מספק תמונות ברזולוציה גבוהה (במרחק של כמה ננומטרים) אשר חושף פרטים יפים כגון striations, dimples, cleavage Facets, ו intergranular decohesion כימי (FLT:0FractographyFLT:1) - הבחינה השיטתית של משטחים - stostostostostostosstostos (מפרקים) כדי לזהות סימני אנרגיה רחבים).

אנרגיה Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)

EDS מאפשר ניתוח אלמנטרי בנקודות ספציפיות על פני השטח השבויים.ב חקירות כישלונות, EDS משמש לזיהוי מוצרי קורוזיה (למשל, תחמוצות, סולפטים, כלורידים), מחיקת אלמנטים של ⁇ ליד סדקים, או נוכחות של contaminants זרים. לדוגמה, אזור עשירי sulfur לאורך גרגר יצביע על ulfation של מיפוי יכול לגרום סימולציה של שני אלמנטים.

X-ray Diffraction (XRD)

XRD מועסק לאפיין את השלבים הקיימים בסגסוגת ואת אוריינטציה הקריסטלוגרפיה שלהם.לאחר שבר, אזורים ליד סדק עשויים לעבור שינויים שלב, כגון פירוק של precipitates של ⁇ או היווצרות של שלבים ttle TCP (למשל, sigma או Laves שלבים), מדידות ריבוניות בשימוש XRD גם לציין אם הרכיב היה overloaded to a terections (בנוסף ⁇ rections) עם ⁇ rectionsreative (D) ו-a) אשר לעתים קרובות ⁇ rections) ⁇ rections).

אלקטרון פרוב מיקרואנליזה (EPMA)

EPMA הוא גרסה מעודנת יותר של EDS עם רזולוציה מרחבית גבוהה דיוק כמותי.זה שימושי במיוחד למדידת רכיבי אור (פחמן, חנקן, חמצן) ו לניתוח שכבות דקות כגון קשקשים חד-חמצני או ציפויים. EPMA יכול ליצור פרופילים ריכוזיים מעבר גבול גרגר כדי ללמוד הפרדה כי מחלישה את הממשק.

Transmission Electron Microscopy (TEM)

TEM מספק את ההחלטה הסופית לבדיקת מבני פירוק, חלקיקים בגודל ננו, ו- סדקים-טיפ מפלסטיקה. בניתוח שבר, TEM משמש כדי לחקור את האינטראקציה בין disconlocations לבין חלקיקים של ⁇ במהלך ה- Cra, או לאפיין שכבות תחמוצת בצורת בטיפים סדק.עם זאת, הכנת הדגימה היא כוח-מחושת עבודה, ו-TEM בדרך כלל שמורה למקרים מורכבים ולא ניתוח שגרתי.

אסטרטגיות לשיפור התנגדות

חמוש בידע של מנגנוני שבר וגורמים המשפיעים, מהנדסים משתמשים באסטרטגיות מרובות כדי לשפר את עמידותם של רכיבי טורבינות גז.אסטרטגיות אלה מטפלות בחומר, בייצור ובהיבטים תפעוליים.

פיתוח Alloy

התפתחות רציפה של ⁇ עתירה חדשה מתמקדת בהגדלת כוח המצמרר, עמידות חמצון, ויציבות תרמית.ההתקדמות האחרונה כוללת superalloys חד-קריסטל עם תוכן ruthenium גבוה לחיים משופרים, וסגסוגת המבוססת על cobalt עבור עמידות סביבתית טובה יותר.FLT:0 Fourth-crystal SuperallsFLTs עכשיו ירידה בקיבולת למידה אופטימלית של 1, 000.

בקרת מיקרו-מבנה

סירוב למיקרו-מבנה לעכב את צמיחת הסדקים כרוך במספר גישות:0 (Grain Frontier EngineeringFLT:1) נועד להגדיל את מידת האנרגיה הנמוכה (למשל, ⁇ 3) גבולות, אשר עמידים יותר לצמצום ולצמצם את יעילותם של מחסנים וצמצום (FLT:2 DirectionalificationFLT 3) מיישר את גבולות הדגנים במקביל ללחץ הראשי, לצמצום ההשפעה הדגנים והפחתת הגמישות של ה-FvateiOSILDLGate (הספקיתול) של ה-FERDILDLEDILDLERDERILDLGIRDERILDL)

טיפול פנים ו-Cotings

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אופטימיזציה תפעולית

(ה) ניתן להתאים את תנאי ההפעלה לצמצום חומרת מנגנוני הנזק:0 (Slow Startup ו-Breakdown CyclesFLT:1) למזער ⁇ תרמיים ולהפחית את נזקי עייפות תרמיים:2Cooling Flow Management MPEGFLT 3 מבטיח כי הלהבים של ניהול דלקים יישארו בתוך גבולות.

מחקרים וכישלונות אמיתיים

המחקרים הבאים ממחישים דפוסי שבר טיפוסיים שנפגשו בשירות טורבינות גז וכיצד בוצעו פעולות חקירה ותיקון.

התפוצצות פתאומית של בודה ראשונה ב-Power Turbine

להב בשלב ראשון בטורפת גז תעשייתית של 50 מ"ג נכשל לאחר 18,000 שעות של פעולה.הלהב נעשה מצריכה של ניקל-בסיסית ניקל-בסיס, ב-738. Fractography חשפה משטח שבר בין-גרידי בעיקר עם ראיות של חמצון לאורך גבולות דגנים.

סדקים ב- Turbine Disc בשל אינטראקציה קרייפ-Fatigue

דיסק טורבינות מנוע מטוסים פיתח סדקים קורנל ליד החורים החצובים לאחר כמה אלפי מחזורי טיסה.חומר הדיסק היה אבקת-metallurgy (PM) ניקל-בסיס בסיס מבחן של משטחים השבורים הראה תערובת של עייפות טרנסגרפית striations וכשלים בין-גרפיים חרטה סטרייקטרית היו חשופים יותר.האזור ליד המקור הציגה קליטה משמעותית של דגנים, עקבית עם נזק מהיר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, ואפקטים יותר, אשר היה קשה יותר, מלחץ מוקדם יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר על פני הפחתת הלחץ על פני הפחתת זמן, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, לחץ על פני הפחתת לחץ על פני הפחתת זמן, על פני הפחתת זמן, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, על פני הפחתת זמן, על פני הפחתת לחץ על פני הפחתת זמן, אשר היה קשה יותר, על פני הפחתת לחץ על פני הפחתת לחץ ראייה מוגברת, אשר היה קשה יותר, על פני הפחתת זמן, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר, אשר היה קשה יותר

Thermal Fatigue Cracking at Blade Trailing חורי קירור

כמה להבים בשורה של גז טורבינות אוויר-פויל הציגה סדק בקצה השביל, קורנת מחורבנים קירור. SEM הראה חזיתות סדק מרובות עם חדירה מלאה חד-חמצני. הסדקים היו ביוזמת עייפות תרמית במהלך טרנסים מהירים.העיצוב הלהב שונה כדי לשלב חורים קירור גדולים יותר של רדיקלים ועלייה קלה בקיר בשוליים, אשר הפחתת הלחץ, בנוסף, החל משינוי ה-ה, היה מופחת לטמפרטורה מופחתת.

כיוונים עתידיים במחקר טמפרטורי גבוה Alloy

החיפוש אחר יעילות טורבינות גבוהה יותר ופליטות נמוכות יותר מניע חדשנות מתמשכת במדעי החומרים. כמה דרכים מחקר מבטיחות מתעוררות.

חומרים מתאימים למדע ו- ICME

הנדסת חומרים משולבים (ICME) משלב מודלים המבוססים על פיזיקה, למידת מכונה ונתונים מניסויים כדי להאיץ עיצוב ⁇ . על ידי הדמיה של אבולוציה מיקרו-מבנה במהלך עיבוד ושירות, החוקרים יכולים לחזות חיי חלחול ועייפות ללא בדיקות ממצה.מודלים כי זוג קריסטל פלסטיות עם מכניקה משמשים יותר ויותר כדי לייעל עיצובים עבור ההיסטוריה של מתח ספציפי.

ייצור של Turbine Components

אבקת לייזר אבקת היתוך ואלקטרון beam נמס עכשיו לאפשר ייצור של גיאוגרפיות מורכבות קירור פנימי כי היו בלתי אפשרי עם ליהוק קונבנציונלי. תוספת ייצור (AM) גם מאפשר ⁇ s ו חומרים מדורגים פונקציונלית.עם זאת, AM-מעבדים superalloys לעתים קרובות דורשים טיפול חום לאחר עיבוד כדי להשיג מיקרו-מבנה מתאים ומקל על מחקר מתמשך להתמקד על חיסול חם סדקים נוזל מבוזרים מבוזרים מבוזרים מבוזרים מבוזרים מבוזרים מבוזרים.

High-Entropy Alloys (HEAs) ו-Refractory Alloys

סגסוגת גבוהה-entropy המכילה חמישה מרכיבים עיקריים ביחס קרוב-equimolar, מציעים פרדיגמה חדשה עבור חומרים עתירי זמן גבוהים.חלק מהההב מציג כוח מעולה והתנגדות חמצון מעל 1,200 מעלות צלזיוס. Refractory סגסוגת גבוהה-טרופיה המבוססת על tungsten, טנטלום, moobium, mobdenum הם נחקרים עבור טמפרטורות גבוהות יותר, למרות דחיסות שטח 1Fed:

חומרי החישה והחישה

חוקרים חוקרים microcapsules או רשתות פולשניות שמשחררים סוכני ריפוי כאשר הם מופיעים, בדומה למערכות ביולוגיות.בסגסוגת עתירה גבוהה, סוכנים אלה יכולים ליצור תחמוצת יציבה או שלב זכוכית כי חותמת סדקים ומשחזרת את יכולת העומס של בינתיים, חיישנים משובצים (למשל, באמצעות סיבים אופטיים או תרמו-סרטונים דקים) יכולים לספק תאומים אמיתיים וחיזוי חיים דיגיטליים.

מסקנה

ניתוח פלסטי של ⁇ עתירי גז בטורבינות גז הוא שדה רב תחומי המאחד חומרים אפיון, בדיקות מכניות ועיצוב הנדסי.סביבה התפעולית הקשה - טמפרטורה גבוהה, לחץ מחזורי, גזים קורוזיים - דורש הבנה עמוקה של מנגנונים כגון חיץ, עייפות תרמית, אופטימיזציה בין-תחומית קיימא, והתקפה סביבתית.