초경력 터빈 블레이드의 크리프 실패 뒤에 기계장치

이 블레이드는 매우 열적으로 및 기계적 부하가 큰 엔지니어링 분야에서 구성 요소 중 하나입니다. 제트 엔진, 가스 터빈 및 산업용 발전소에서 발견 된이 블레이드는 극한 회전 속도, 부식성 배기 가스 및 온도를 견딜 수 있어야합니다 1,200 °C (2,200 °F). 이러한 조건에서, 심지어 가장 진보 된 수퍼 합금은 크레프로 알려진 프로세스를 통해 점차적으로 변형됩니다. Creep 실패는 블레이드 은퇴의 주요 원인이며, 결과적으로 높은 수준의 엔진을 증가시키는 데 사용되지 않는 것이 바람직하지 않은 요인을 인식 할 수 있습니다. 이 블레이드는 엔진의 수명을 증가시키고, 이는 엔진의 수명을 증가시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

터빈 블레이드에 있는 크리프의 Phenomenon

크리프는 높은 온도에서 일정한 긴장에 주제로 한 물자의 시간 의존하는, 영원한 개악입니다. 터빈 잎에서 사용된 니켈 근거한 수퍼알로이 같이 결정한 고체에서, 주름은 때 생기고 변이는 지속된 짐의 밑에 격자를 재구성하기 위하여 충분히 이동할 수 있었습니다. 과민한 골절 또는 피로와는 달리, 주름은 잎 공해의 느린, 진보적인 신장 또는 구부리로 나타날 공해로의, 결국 공해, 차원 효율성 및 궁극적인 파열 효율성의 손실에 지도합니다.

Creep 행동은 일반적으로 세 가지 단계에 설명됩니다.

Primary Creep (Stage I): 변형률은 처음 높지만 재료 작업의 경도와 변이가 피된다. 이 단계는 상대적으로 짧은 수명입니다.
세컨드립(Stage II):정상 상태는 변형률이 거의 상수되는 곳에 도달한다. 이 발생과 공증은 균형 잡힌, 이 단계는 종종 블레이드의 크립 생명의 대부분을 나타냅니다.
Tertiary Creep (Stage III): 변형률은 미세화 및 마이크로크랙 형태로 곡물 경계에서 가속합니다. 목화 또는 골절은 유용한 삶의 끝을 표시합니다.

설계자는 온도, 스트레스, 재료 미세 구조에 대한 계정으로 수명 예측 모델을 사용하여 가능한 한 이차 주름 내에서 작동 터빈 블레이드를 유지하는 것을 목표로합니다.

Creep Failure의 1 차적인 메커니즘

터빈 블레이드의 고온 합금에 있는 크리프는 동시에 또는 순차적으로 작동하는 몇몇 현미경 기계장치에 의해 지배됩니다. 3개의 가장 중요한 것은 분리 상승, 확산 주름 및 곡물 경계 미끄러지입니다. 각은 잎의 전반적인 개악 그리고 평상시 실패에 공헌합니다.

배부금

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이 변화 상승률은 온도와 격자 공석의 농도에 매우 민감합니다. 니켈 기반 수퍼 합금에서, 소장 γ′] (gamma Prime) 임신 - Ni3 (Al, Ti) - 이 주문 입자 주위에 절단하거나 상승해야하기 때문에 상승 상승을 주장합니다. 시간이 지남에 따라, 그러나, 선착순 (Optical)은 증가하는 효력을 증가합니다.

Diffusional 크리프

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Diffusional creep은 곡물 경계선에 공헌합니다: 곡물 경계선에 vacancies 석탄은 인장 응력에, microcracks로 성장하는 작은 voids를 형성하는, 장력 응력에 꿰뚫습니다. 이 구멍은 물자 약한 이고 tertiary 주름을 가속합니다.

곡물 경계 슬라이딩

, 곡물 경계선은 비스코스 층 같이 행동합니다. 지속적인 전단 응력의 밑에, 인접한 곡물은 서로 관계될 수 있습니다. 곡물 경계 미끄러지는 경계선이 적용되는 장력 축선에 대략 45°에 동쪽으로 향하게 한 때 가장 발음됩니다. 이 미끄러지는 농축물은 경계선에 있는 입자에 긴장을, 승진시킵니다 구멍 핵을 붙입니다. 다결정 잎 합금에서는, 곡물 경계선 미끄러지는 것은 경계선이 주의깊지 않는 경우에 intergranular 분쇄를 일으킬 수 있습니다.

곡물 경계 슬라이딩을 시작하려면 합금 디자이너는 boron, zirconium 및 탄소와 같은 요소를 추가하고 경계를 따라 borides 및 카바이드를 형성합니다. 이 입자는 경계와 힌지 상대적인 모션을 핀. 또한, 방향화 기술 수확 컬럼 곡물 블레이드 축과 정렬 : 가로 곡물 경계의 부재 극적으로 슬라이딩을 감소시킵니다.

Creep Failure를 가속화하는 요인

Creep 실패는 온도와 스트레스의 유일한 기능 아닙니다. 몇몇 추가 요인은 서비스 조건 하에서 파열에 시간을 극적으로 감소시킬 수 있습니다.

Temperature excursions: 온도 이벤트(예: takeoff 또는 파워 서지 중)는 미세 구조적 분해를 가속화할 수 있으며, 신속하게 산화물을 스케일로 만들 수 있습니다.
Cyclic 열 부하: 반복 열 순환은 크레프와 상호 작용하는 열 피로를 소개합니다, 크레프 피로 균열을 일으키.
Oxidation and corrosion:]고온 산화는 합금 표면을 소모하고 알루미늄과 크롬과 같은 요소를 강화할 수 있습니다. 용융 염에서 뜨거운 부식은 방어적인 산화물 층을 손상시킵니다.
Stress state multiaxiality:] 터빈 블레이드는 복잡한 응력 상태를 경험해, 굽힘, 진동, 간단한 축 주름 시험과 비교해 공동으로 가속할 수 있습니다.
Microstructural instability: 긴 서비스 시간 이상, γ′ 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의 의

고급 재료 및 설계 전략 Mitigate Creep

현대 터빈 블레이드는 재료 과학 및 혁신적인 디자인의 조합을 통해 특별한 크레프 저항을 달성합니다.

니켈 기반 수퍼알로이

높은 온도 블레이드의 작업자는 IN718, René 88 및 CMSX‐4과 같은 니켈 기반 수퍼 합금입니다. 그들은 그들의 융점 (]T]_]m]]]]] ≈ 1300 °C) 덕분에 강도를 유지 [[FLT:]]] [[LT:2]]]]]]] _]]]]]]]]]]]]]]]]의 확산에 대한 텅스텐의 발전을 포함합니다.

단일 기술

단일 크리스탈 주조 (예 : 종자 결정 및 나선형 곡물 선별기를 사용하여)을 통해 전적으로 곡물 경계를 제거하고 확산 크레프를 희석하는 곡물을 제거하십시오. 오늘날 현대 제트 엔진의 거의 모든 고압 터빈 블레이드는 종종 복잡한 냉각 구울로 단일 크리스탈입니다.

열 배리어 코팅 (TBCs)

TBC는 일반적으로 yttria ‐ 안정된 지르코니아 (YSZ), 블레이드 표면에 적용된 금속 온도를 100-200 °C로 극적으로 낮은 크레프 속도를 감소시킵니다. 코팅 시스템은 또한 결합 외투 (예, NiCoCrAlY) 및 부식 저항을 제공하는 열으로 성장 산화물 층을 포함합니다. 더 나은 단계 안정성을 위해 gadolinium zirconate를 사용하여 TBC 내구성에 있는 지속적인 개선은, 서비스 간격을 확장합니다.

내부 냉각

복잡한 내부 공기 냉각 통과 - 계산 유체 동적을 사용하여 설계 - 진동 온도에서 블레이드 금속을 칠. 압축기 블리드 공기는 뱀 채널을 통해 경로 및 블레이드 표면에 필름 ‐ 냉각 구멍을 통해 방출된다. 첨가제 제조의 진보는 이제 블레이드 기하학을 따르는 진정으로 적합 냉각 채널을 허용, 열 윤활제와 주름 스트레스를 감소.

블레이드의 Creep의 테스트 및 생활 예측

, 터빈 블레이드는 엄격한 주름 테스트 및 모델링을 겪고 있습니다. 대표 견본에 Uniaxial 주름 테스트는 다양한 온도와 스트레스에서 기본 주름 곡선을 제공합니다. 더 진보 된 테스트에는 크레프 및 열 순환을 결합하는 열역학 피로 (TMF) 테스트가 포함됩니다. 가속된 서비스 시뮬레이션 테스트는 더 짧은 시간에 실패 데이터를 생성하기 위해 높은 스트레스와 온도에서 블레이드를 실행합니다.

Larson‐Miller 매개변수와 같은 생명 예측 모델, Monkman‐Grant relationship, and continuum damage mechanics, 실험실 데이터를 필드 수명 추정으로 변환합니다. 재료 가변성 및 서비스 임의성을 위한 Probabilistic 방법 계정. X-ray가 투과, eddy 현재 및 초음파 검사를 포함하여 비파괴적인 평가 기술 - 유지 보수 중 초기 단계 공동 작업 및 크레프 손상을 감지하는 데 사용됩니다.