Jak zbytkové napětí v odlitcích oběžného kola lopatek ovlivňuje dlouhodobou životnost oběžného kola

Odlitky lopatkového oběžného kola , srdce fluidních strojů, často pracují v prostředích zahrnujících vysoké rychlosti, vysoké tlaky, korozivní média a kolísající teploty. Během provozu jsou oběžná kola vystavena komplexnímu zatížení, včetně odstředivého, hydraulického a tepelného namáhání. Kromě těchto vnějších zatížení se však uvnitř odlitku skrývá skrytá hrozba: zbytkové napětí. Zbytkové napětí je samovyrovnávací napěťový systém generovaný interně nerovnoměrným smršťováním nebo objemovými změnami během fázových přechodů a procesů tepelného zpracování. U geometricky složitých odlitků oběžného kola má přítomnost zbytkového napětí zásadní vliv na dlouhodobou provozní životnost a strukturální integritu oběžného kola.

Přímé spojení mezi zbytkovým stresem a rizikem prasknutí

Indukce licích trhlin

Vysoké úrovně zbytkového napětí v tahu jsou hlavní hnací silou trhlin v odlitcích za tepla a za studena. U odlitků oběžného kola lopatek jsou silné rozhraní mezi lopatkou a nábojem (náboj/plášť) a geometrické náhlé změny vysoce rizikovými oblastmi pro koncentraci zbytkového napětí.

Zbytkové napětí v tahu: Pokud toto vnitřní napětí v tahu překročí mez kluzu materiálu nebo pevnost v tahu, může vést k okamžitým nebo zpožděným makrotrhlinám i ve statickém stavu po odlití.

Zpožděné praskání: Zejména u některých slitin, jako je martenzitická nerezová ocel nebo některé slitiny na bázi niklu, může zbytkové napětí v kombinaci s vodíkovou křehkostí způsobit opožděné praskání. Tuto závadu je často obtížné odhalit při tovární kontrole, ale může vést k náhlé poruše na začátku životnosti oběžného kola.

Efekt superpozice stresu

Po uvedení oběžného kola do provozu se zbytková tahová napětí superponují na vnější provozní napětí.

Koncentrace napětí: Odstředivé napětí generované oběžným kolem při vysokorychlostní rotaci dosahuje svého maxima v patě lopatky. Pokud v této oblasti existuje také významné zbytkové tahové napětí odlitku, výsledné lokální celkové napětí může daleko překročit bezpečnostní limit materiálu.

Poddajnost a deformace: Superponovaná napětí mohou způsobit, že lokalizovaný materiál předčasně vstoupí do fáze plastické deformace, což vede ke geometrické deformaci oběžného kola, narušení jeho dynamické rovnováhy a nakonec způsobí vážné vibrace a poškození ložisek.

Vliv zbytkového stresu na únavový život a korozní chování

Významné snížení únavy života

Odlitky oběžných kol lopatek pracují většinou při střídavém zatížení a jejich únavová životnost je klíčovým ukazatelem dlouhodobé spolehlivosti.

Zrychlená iniciace únavových trhlin: Tahové zbytkové napětí účinně zvyšuje střední napětí napěťového cyklu. Podle Goodmanova nebo Haighova únavového kritéria zvýšení středního napětí výrazně zkracuje mez únavy materiálu a urychluje iniciaci únavové trhliny na defektu.

Hnací síla pro růst únavy: Zbytkové tahové napětí poskytuje další hnací sílu pro iniciované mikrotrhliny, které způsobují, že se šíří kritickými nosnými oblastmi oběžného kola vyšší rychlostí, což vede k předčasnému únavovému selhání.

Accelerated Stress Corrosion Crack (SCC)

Mnoho odlitků oběžných kol, zejména těch vyrobených z nerezové oceli nebo duplexní oceli, vyžaduje provoz v korozivních médiích (jako jsou roztoky chloridů).

Citlivost SCC: Korozní praskání pod napětím (SCC) je porucha způsobená kombinovanými účinky koroze a tahového napětí. Samotné zbytkové tahové napětí je dostatečné pro vytvoření nezbytné podmínky napětí pro SCC.

Lokální anodický efekt: Hranice zrn nebo mikrostruktury v oblastech s vysokým zbytkovým napětím se mohou více aktivovat a vytvářet lokální anody. To urychluje elektrochemickou korozi a způsobuje rychlé křehké praskání při teplotách hluboko pod mezí kluzu materiálu. To je extrémně nebezpečné pro oběžná kola vyrobená z korozivzdorných slitin používaných v petrochemických a námořních aplikacích.

Kritická kontrola zbytkového napětí v procesu lití

Řízení zbytkového napětí v odlitcích oběžných kol lopatky je jedním z primárních úkolů slévárenských techniků.

Nezbytnost tepelného zpracování: K uvolnění nebo redistribuci zbytkového napětí se obvykle používá žíhání pro odlehčení pnutí nebo specifické úpravy roztokem. Přesné řízení rychlosti ohřevu, doby zdržení a teploty a rychlosti ochlazování je zásadní, aby se zabránilo zavádění nového tepelného napětí nebo ovlivnění mikrostruktury materiálu.

Optimalizace tuhnutí a chlazení: Optimalizací konstrukce formy a rychlostí chlazení, jako je použití chlazení nebo řízení teploty horké formy, lze dosáhnout současného tuhnutí a rovnoměrného chlazení u všech součástí oběžného kola, čímž se minimalizuje zbytková napětí u jejich zdroje.