بررسی تغییرات ریزساختاری پره توربین موتور J85 از جنس سوپرآلیاژ Rene80 به روش غیرمخرب جریان‌گردابی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه هوایی شهید ستاری

2 گروه آموزشی مواد، دانشکده مواد، فناوری های نوین، دانشگاه مالک اشتر، تهران

چکیده

امروزه موتور وسایل پرنده به علت عمر بالا دچار آسیب‌های مختلفی شده‌ و عملکرد آن‌ها را مختل نموده است. یکی از مهم‌ترین مشکلات در بخش گرم این موتورها می‌باشد. توربین این موتورها دچار مشکلات خزشی و متالوژیکی شده و دچار ترک خوردگی و شکست می‌شوند. در اثر شکست یک پره کل موتور از رده عملیاتی خارج می‌شوند. از این رو، استفاده از روشی به جهت تعیین پیری و عمر دهی این بخش از موتورها می‌تواند نقش به سزایی در عملیاتی نگه داشتن بالگردهای نظامی کشور داشته باشد. در این پژوهش از روش غیرمخرب جریان‌گردابی برای بررسی تغییرات ریزساختاری پره توربین موتور J85 با کاربرد نظامی از جنس سوپر آلیاژ Rene80 استفاده شده است. تغییرات ریزساختاری اتفاق افتاده در اثر پدیده پیری در این نمونه که در دمای بالای °C800 برای مدت زمان 1600 ساعت تحت شرایط سرویس قرار داشته، به صورت مخرب و غیرمخرب مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، تغییرات چهار قطعه پره توربین که در مدت زمان یکسان تحت سرویس قرار داشته‌اند با یکدیگر و با یک نمونه پره سالم (به عنوان نمونه شاهد) تحت مقایسه قرار گرفته است. به منظور بررسی تغییرات ریزساختاری، از روش‌های متالوگرافی و تصویربرداری توسط میکروسکوپ الکترونی، آنالیز عنصری EDS و محاسبات درصد فاز و ریز سختی سنجی استفاده شده است. نتایج این بررسی‌ها نشان می‌دهد که کسر حجمی و اندازه رسوبات نمونه‌های تحت سرویس نسبت به نمونه سالم به میزان قابل توجه‌ای افزایش یافته است و مورفولوژی ذرات رسوبی'γ از حالت مکعبی به کروی متمایل شده است. همچنین، سختی نمونه‌های تحت سرویس نسبت به نمونه سالم کاهش یافته است. در ادامه، آزمون جریان‌گردابی نیز به منظور مشخصه‌یابی غیرمخرب بر روی قطعات انجام شد. نتایج آزمون جریان‌گردابی نشان می‌دهد که مقدار امپدانس نمونه‌های تحت سرویس نسبت به نمونه شاهد کاهش یافته است که این کاهش در نتایج سختی سنجی نیز مشاهده شد. همچنین، ارتباط خطی مناسبی با ضریب همبستگی مطلوب (95/0R2=) میان تغییرات خروجی آزمون جریان‌گردابی یعنی مقاومت القایی با نتایج سختی سنجی مشاهده شد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از آزمون غیرمخرب جریان‌گردابی، توانایی ایجاد تفکیک میان نمونه‌های مختلف این سوپرآلیاژ و تشخیص تغییرات ریزساختاری را دارا می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of microstructural changes of Rene-80 super alloy turbine blades of J85 engine by non-destructive Eddy current method

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Zarei 1
  • Mohammad Rezaei 2
1 Aeronautical university of science and technology
2 Department of Materials Engineering, Malek Ashtar University, Tehran
چکیده [English]

Nowadays, flying objects engines are harmed and malfunctioned due to aging phenomenon. One of the most important problems lies in the hot part of these engines. Turbines of these engines have creep and metallurgical difficulties which lead to cracks and part failure. In case of one engine blade failure, the whole engine will be out of operational line. Thus, proposing a method for aging determination and longing the lifetime of these engines’ parts can play a significant role in keeping the military helicopters of the country continuously operating. In this study, Eddy current non-destructive method was utilized to evaluate the microstructural changes of Rene80 super alloy turbine blades of J85 engine. The microstructural changes that occurred in this sample by aging phenomenon at a temperature above 800 ℃ for 1600 h under service was studied through destructive and non-destructive routes. To this end, changes of 4 turbine blade parts which were under service for the same periods of times were compared together as well as with an intact blade sample (as the control sample). Metallography studies, scanning electron microscopy (SEM), EDS element analysis, and micro hardness test were done to assess microstructural changes and destructions and phases characterizations. It was found that there was a good correspondence between the results obtained from destructive studies and Eddy current evaluations. The results show that the volume fraction and grain size of the precipitates of the under-service samples were considerably increased compared to the intact specimen and the morphology of 'γ precipitates were transformed from cubic to spherical shape. Likewise, the hardness of the under-service samples was decreased compared to the intact one. The Eddy current results show that the impedance amount of the under-service samples was decreased compared to the control which is in correspondence with the hardness test results. And the induction resistance parameter in Eddy current test closely correlates with hardness test results (R2=0.95). Altogether, it can be concluded that Eddy current non-destructive method is capable of separating different samples of this super alloy and distinguishing of microstructural changes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nickel-based super alloy
  • turbine blade. microstructural changes
  • non-destructive test. Eddy current

مراجع

[1] Donachie, M. J., & Donachie, S. J. (2002). Superalloys.
[2] Safari, J., & Nategh, S. (2006). On the Heat Treatment of Rene-80 Nickel-Base Superalloy. Journal of Materials Processing Technology, 176(1-3), 240-250.
[3] Collier, J. P., Wong, S. H., Tien, J. K., & Phillips, J. C. (1988). the Effect of Varying AI, Ti, and Nb Content on the Phase Stability of INCONEL 718. Metallurgical Transactions A, 19, 1657-1666
[4] Xu, Y., Jin, Q., Xiao, X., Cao, X., Jia, G., Zhu, Y., & Yin, H. (2011). Strengthening Mechanisms of Carbon in Modified Nickel-based Superalloy Nimonic 80A. Materials Science and Engineering: A, 528(13-14), 4600-4607.
[5] Aghaie-Khafri, M., & Hajjavady, M. (2008). The Effect of Thermal Exposure on the Properties of A Ni-base Superalloy. Materials Science and Engineering: A, 487(1-2), 388-393.
[6] Moradi, M., Fallah, M. M. F., Kazazi, M., & Vahdati, M. (2018). Effect of Overage Hardening Heat Treatment on the Micro Structure and Hardness of Nickel-based Super Alloy Rene-80. Journal of Modern Processes in Manufacturing and Production, 7(3), 19-27.
[7] Lu, Q. Y., & Wong, C. H. (2018). Additive Manufacturing Process Monitoring and Control by Non-destructive Testing Techniques: Challenges and In-process Monitoring. Virtual and physical prototyping, 13(2), 39-48.
[8] Cheong, Y. M., Chaudary, M. S., Edwards, P., Grosser, P., Rodda, J., & Khan, A. A. (2011). Eddy Current Testing at Level 2: Manual for the Syllabi Contained in IAEA-TECDOC-628. Rev. 2 ‘Training Guidelines for Non Destructive Testing Techniques.
[9] Hamia, R., Cordier, C., & Dolabdjian, C. (2014). Eddy-current Non-destructive Testing System for the Determination of Crack Orientation. Ndt & E International, 61, 24-28.
[10] Heidari, T., & Sadeghi, S. H. (2018). Detection and Sizing of Fatigue Cracks in Metallic Structures from Eddy Current Probe Signals. NDT Technology, 2(2), 42-48. (in Persian)
[11] Kahrobaee, S., Norouzi Sahraei, H., Akhlaghi Modiri, F., & Ahadi Akhlaghi, I. (2022). Design and fabrication of a non-destructive system for detecting and measuring cracks in RDD-S11 rail defect detector equipment. NDT Technology, 2(9), 41-51. (in Persian)
[12] Uchanin, V. (2022). Eddy Current Techniques for Detecting Hidden Subsurface Defects in Multilayer Aircraft Structures. Transactions on Aerospace Research, (2), 69-79.
[13] Zergoug, M., Lebaili, S., Boudjellal, H., & Benchaala, A. (2004). Relation Between Mechanical Microhardness and Impedance Variations in Eddy Current Testing. NDT & E International, 37(1), 65-72.
[14] Liu, T., Wang, W., Qiang, W., & Shu, G. (2018). Mechanical Properties and Eddy Current Testing of Thermally Aged Z3CN20. 09M Cast Duplex Stainless Steel. Journal of Nuclear Materials, 501, 1-7.
[15] Khan, S. H., Khan, A. N., Ali, F., Iqbal, M. A., & Shukaib, H. K. (2009). Study of Precipitation Behavior at Moderate Temperatures In 350 Maraging Steel by Eddy Current Method. Journal of alloys and compounds, 474(1-2), 254-256.
[16] Khan, S. H., Ali, F., Khan, A. N., & Iqbal, M. A. (2008). Pearlite Determination In Plain Carbon Steel by Eddy Current Method. Journal of Materials Processing Technology, 200(1-3), 316-318.
 [17] Klumper-Wetkamp, T., Mayr, P., Reimche, W., Feiste, K., Bernard, M., & Bach, F. (2003). Nondestructive Determination of the Carbon Content in Iron Foils—A Quality Assurance of the Gas Carburizing Process. In Proceedings of the international symposium on nondestructive testing in civil engineering.
[18] Ciric, I. R., Hantila, F. I., Maricaru, M., & Marinescu, S. (2009). Efficient analysis of the solidification of moving ferromagnetic bodies with eddy-current control. IEEE transactions on magnetics, 45(3), 1238-1241.
 [19] Ge, J., Yusa, N., & Fan, M. (2021). Frequency component mixing of pulsed or multi-frequency eddy current testing for nonferromagnetic plate thickness measurement using a multi-gene genetic programming algorithm. NDT & E International, 120, 102423.
 [20] Makarov, A. V., Gorkunov, E. S., & Kogan, L. K. (2007). Application of the eddy-current method for estimating the wear resistance of hydrogen-alloyed β-titanium alloy BT35. Russian Journal of Nondestructive Testing, 43(1), 21-26.
 [21] Alinejad, H., & Abbasi, M. (2020). Microstructurally and Electromagnetically Evaluations of Aging Phenomenon in 2304 Duplex Stainless Steel. Metallurgical Engineering, 23(2), 103-117. (in Persian)
 [22] Ma, X., Peyton, A. J., & Zhao, Y. Y. (2006). Eddy current measurements of electrical conductivity and magnetic permeability of porous metals. Ndt & E International, 39(7), 562-568.
[23] Valiente-Blanco, I., López-Pascual, D., & Díez-Jiménez, E. (2023). Novel Method for the Characterization of the Electrical Conductivity and Eddy Current Damping of Aluminum Foams. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 72, 1-8.
[24] Wakiwaka, H., Kodani, M., Endo, M., & Takahashi, Y. (2006). Non-contact measurement of CNT compounding ratio in composite material by eddy current method. Sensors and Actuators A: Physical, 129(1-2), 235-238.
[25] Yusa, N., Perrin, S., & Miya, K. (2007). Eddy current data for characterizing less volumetric stress corrosion cracking in nonmagnetic materials. Materials Letters, 61(3), 827-829.
[26] Kelidari, Y., Kashefi, M., Mirjalili, M., Seyedi, M., & Krause, T. W. (2020). Eddy current technique as a nondestructive method for evaluating the degree of sensitization of 304 stainless steel. Corrosion Science, 173, 108742.
[27] Miller, G., Gaydecki, P., Quek, S., Fernandes, B. T., & Zaid, M. A. (2003). Detection and imaging of surface corrosion on steel reinforcing bars using a phase-sensitive inductive sensor intended for use with concrete. NDT & E International, 36(1), 19-26.
[28] Barjesteh, M. M., Abbasi, S. M., Madar, K. Z., & Shirvani, K. (2019). The effect of heat treatment on characteristics of the gamma prime phase and hardness of the nickel-based superalloy Rene® 80. Materials Chemistry and Physics, 227, 46-55.
[29] Yarmolenko, M. V. (1997). Enhanced diffusion and other phenomena during rapid heating of bimetals: Theory and experiments. In Defect and Diffusion Forum, 143, 1613-1618.
 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 09 تیر 1402
  • تاریخ بازنگری: 03 شهریور 1402
  • تاریخ پذیرش: 26 اسفند 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار