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涡轮转子是涡轮增压器的核心部件,在高温、高速工作中承受很大的复合载荷,容易发生疲劳失效。BNNT/Si3N4复合陶瓷由于向Si3N4基体中添加了增韧相BNNT,其塑性和韧性有明显改善,抗疲劳性能较好,成为最佳的增压器涡轮替代材料。本文首先制备BNNT和BNNT/Si3N4涡轮转子,对其棘轮疲劳行为进行研究,分析和预测棘轮疲劳寿命,并利用有限元软件对其动力学特性和疲劳裂纹扩展特性进行分析。采用无定型B粉和氨气为原料,以CNT为模板,通过高能球磨法成功制备出高纯度的BNNT。高能球磨法降低了对反应所需激活能和温度的要求,硬件设备容易获取、耗能少、便于对制备过程进行监控和操作,大大降低了BNNT的制备成本。鉴于陶瓷材料与金属材料疲劳行为的共同点,基于金属塑性材料疲劳寿命表达式,引入相关参数,建立了陶瓷材料棘轮疲劳裂纹起始寿命Ni和扩展寿命Np数学模型,为计算分析陶瓷涡轮叶片在离心力载荷下的Ni和Np提供了理论支持。根据建立的陶瓷材料棘轮疲劳裂纹起始寿命和扩展寿命数学模型,对复合陶瓷涡轮转子叶片的Ni和Np进行计算。结果表明,复合陶瓷涡轮叶片的棘轮疲劳损伤转速门槛值为140000r/min,优于纯陶瓷的130000/min;在高转速的疲劳损伤区域,相同转速时,BNNT/Si3N4涡轮的棘轮疲劳寿命明显高于纯Si3N4涡轮,增幅约在40%50%。对比两种陶瓷涡轮叶片的棘轮疲劳寿命计算结果,发现BNNT/Si3N4涡轮叶片相比于纯Si3N4涡轮叶片在抵抗裂纹萌生和阻止裂纹扩展能力两个方面均有显著提高,说明BNNT对Si3N4基体的增韧补强作用是显著的。建立增压器涡轮转子三维模型,并利用有限元软件对涡轮转子进行模态、应力应变、温度场、应力强度因子K以及裂纹扩展分析。结果表明,涡轮上最大应力区域出现在叶片吸力面根部,与实际情况相符合;BNNT/Si3N4复合陶瓷由于具有低密度、低泊松比、高弹性模量等优异的力学性能,使得整个转子系统的动力平衡性能更好,在相同转速下比Si3N4和K418合金涡轮产生的应力应变小,抵抗棘轮疲劳损伤的能力更强;在同等转速作用时,BNNT/Si3N4复合陶瓷涡轮具有更低的裂纹尖端应力强度因子K和裂纹扩展速率,抵抗棘轮疲劳裂纹扩展的能力显著增强。综上研究表明,由于BNNT优异的力学性能以及对Si3N4基体的增韧补强作用,BNNT/Si3N4复合陶瓷涡轮转子叶片抵抗棘轮疲劳裂纹萌生和扩展的能力得到大幅改善。