À 10 000 mètres d’altitude, alors que le C919 traverse les nuages à 900 km / h et que le J - 20 traverse le ciel à des vitesses supersoniques, ses moteurs principaux – les compresseurs et les aubes de turbine des moteurs d’aviation – sont soumis aux épreuves les plus sévères de la civilisation industrielle humaine: brûlures de gaz au - dessus de 1 700 ° C, traction centrifuge à des dizaines de milliers de tours par minute, vibrations à haute fréquence et multiples attaques de corrosion oxydante. Et une pale de turbine de quelques centimètres d'épaisseur peut entraîner un arrêt complet du moteur, voire des conséquences catastrophiques, si elle est endommagée.

Comment prédire avec précision et contrôler l'évolution des dommages des feuilles dans un environnement couplé « oxydation à haute température - force centrifuge»? Ce puzzle de « grip - neck » qui afflige le secteur mondial de la fabrication aéronautique est brisé un par un par une par une par une entreprise technologique chinoise - Shanghai KLM, avec un système technologique indépendant et innovant.

Coup direct: oxydation à haute température et force centrifuge, pourquoi une « combinaison mortelle» de feuilles?

L'environnement de travail des pales de moteurs d'aviation est un « intégrateur de conditions de travail extrêmes»:

Oxydation à haute température: les aubes du compresseur, bien qu'elles ne soient pas en contact direct avec le gaz à haute température de la Chambre de combustion (température d'environ 300 à 500 ° c), mais l'exposition à long terme à l'air comprimé contenant de l'oxygène, les métaux de surface réagiront à l'oxydation et formeront une couche d'oxyde fragile; Les aubes de turbine sont alors directement confrontées à un flux de gaz de 1500 - 1700 ℃, même avec un alliage à haute température monocristallin + protection de revêtement de barrière thermique, l'oxydation peut encore éroder lentement la matrice, entraînant une perte de matériau et une diminution des propriétés mécaniques.

Dommages dus à la force centrifuge: les aubes de turbine sont reliées au disque par un tenon de pied de pale, sous une rotation ultra - rapide (vitesse de rotation supérieure à 30 000 tr / min), la contrainte centrifuge subie par le pied de pale peut atteindre 60% - 80% de la limite d'élasticité du matériau, la charge cyclique à long terme est susceptible de déclencher des fissures de fatigue à faible périmètre; Plus dangereux encore, le matériau après ramollissement à haute température est plus sensible à la propagation des fissures et l'interface de la couche d'oxyde avec la matrice est plus susceptible de devenir une source de fissures.

Les études traditionnelles ont tendance à considérer "l'oxydation à haute température" et "les dommages dus à la force centrifuge" comme des facteurs indépendants, analysés séparément et simplement superposés, mais dans le cas pratique, les deux produisent une forte réponse couplée par des mécanismes tels que l'évolution des tissus microscopiques du matériau, la reconstruction de La distribution des contraintes, la défaillance de l'interface couche d'oxyde - matrice, etc. Par exemple: l'épaississement de la couche d'oxyde modifie le coefficient de concentration des contraintes de surface des feuilles, accélérant l'éruption des fissures; La déformation plastique due à la force centrifuge peut à son tour détruire l'intégrité de la couche d'oxyde, favorisant la pénétration de l'oxydation vers l'intérieur de la matrice. Ces dommages de couplage de « 1 + 1 > 2 » entraînent des erreurs de prédiction de la durée de vie des pales allant jusqu’à plus de 30%, ce qui en fait un goulot d’étranglement critique limitant la fiabilité et l’économie du moteur.

Le programme de Shanghai - KLM: de la « spéculation empirique » au « jumeau numérique »

Face à ce dilemme, Shanghai s'appuie sur plus de dix ans de travail en profondeur dans les domaines de l'analyse de défaillance des matériaux et de la simulation de couplage de champ multiphysique, et la plus haute Académie de l'aviation des Nations Unies a construit un « système technique d'analyse des dommages couplé oxydation - force centrifuge à Haute température», réalisant une percée complète de la chaîne de la résolution des mécanismes microscopiques aux applications d'ingénierie.

Technologie de base I: plate - forme de simulation couplée Multi - Champs - "Champ d'essai virtuel" prévisualiser les dommages tout au long

L'analyse traditionnelle des dommages aux feuilles repose sur la « méthode d'essai et d'erreur»: échantillon traité → essai à haute température + centrifugation → échec observé → conception modifiée, cycle d'essai unique allant jusqu'à 3 - 6 mois, coût de plus d'un million de yuans. La plate - forme de simulation de couplage de champ multiphysique m - couple, développée par M - couple et développée indépendamment par Shanghai, peut reproduire avec précision le processus d'interaction dynamique de la pale dans un environnement de gaz à haute température, de stress rotatif et d'oxydation dans un espace virtuel en intégrant trois modules principaux: mécanique des fluides computationnelle (CFD), analyse par éléments finis (FEA) et modèle d'évolution de champ de phase (Phase Field):

Modélisation cinétique de l'oxydation: basé sur la mesure de l'épaisseur de la couche d'oxyde, les données de composition, l'introduction de l'équation de correction de la vitesse d'oxydation pour le couplage à trois champs "température - contrainte - pression partielle d'oxygène", la prédiction de la loi de croissance de la couche d'Oxyde avec la force de liaison interfaciale dans différentes conditions de fonctionnement;

Evolution des contraintes centrifuges: prise en compte de l'influence du fluage du matériau (déformation plastique liée au temps) sur les contraintes de pied de pale à haute température, combinée à des non - linéarités géométriques de pale (par exemple, contact de Tenon, déformation de type pale), simulation dynamique de l'amplitude des contraintes dans Les zones de concentration des contraintes par rapport aux caractéristiques cycliques;

Co - évolution des dommages: décrire le chemin d'expansion des microfissures de l'interface de la couche d'oxyde vers la matrice à l'aide d'un modèle de champ de phase, tout en corrélant le champ de contrainte macroscopique avec la dégradation des tissus microscopiques (p. ex., affaiblissement des joints de grains, épaississement des particules de la Deuxième phase), et finalement produire des prédictions de l'emplacement de l'éruption des fissures, du taux d'expansion et de la durée de vie restante

La plate - forme a été validée dans un certain type de turbine de moteur de turbine, réduisant l'erreur de prévision de durée de vie de 35% traditionnelle à 8% près, réduisant la période d'essai de 60% et permettant aux clients d'économiser plus de dix millions de yuans sur les coûts de recherche et développement.

Technologie de base II: technologie d’essai accélérée – vérification rapide sous « compression de temps »

Pour répondre à la demande de délai de validité de l'ingénierie, Shanghai hokkungyi innovation a développé un « système d'essai accéléré Composite centrifuge à haute température». Le temps de vieillissement naturel des pales a été comprimé de plusieurs milliers à plusieurs centaines d'heures sans modifier le mécanisme d'endommagement, en optimisant les paramètres d'essai (par exemple, en augmentant la température d'essai à 1800 ° C, en appliquant une charge centrifuge de conception de 1,5 fois). Dans le même temps, en combinaison avec des techniques de surveillance en ligne (telles que la caméra thermique infrarouge pour surveiller l'épaisseur de la couche d'oxyde, le capteur d'émission acoustique pour capturer le signal de microfissure), les données d'évolution des dommages sont collectées en temps réel et le modèle de simulation d'allaitement inverse est itéré pour former un système de vérification en boucle fermée "Test - simulation - correction".

À l'heure actuelle, le système a fourni plus de 2 000 heures de données d'essai accélérées pour les aubes de turbine d'un modèle de moteur national clé, ce qui lui permet d'obtenir la certification de durée de vie du cycle 1500 de l'autorité de l'aviation civile, huit mois plus tôt que prévu.

Technologie de base III: optimisation synergique matériaux - structure - conception anti - dommages de type « défense active »

Shanghai est non seulement un « analyste de dommages», mais aussi un « fournisseur de solutions». Sur la base de l’étude du mécanisme des dommages couplés, l’équipe propose une stratégie de résistance aux dommages « Gradient Material Design + Bionic Structure Optimization »:

Matériaux à gradient: l'utilisation d'un « alliage antioxydant à haute teneur en chrome + revêtement de barrière thermique modifié par des terres rares» dans la région de la racine des feuilles réduit les contraintes interfaciales par transition de gradient de composition tout en utilisant l '« effet barrière à l'oxygène» du revêtement pour réduire la vitesse d'oxydation de La matrice;

Structure bionique: imitant la structure lamellaire « brique - boue» de la coquille, concevoir des tranchées anti - fissuration à l'échelle micro - nanométrique à la surface du fuselage foliaire, guider la déviation des fissures le long d'un chemin à faible stress, réduire le taux de propagation des fissures de plus de 40%.

Un certain type d'aube de compresseur de Turbomoteur a été optimisé par le programme de Shanghai hokgyun, dans le test de fatigue à haute température et à haute température, le temps d'amorçage des fissures a été prolongé de 500 heures à 1200 heures, atteignant le niveau avancé international de produits similaires.

Du laboratoire à la chaîne industrielle: la « philosophie de l’atterrissage technologique » de Shanghai

Base de recherche et développement de Lingang à Shanghai, un côté pleinprofessionnelSur le mur du certificat et du rapport de certification, le slogan « Écrivez la thèse sur l'équipement et laissez les résultats dans l'atelier» est particulièrement frappant. Contrairement à la simple « sortie technologique », Shanghai KLM met davantage l’accent sur la liaison profonde avec ses clients: de l’évaluation des risques de dommages au stade de la conception, aux recommandations d’optimisation des processus au stade de la fabrication, en passant par les services de surveillance de l’état au stade de la mise en service, son équipe technique est impliquée tout au long de la vie, ce qui permet une véritable « gestion de la santé tout au long du cycle de vie ».

Comme l'a déclaré Li Hongyu, Directeur technique de Shanghai KLM, la sécurité des moteurs d'aviation ne doit pas être à moitié "hypothèse théorique". Chacune de nos technologies est soumise à une triple vérification "simulation - essai - Installation", afin de s'assurer que les clients disposent non seulement de rapports de données, mais également de solutions "fiables".

Conclusion: protéger le « cœur de la Chine », Shanghai hokuoxian a été sur la route

Du « cœur » du C919 à la puissance du J - 20, de l’aviation militaire à la navigabilité civile, le chemin de l’autonomie des moteurs d’aviation chinois ne peut être parcouru sans les percées technologiques de chaque « petit composant ». Shanghai hokguoxian a utilisé « l'oxydation à haute température - force centrifuge couplée à l'analyse des dommages» comme point pivot, ce qui entraîne non seulement l'amélioration de la durée de vie de la lame, mais aussi l'équipement de l'aviation chinoise « de l'énergie, de la bonne utilisation et de la durabilité» à travers.

À l'avenir, avec l'approfondissement de la coopération entre Shanghai et les meilleurs chantiers nationaux et étrangers, sa technologie d'analyse des dommages couplés s'étendra à des températures plus élevées (plus de 2 000 ℃) et à des conditions de travail plus complexes (par exemple, changement de vitesse, changement de charge), afin de fournir un support technique plus puissant pour la nouvelle génération de moteurs à rapport de poussée élevé et de moteurs à hydrogène.

Fiable parce que professionnel.

Shanghai, avec l'innovation technologique comme stylo, sur le "Champ de bataille microscopique" des moteurs d'aviation, écrit une légende fiable appartenant à la Chine Zhijiang.