Experiments, modelling and analysis of fretting fatigue for inconel 718 and TI-6AL-4V under time-varying contact normal load at room and high temperature

Abstract

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito de um acordo internacional de doutorado conjunto entre a Universidade de Paris−Saclay (UPS) e a Universidade de Brasília (UnB). O contexto científico da tese foi escolhido para tentar fornecer dados e soluções para problemas no setor aeronáutico, pois a Safran Aircraft Engines tem sido um importante parceiro industrial para esta e outras teses em ambas as universidades. Neste cenário, uma das motivações para estudar o efeito de uma carga de contato normal variável no problema de fadiga por fretting vem, não só devido ao fato de que existem poucos dados experimentais e análises cibfiáveis nestas condições, mas também que, em aplicações práticas, como a interface de contato entre a raiz das pás e o disco em uma turbina aeronáutica, essa carga de contato normal também é variável no tempo. Dentro deste contexto, para ser mais preciso, a presente tese tem três objetivos principais. A primeira é projetar e construir um novo aparato de fadiga por fretting capaz de realizar diferentes tipos de testes, onde as cargas e seus respectivos atuadores envolvidos nos experimentos possam ser controlados de forma independente. O equipamento de teste será projetado de forma que experimentos de fadiga por fretting também possam ser realizados em altas temperaturas. O segundo objetivo é avaliar o efeito da carga normal cíclica na resistência à fadiga por fretting da liga de titânio Ti-6Al-4V à temperatura ambiente e da liga de níquel Inconel 718 à temperatura ambiente e elevada. Esses materiais foram especialmente escolhidos devido ao grande interesse da indústria aeronáutica. O terceiro e último objetivo é avaliar a vida de fretting por meio de um modelo de elementos finitos que considera efeitos do desgaste e um parâmetro de fadiga multiaxial. Um novo aparato de fadiga por fretting com quatro atuadores hidráulicos foi inteiramente projetado para solucionar o desafio de como aplicar cargas normal de contato cíclicas. Tal carga agora é aplicada através de dois atuadores servo-hidráulicos MTS posicionados perpendicularmente ao corpo de prova. Além disso, as cargas tangenciais e de fadiga também são aplicadas por atuadores servo-hidráulicos independentes. Devido a essas atualizações, a nova bancada experimental de fadiga por fretting da Universidade de Brasília pode controlar de forma independente todas as cargas envolvidas nos testes de fretting (cargas de fadiga, normais e tangenciais). Todas as referidas cargas podem não apenas variar com o tempo em fase ou fora de fase, mas suas formas de onda também podem ser aplicadas de forma síncrona ou assíncrona. Além disso, dois ignitores cerâmicos foram colocados próximos às partes de contato para realizar testes em temperaturas elevadas. O sistema de aquecimento é capaz de atingir temperaturas de até 750◦C e mante-la estável dentro de uma faixa de erro de ±10◦C. A fim de avaliar a influência da carga normal cíclica na resistência à fadiga por fretting, foram realizados ensaios sob a condição de deslizamento parcial com carga normal constante e cíclica à temperatura ambiente para a liga Ti-6Al-4V e à temperatura ambiente e à 540◦C para a liga Inconel 718. Os resultados experimentais indicaram que a carga normal cíclica tem um efeito benéfico na vida de fretting (considerando as condições de teste aqui testadas). Este comportamento foi observado para as ligas Ti-6Al-4V e Inconel 718 em ambas as temperaturas testadas. Além disso, também foi realizada uma campanha experimental para avaliar a influência da carga normal variável no coeficiente de atrito. Com base nesta avaliação experimental, a presença de cargas normais cíclicas não parece influenciar o coeficiente de atrito em condições de deslizamento parcial. No entanto, comparando os resultados do coeficiente de atrito da liga Inconel 718 em temperatura ambiente e elevada, observou-se uma redução significativa para ambas as condições de carga normal de contato. Além disso, um modelo de elementos finitos (considerando e desprezando os efeitos de desgaste) foi usado em conjunto com o parâmetro de plano crítico de Smith-Watson-Topper e uma abordagem de tensão não-local para estimar a vida de fadiga por fretting. Em relação às abordagens de estimativa de vida consideradas neste estudo, para os casos de carga normal constante e cíclica, ambas as metodologias numéricas implementadas, seja ela incluindo ou desprezando o desgaste, forneceram resultados satisfatórios, sendo o que desconsidera o desgaste forneceu estimativas de vida mais precisas.