شفرات التوربين ذات البلورة الواحدة: إنجاز تقني يكسر حدود درجات الحرارة العالية

تطوير محركات التوربينات الغازية للطيران

مع زيادة متطلبات الأداء للطائرات لأغراض النقل، والعسكري، والإنتاج وغيرها، لم تعد المحركات البiston المبكرة قادرة على تلبية احتياجات الطيرانを超え السرعة. لذلك، منذ الخمسينيات من القرن الماضي، أصبحت محركات التوربينات الغازية تدريجياً هي السائدة.

في عام 1928، أشار السير فرانك ويتل من المملكة المتحدة في أطروحته الجامعية التي حملت عنوان "التطور المستقبلي في تصميم الطائرات" أثناء دراسته في الأكاديمية العسكرية إلى أن المعرفة التقنية المتاحة في ذلك الوقت لم تكن قادرة على تلبية احتياجات المحركات ذات الدفع الرباعي للاستخدام في الارتفاعات العالية أو سرعات الطيران التي تتجاوز 800 كم/ساعة. كان أول من طرح فكرة ما يُعرف الآن بمحرك النفاث (motor engine): حيث يتم توفير الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق (combustion) عبر مكبس تقليدي، ويتم استخدام الغازات الحارة الناتجة مباشرةً لتحريك الطائرة، ويمكن اعتبار هذا التصميم بمثابة محرك مروحي مع إضافة غرفة احتراق. في الأبحاث اللاحقة، تخلّى عن فكرة استخدام المكبس الثقيل وغير الفعال وأقترح استخدام توربين (turbine) لتوفير الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق، وكان قوة التوربين تأتي من الغازات الحارة المنبعثة. في عام 1930، تقدم ويتل بطلب للحصول على براءة اختراع، وفي عام 1937، طوّر أول محرك توربيني دافع بالطرد المركزي في العالم، والذي تم استخدامه رسميًا في طائرة Gloster E.28/39 في عام 1941. ومنذ ذلك الحين، أصبحت محركات التوربينات الغازية هي المهيمنة في مجال الطاقة الجوية وهي رمز مهم لمستوى التطور العلمي والتكنولوجي والقوة الوطنية الشاملة لأي بلد.

يمكن تقسيم محركات الطائرات إلى أربعة أنواع أساسية وفقًا لاستخداماتها وخصائصها الهيكلية: محركات التوربوجيت، محركات التوربوفان، محركات التوربوشاфт، ومحركات التوربوبروب.

تُسمى محركات الغاز ذات المروحة المستخدمة في الطيران بمحركات التوربوجيت، وهي أول محركات توربين الغاز التي تم استخدامها. من حيث طريقة إنتاج الدفع، تعد محركات التوربوجيت الأبسط والأكثر مباشرة. تعتمد الآلية على القوة الناتجة عن رد فعل قذف الجزيئات بسرعة عالية. ومع ذلك، فإن تيار الهواء عالي السرعة يحمل معه كمية كبيرة من الحرارة والطاقة الحركية في نفس الوقت، مما يؤدي إلى فقدان كبير للطاقة.

يقسم محرك التوربوفان تيار الهواء الداخل إلى المحرك إلى مسارين: القناة الداخلية والقناة الخارجية، مما يزيد من معدل تدفق الهواء الكلي ويقلل من درجة حرارة العادم وسرعة تيار الهواء في القناة الداخلية.

لا تولد محركات التوربينات الدوارة ومحركات التوربينات المروحة دفعًا عن طريق حقن تيارات الهواء، لذلك يتم تقليل درجة حرارة العادم وسرعته بشكل كبير، الكفاءة الحرارية نسبيًا عالية، ومعدل استهلاك الوقود للمحرك منخفض، مما يجعلها مناسبة للطائرات ذات المدى الطويل. عادةً لا يتغير سرعة المروحة، ويتم الحصول على دفعات مختلفة بتعديل زاوية الشفرات.

هو محرك بين محرك التوربينات المروحة ومحرك التوربينات المعززة. يمكن تقسيمه إلى محركات Propfan ذات غلاف مروحي ومن دون غلاف مروحي. يعتبر محرك Propfan أكثر المحركات الجديدة تنافسية موفرة للطاقة المناسبة للطيران دون الصوتي.

مرواحت المحركات الجوية المدنية بأكثر من نصف قرن من التطوير. تطورت هيكلة المحرك من التوربين المركزي المبكر إلى محرك التدفق المحوري ذو الدوار الواحد، ومن محرك التوربوجيت ذي الدوارين إلى محرك التوربوفان ذي نسبة التجاوز المنخفضة، ثم إلى محرك التوربوفان ذي نسبة التجاوز العالية. تم تحسين الهيكل باستمرار مع السعي وراء الكفاءة والموثوقية. كانت درجة حرارة مدخل التوربين في الجيل الأول من محركات التوربوجيت في الأربعينيات والخمسينيات حوالي 1200-1300 كلفن. زادت بمقدار حوالي 200 كلفن مع كل ترقية للطائرة. بحلول الثمانينيات، بلغت درجة حرارة مدخل التوربين في الطائرات الحربية المتقدمة من الجيل الرابع 1800-2000 كلفن [1].

مبدأ عمل ضاغط الهواء المركزي هو أن الشفرة تدفع الغاز للدوران بسرعة عالية، مما يجعل الغاز يولد قوة طرد مركزي. نتيجة لتدفق الضغط التوسع في الشفرة، يتم زيادة معدل تدفق الغاز وضغطه بعد مروره عبر الشفرة، ويتم إنتاج الهواء المضغوط بشكل مستمر. لديه بُعد محوري قصير ونسبة ضغط عالية في المرحلة الواحدة. ضاغط الهواء التدفقي المحوري هو ضاغط حيث يتدفق تيار الهواء بشكل أساسي موازٍ لمحور الشفرة الدوارة. يتكون الضاغط التدفقي المحوري من عدة مراحل، وكل مرحلة تحتوي على صف من شفرات الروتر وصف لاحق من شفرات الاستاتور. الروتر هو الشفرات العاملة والدوّار، والاستاتور هو الدليل. يتم تسريع الهواء أولاً بواسطة شفرات الروتر، ثم تباطؤه وضغطه في قناة شفرات الاستاتور، وتتكرر هذه العملية في الشفرات متعددة المراحل حتى يصل نسبة الضغط الإجمالية إلى المستوى المطلوب. الضاغط التدفقي المحوري له قطر صغير، مما يسهل استخدامه بالتتابع المتعدد للحصول على نسبة ضغط أعلى.   

عادةً ما تستخدم محركات التوربوفان نسبة التدفق المحيطي، ونسبة ضغط المحرك، ودرجة حرارة مدخل التوربين، ونسبة ضغط المروحة كمعامِلات تصميم:

نسبة التدفق المحيطي (BPR): نسبة كتلة الغاز التي تتدفق عبر القنوات الخارجية إلى كتلة الغاز التي تتدفق عبر القنوات الداخلية في المحرك. يُطلق على الدوار الموجود في مقدمة محرك التوربوجيت عادةً المضغوط منخفض الضغط، ويُطلق على الدوار الموجود في مقدمة محرك التوربوفان عادةً المروحة. يمر الغاز المضغوط عبر المضغوط منخفض الضغط بجميع أجزاء محرك التوربوجيت؛ أما الغاز الذي يمر عبر المروحة فيقسم إلى قنوات داخلية وخارجية. منذ ظهور محركات التوربوفان، كانت نسبة BPR تزداد، وهذا الاتجاه واضح بشكل خاص في محركات التوربوفان المدنية.

نسبة ضغط المحرك (EPR): نسبة الضغط الكلي عند مخرج الفوهة إلى الضغط الكلي عند مدخل المضغوط.

درجة حرارة مدخل التوربين: درجة حرارة غاز العادم من غرفة الاحتراق عند دخوله التوربين.

نسبة ضغط المروحة: تُعرف أيضًا بنسبة الضغط، وهي نسبة ضغط الغاز عند مخرج المضاغة إلى ضغط الغاز عند المدخل.

كفاءتان:

الكفاءة الحرارية: مقياس لكيفية تحويل المحرك بفعالية طاقة الحرارة الناتجة عن الاحتراق إلى طاقة ميكانيكية.

الكفاءة الدافعة: مقياس لنسبة الطاقة الميكانيكية الناتجة عن المحرك التي تُستخدم لدفع الطائرة.

تطوير شفرات التوربين 2

التطوير التكراري

باستخدام محرك التوربين المروحي كمثال، فإن قيمة الشفرات تمثل ما يصل إلى 35٪، وهي مكون حاسم في تصنيع محركات الطائرات. في المحرك، يوجد من 3,000 إلى 4,000 شفرة طيران، يمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات: شفرات المروحة، وشفرات الضاغط، وشفرات التوربين. تُعتبر قيمة شفرات التوربين الأعلى، حيث تصل إلى 63٪. وفي الوقت نفسه، فهي أيضًا الشفرات الأكثر صعوبة في التصنيع وأعلى تكلفة في محركات التوربين المروحي [2].

في السبعينيات، كانت الولايات المتحدة أول من استخدم شفرات التبلور定向 PWA1422 في محركات الطائرات العسكرية والمدنية.

بعد الثمانينيات، ارتفع نسبة الدفع إلى الوزن للجيل الثالث من المحركات إلى أكثر من 8، وبدأت شفرات التوربين باستخدام الجيل الأول من SX، PWA1480، RenéN4، CMSX-2 والصين DD3. قدرتها على تحمل درجات الحرارة أعلى بـ 80K مقارنة بأفضل سبيكة عالية الحرارة المصنوعة بالتجامد الاتجاهي PWA1422. مع الفوائد. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تقنية التبريد الأحادي القناة ذات التقنية الشاغرة للفيلم، مما يجعل درجة حرارة تشغيل شفرات التوربين تصل إلى 1600-1750K.

يستخدم المحرك التوربيني النفاث من الجيل الرابع الجيل الثاني من SXPWA1484، RenéN5، CMSX-4، وDD6. من خلال إضافة عناصر Re والتكنولوجيا المتعددة القنوات لتبريد الهواء تحت الضغط العالي، تصل درجة حرارة تشغيل شفرات التوربين إلى 1800K-2000K. عند 2000K و100 ساعة، فإن القوة المستمرة تصل إلى 140MPa.

يشمل الجيل الثالث من SX الذي تم تطويره بعد التسعينيات RenéN6، CMRX-10 وDD9، والتي تمتلك مزايا واضحة في قوة الزحف مقارنة بالجيل الثاني من SX. تحت حماية قنوات التبريد المعقدة والطلاءات الحواجز الحرارية، يصل درجة حرارة مدخل التوربين التي يمكنها تحملها إلى 3000K. السبيكة المعدنية المستخدمة في الشفرات تصل إلى 2200K، وقوة التحمل لمدة 100 ساعة تصل إلى 100MPa.

في الوقت الحالي، يتم تطوير الجيل الرابع من SX مثل MC-NG[4] وTMS-138 وما إلى ذلك، والجيل الخامس من SX مثل TMS-162 وما إلى ذلك. يُميز تركيبها إضافة عناصر نادرة جديدة مثل روسيوم (Ru) وبلاتينيوم (Pt)، مما يحسن بشكل كبير أداء الزحف عند درجات الحرارة العالية لـ SX. قد بلغت درجة حرارة التشغيل للسبيكة الحرارية من الجيل الخامس 1150°C، وهي قريبة من درجة الحرارة النظرية القصوى للتشغيل البالغة 1226°C.

3 تطوير السبائك الخارقة البلورية الواحدة النيكلية الأساس

3.1 خصائص التكوين والتركيب الفазي لسبائك الكريستال الأحادي القائمة على النيكل

وفقًا لنوع العناصر الأساسية، يمكن تقسيم السبائك عالية الحرارة إلى سبائك حديدية الأساس، وسبائك نيكلية الأساس، وسبائك كوبالتية الأساس، ومن ثم يمكن تقسيمها بشكل أدق إلى هيكل كبير للصب، والتشكيل، والمعادن المسحوقية. تمتلك السبائك القائمة على النيكل أداءً أفضل عند درجات الحرارة العالية مقارنة بالصنفين الآخرين من السبائك عالية الحرارة ويمكنها العمل لفترات طويلة في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة وشديدة.

تُحتوي السبائك عالية الحرارة القائمة على النيكل على نسبة لا تقل عن 50% من النيكل. يُمكن لبنيتها ذات الشبكة البلورية المكعبة الوسطى (FCC) أن تجعلها متوافقة للغاية مع بعض عناصر السبائك. غالبًا ما يتجاوز عدد عناصر السبائك المضافة أثناء عملية التصميم 10 عناصر. يتم تصنيف العناصر المشتركة المضافة كالتالي: (1) النيكل، الكوبالت، الحديد، الكروم، الروثينيوم، الروديوم، الموليبدينوم، والتنغستن هي عناصر من الفئة الأولى، والتي تعمل كعناصر لتثبيت الأوسنتايت؛ (2) الألومنيوم، التيتانيوم، التانتالوم، والنيوبيوم لديها نصف أтомية أكبر، مما يعزز تكوين الطورات المقوية مثل مركب Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb)، وهي عناصر من الفئة الثانية؛ (3) البورون، الكربون، والزركونيوم هي عناصر من الفئة الثالثة. حجم ذراتها أصغر بكثير من ذرات النيكل، وسهولة فصلها إلى حدود الحبوب في طور γ، حيث تلعب دورًا في تعزيز حدود الحبوب [14].

الطases للسبائك عالية الحرارة ذات البلورة الواحدة القائمة على النيكل هي بشكل رئيسي: طور γ، طور γ'، طور الكاربيد، وطور التعبئة المكثفة الطوبولوجية (TCP).

المرحلة γ: المرحلة γ هي مرحلة أوستينيتية ذات بنية بلورية FCC، وهي حل صلب يتشكل عن طريق ذوبان عناصر مثل Cr، Mo، Co، W، وRe في النيكل.

المرحلة γ': المرحلة γ' هي مركب فلزي Ni3(Al, Ti) ذو بنية FCC، والذي يتشكل كمرحلة ترسيب ويحافظ على مستوى معين من الانسجام وعدم التوافق مع الطور المصفوفة، وهو غني بالعناصر مثل Al، Ti، Ta وغيرها.

الطور الكاربيد: بدءًا من الجيل الثاني من السبائك القائمة على النيكل SX، يتم إضافة كمية صغيرة من الكربون، مما يؤدي إلى ظهور الكاربيدات. يتم توزيع كمية صغيرة من الكاربيدات في المصفوفة، مما يحسن أداء السبيكة عند درجات الحرارة العالية إلى حد ما. عادةً ما تُقسم إلى ثلاثة أنواع: MC، M23C6، وM6C.

المرحلة TCP: في حالة تقدم الخدمة، فإن العناصر الحرارية المفرطة مثل Cr، Mo، W، و Re تعزز ترسيب المرحلة TCP. عادةً ما تتشكل المرحلة TCP على شكل لوحة. يُعتبر البنية اللوحية لها تأثير سلبي على خصائص المرونة، الزحف، والتعب. المرحلة TCP هي واحدة من مصادر الشقوق للكسر بالزحف.

آلية التقوية

تأتي قوة السبائك الخارقة القائمة على النيكل من ربط عدة آليات لتقوية، بما في ذلك تقوية الحل الصلب، والتقوية بالتبلور، ومعالجة الحرارة لزيادة كثافة الانزياحات وتطوير بنية فرعية للانزياح لتوفير التقوية.

التقوية بالحل الصلب هي إضافة عناصر قابلة للذوبان مختلفة لتحسين القوة الأساسية، بما في ذلك Cr، W، Co، Mo، Re، و Ru.

تؤدي الاختلافات في نصف قطر الذرة إلى حدوث تشوه معين في شبكة الذرات، مما يمنع حركة الانزياحات. تزيد التقوية بالحل الصلب مع زيادة الفرق في حجم الذرة.

تعزيز الحل الصلب له أيضًا تأثير في تقليل طاقة الخطأ المتراكم (SFE)، مما يمنع بشكل أساسي انزلاق العيوب عبر الشبكة، وهو النمط الأساسي للتشوه فيystals غير المثالية عند درجات الحرارة المرتفعة.

تُعد التجمعات الذرية أو الهياكل الدقيقة ذات النظام القصير مدى آليتين أخريين تساعدان على تحقيق التعزيز من خلال الحل الصلب. الذرات Re في SX تتراكم في منطقة الإجهاد الممتد حول نواة العيب عند واجهة γ/γ'، مما يشكل "غلاف كوتريل" الذي يمنع بفعالية حركة العيوب وانتشار الشقوق. (تتركز ذرات المادة المذابة في منطقة الإجهاد الممتد للعيوب الحدية، مما يقلل من التشوه الشبكي، ويكون هيكل غاز كوريوليس، ويولد تأثير تعزيز قوي جدًا بالحل الصلب. يزيد هذا التأثير مع زيادة تركيز ذرات المادة المذابة وزيادة الفرق في الحجم).

Re، W، Mo، Ru، Cr، و Co تُقوّي الطور γ بشكل فعّال. يلعب تعزيز الحل الصلب للمصفوفة γ دورًا مهمًا جدًا في مقاومة الزحف للسبائك ذات الأساس النيكلية عند درجات الحرارة العالية.

تتأثر ظاهرة التصلب بالإرتفاع الناتجة عن الترسيب بالجزء المئوي وحجم الطور γ'. الغرض من تحسين تركيبة السبائك عالية الحرارة هو بشكل أساسي زيادة الجزء المئوي للطور γ' وتحسين الخصائص الميكانيكية. يمكن أن تحتوي سبائك درجات الحرارة العالية من نوع SX على 65٪-75٪ من الطور γ'، مما يؤدي إلى قوة جيدة ضد الزحف. هذا يمثل القيمة القصوى المفيدة لتأثير التقوية عند واجهة γ/γ'، وزيادة إضافية ستؤدي إلى انخفاض كبير في القوة. تتأثر قوة الزحف للسبائك عالية الحرارة ذات نسبة مرتفعة من الطور γ' بحجم جزيئات الطور γ'. عندما يكون حجم الطور γ' صغيرًا، تميل الانزلاقات إلى الالتفاف حوله، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة الزحف. عندما تُجبر الانزلاقات على قطع الطور γ'، تصل قوة الزحف إلى أقصى حد لها. مع زيادة حجم جزيئات الطور γ'، تميل الانزلاقات إلى الانحناء بينها، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة الزحف [14].

هناك ثلاث آليات رئيسية لتقوية الترسيب:

تقوية عدم توافق الشبكة: يتم توزيع وترسيب الطور γ' في مصفوفة الطور γ بطريقة متماسكة. كلاهما لهما بنية FCC. يعكس عدم توافق الشبكة حالة الاستقرار والحالة المجهدة للواجهة المتماسكة بين الطورين. الحالة المثلى هي أن تكون المصفوفة والطور المنفصل نفسه لهما نفس البنية البلورية ومعلمات الشبكة ذات الهندسة نفسها، بحيث يمكن ملء المزيد من الطور المنفصل في الطور γ. يتراوح عدم توافق السبائك العالية الحرارة القائمة على النيكل بين 0 إلى ±1%. Re و Ru تتجمع بشكل واضح مع الطور γ. زيادة Re و Ru تزيد من عدم توافق الشبكة.

التقوية بالترتيب: قطع الانزياحات سيسبب اضطرابًا بين المصفوفة والطور المنفصل، مما يتطلب طاقة أكبر

آلية تجاوز التشوه: تُسمى آلية أوراوان (الانحناء بواسطة أوراوان)، وهي آلية تعزيز فيها الطور المتصل في مصفوفة المعدن يعيق التشوه المتحرك من الاستمرار في الحركة. المبدأ الأساسي: عندما يواجه التشوه المتحرك جسيمًا، لا يستطيع المرور من خلاله، مما يؤدي إلى سلوك التجاوز، ونمو خط التشوه، وزيادة القوة الدافعة المطلوبة، مما يؤدي إلى تأثير التعزيز.

3.3 تطوير طرق صب السبائك عالية الحرارة

يمكن تتبع أقدم سبيكة تم استخدامها في البيئات ذات درجات الحرارة العالية إلى اختراع نيكروم في عام 1906. وقد أدت ظهور ضواغط التوربينات ومحركات التوربينات الغازية إلى تحفيز تطور كبير للسبائك عالية الحرارة. كانت شفرات الجيل الأول من محركات التوربينات الغازية تُصنع باستخدام التشكيل بالضغط والتصنيع بالطرق، والتي كانت بوضوح محدودة بسبب القيود الزمنية. وفي الوقت الحالي، يتم تصنيع شفرات التوربينات المصنوعة من السبائك عالية الحرارة بشكل أساسي عن طريق الصب الاستثماري، وبشكل خاص التبلور定向 (DS). تم اختراع طريقة DS لأول مرة بواسطة فريق فرسنردي من شركة برatt & ويتني في الولايات المتحدة في السبعينيات [3]. وعلى مدى عقود من التطوير، تغير المادة المفضلة لشفرات التوربينات من بلورات متساوية الأضلاع إلى بلورات عمودية، ثم تم تحسينها لتكون مواد سبائك عالية الحرارة من البلورة الواحدة.

تُستخدم تقنية DS لإنتاج مكونات سبائك النواة العمودية من نوع SX، مما يحسن بشكل كبير المرونة ومقاومة الصدمة الحرارية للسبائك عالية темPERATURE. تضمن تقنية DS أنystals العمودية المنتجة تكون ذات اتجاه [001]، وهو موازٍ لمحور الإجهاد الأساسي للجزء، بدلاً من وجود اتجاه بلوري عشوائي. على المستوى النظري، تحتاج تقنية DS إلى ضمان أن تصلب المعدن المنصهر في القالب يتم مع وجود معدن التغذية السائل دائمًا في حالة التصلب الفوري.

يتطلب صب البلورات العمودية استيفاء شرطين: (1) تدفق الحرارة الأحادي الاتجاه يضمن أن واجهة التصلب-السائل عند نقطة نمو الحبة تتحرك في اتجاه واحد؛ (2) لا يجب أن يكون هناك تكوين نوى أمام اتجاه حركة واجهة التصلب-السائل.

بسبب حدوث كسر الشفرة عادة في البنية الحرارية العالية عند حدود الحبوب، يتم استخدام قالب التبلور مع هيكل "مختار الحبوب" أثناء عملية التبلور定向. حجم القسم العرضي لهذا الهيكل يكون قريبًا من حجم الحبة، بحيث يدخل حبة واحدة فقط ونامية بشكل مثالي إلى تجويف القالب للصب، ثم تستمر في النمو على شكل بلورة واحدة حتى يتكون الجزء بأكمله من حبة واحدة.

يمكن تقسيم مختار البلورة إلى جزئين: الكتلة الابتدائية واللولبي:

في بداية عملية DS، تبدأ الحبوب بالتبلور في قاع الكتلة الابتدائية. في المرحلة المبكرة لنمو الحبوب، يكون عددها كبيرًا، حجمها صغيرًا، وفرق التوجيه كبير. يهيمن السلوك النموي التنافسي بين الحبوب، وتكون تأثيرات انسداد الجدران الجانبية ضعيفة. في هذا الوقت، يكون تأثير تحسين التوجيه واضحًا؛ عندما يزداد ارتفاع الحبوب في الكتلة الابتدائية، يتناقص عدد الحبوب، ويزيد الحجم، ويقترب التوجيه. يتناقص السلوك النموي التنافسي بين الحبوب، وتصبح تأثيرات انسداد الجدران الجانبية هي المهيمنة، مما يضمن استمرار تحسين اتجاه البلورة، لكن تأثير تحسين التوجيه يضعف. من خلال تقليل نصف قطر الكتلة الابتدائية وزيادة ارتفاعها، يمكن تحسين توجيه الحبوب التي تدخل القسم الحلزوني بشكل فعال. ومع ذلك، فإن زيادة طول الكتلة الابتدائية سيقصر المساحة الفعالة للنمو في القالب، ويزيد من دورة الإنتاج والتكلفة الإعدادية. لذلك، من الضروري تصميم بنية الهيكل الهندسي للمقعد بشكل معقول.

الوظيفة الرئيسية للحلزون هي اختيارystals الأحادية بكفاءة، وقدرتها على تحسين توجيه الحبوب ضعيفة. عند إجراء عملية DS في الحلزون، فإن القناة المنحنية توفر مساحة لنمو الفروع البلورية، وتتقدم الفروع الثانوية للحبوب في اتجاه خط السائل. الحبوب لديها اتجاه قوي للتطور الجانبي، واتجاه الحبوب يكون في حالة تذبذب، مع تأثير ضعيف على التحسين. لذلك، يعتمد اختيار الحبوب في الحلزون بشكل أساسي على الميزة الهندسية، وميزة النمو التنافسي، وميزة التوسع المكاني للحبوب في الجزء الحلزوني [7]، بدلاً من ميزة النمو للتوجه المفضل للحبوب، مما يجعل العملية عشوائية بدرجة كبيرة [6]. لذلك، السبب الرئيسي لفشل اختيار البلورة هو أن الحلزون لا يؤدي دور اختيار البلورة الواحدة. يمكن تحسين تأثير اختيار البلورة بشكل كبير عن طريق زيادة القطر الخارجي للحلزون، وتقليل الارتفاع، قطر سطح الحلزون، وتقليل الزاوية الأولية.

تتطلب عملية إعداد شفرات التوربين ذات البلورة الواحدة المجوفة أكثر من عشر خطوات (صهر السبائك الرئيسية، إعداد قشرة غشاء بلورية واحدة، إعداد النواة السيراميكية ذات التكوين المعقد، الصب بالصهر، التصلب الاتجاهي، المعالجة الحرارية، المعالجة السطحية، إعداد طبقة الحماية العازلة للحرارة، وما إلى ذلك). يسهل أن يتعرض العملية المعقدة لعيوب مختلفة مثل الحبوب الضالة، والبقع، وحدود الحبوب الصغيرة الزاوية، والبلورات الشريطية، والانحراف الاتجاهي، وإعادة التبلور، وحدود الحبوب الكبيرة الزاوية، وفشل اختيار البلورة.