Всички категории

Получете безплатна оферта

Наш представител ще се свърже с вас скоро.
Имейл
Име
Фирма/Частно Лице
Събщение
0/1000
НОВИНИ

Начало /  НОВИНИ

Монокристални турбинни лопатки: технологичен пробив, който преминава границите на висока температура България

Jan 01, 2025

1 Разработване на авиационни газотурбинни двигатели

Тъй като изискванията за производителност на въздухоплавателни средства за транспортни, военни, производствени и други цели се увеличиха, най-ранните бутални двигатели вече не можеха да отговорят на нуждите за високоскоростен полет. Следователно от 1950-те години на миналия век газотурбинните двигатели постепенно стават масови.

През 1928 г. сър Франк Уитъл от Обединеното кралство посочи в своята дипломна работа „Бъдещо развитие на дизайна на самолети“, докато учи във военната академия, че при техническите познания по това време бъдещото развитие на витловите двигатели не може да се адаптира към нуждите на голяма надморска височина или скорости на полета над 800 км/ч. Той първи предложи концепцията за това, което сега се нарича реактивен двигател (моторен двигател): сгъстен въздух се подава в горивната камера (изгаряне) чрез традиционно бутало, а генерираният газ с висока температура се използва директно за задвижване на полета, което може да се разглежда като витлов двигател плюс дизайн на горивна камера. В последващи изследвания той изоставя идеята за използване на тежко и неефективно бутало и предлага използването на турбина (турбина) за осигуряване на сгъстен въздух в горивната камера, а мощността на турбината се получава от високотемпературния отработен газ. През 1930 г. Уитъл подава молба за патент, а през 1937 г. той разработва първия в света центробежен турбореактивен двигател, който е официално използван в самолета Gloster E.28/39 през 1941 г. Оттогава газотурбинните двигатели доминират в авиационната мощ и са важен символ на научното и технологично индустриално ниво на страната и цялостната национална сила.

Авиационните двигатели могат да бъдат разделени на четири основни типа според техните приложения и структурни характеристики: турбореактивни двигатели, турбовентилаторни двигатели, турбовалови двигатели и турбовитлови двигатели:

Авиационните газотурбинни двигатели се наричат ​​турбореактивни двигатели, които са най-ранните използвани газотурбинни двигатели. От гледна точка на начина на генериране на тягата, турбореактивните двигатели са най-простите и най-директни двигатели. Разсъждението се основава на силата на реакция, генерирана от високоскоростното впръскване на вихъра. Високоскоростният въздушен поток обаче отнема едновременно много топлина и кинетична енергия, причинявайки голяма загуба на енергия.

Турбовентилаторният двигател разделя въздуха, постъпващ в двигателя, на два пътя: вътрешния канал и външния канал, което увеличава общия въздушен поток и намалява температурата на отработените газове и скоростта на въздушния поток във вътрешния канал.

Турбоваловите и турбовитловите двигатели не генерират тяга чрез впръскване на въздушен поток, така че температурата и скоростта на отработените газове са значително намалени, топлинната ефективност е сравнително висока, а разходът на гориво на двигателя е нисък, което е подходящо за самолети за дълги разстояния. Скоростта на витлото обикновено не се променя и чрез регулиране на ъгъла на лопатките се получават различни тяги.

Винтовият двигател е двигател между турбовитлови и турбовентилаторни двигатели. Той може да бъде разделен на витлови вентилаторни двигатели с витлови корпуси и витлови двигатели без канални витлови корпуси. Двигателят с витлов вентилатор е най-конкурентният нов енергоспестяващ двигател, подходящ за дозвуков полет.

1 Разработване на авиационни газотурбинни двигатели

Гражданските космически двигатели са преминали през повече от половин век на развитие. Структурата на двигателя е еволюирала от ранния центробежен турбинен двигател до еднороторния двигател с аксиален поток, от двуроторния турбореактивен двигател до турбовентилаторния двигател с ниско байпасно съотношение и след това до турбовентилаторния двигател с високо байпасно съотношение. Структурата е непрекъснато оптимизирана с цел ефективност и надеждност. Температурата на входа на турбината беше само 1200-1300K в първото поколение турбореактивни двигатели през 1940-те и 1950-те години на миналия век. Увеличава се с около 200K с всяко надграждане на самолета. До 1980-те години на миналия век температурата на входа на турбината на усъвършенстваните изтребители от четвърто поколение достигна 1800-2000K[1].

Принципът на центробежния въздушен компресор е, че работното колело задвижва газа да се върти с висока скорост, така че газът генерира центробежна сила. Поради потока на налягането на разширяване на газа в работното колело, дебитът и налягането на газа след преминаване през работното колело се увеличават и непрекъснато се произвежда сгъстен въздух. Има къс аксиален размер и високо съотношение на едностепенно налягане. Въздушният компресор Axialflow е компресор, при който въздушният поток основно протича успоредно на оста на въртящото се работно колело. Компресорът с аксиален поток се състои от множество стъпала, като всеки етап съдържа ред роторни лопатки и следващ ред лопатки на статора. Роторът е работните лопатки и колелото, а статорът е водачът. Въздухът първо се ускорява от лопатките на ротора, забавя се и се компресира в канала на лопатката на статора и се повтаря в многостепенните лопатки, докато съотношението на общото налягане достигне необходимото ниво. Компресорът с аксиален поток има малък диаметър, което е удобно за многостепенно тандемно използване за получаване на по-високо съотношение на налягането.  

Турбовентилаторните двигатели обикновено използват байпасно съотношение, съотношение на налягането на двигателя, входна температура на турбината и съотношение на налягането на вентилатора като конструктивни параметри:

Байпасно съотношение (BPR): Съотношението на масата на газа, протичащ през изходящите канали, към масата на газа, протичащ през вътрешните канали в двигателя. Роторът в предната част на турбореактивен двигател обикновено се нарича компресор с ниско налягане, а роторът в предната част на турбореактивен двигател обикновено се нарича вентилатор. Газът под налягане, преминаващ през компресора с ниско налягане, преминава през всички части на турбореактивния двигател; газът, преминаващ през вентилатора, се разделя на вътрешни и външни канали. От появата на турбовентилаторните двигатели BPR се увеличава и тази тенденция е особено очевидна при гражданските турбовентилаторни двигатели.

Съотношение на налягането на двигателя (EPR): Съотношението на общото налягане на изхода на дюзата към общото налягане на входа на компресора.

Входяща температура на турбината: Температурата на изгорелите газове в горивната камера, когато влизат в турбината.

Коефициент на компресия на вентилатора: Наричан още като коефициент на компресия, съотношението на налягането на газа на изхода на компресора към налягането на газа на входа.

Две ефективности:

Топлинна ефективност: Мярка за това колко ефективно един двигател преобразува топлинната енергия, генерирана от изгарянето, в механична енергия.

Ефективност на задвижването: Мярка за съотношението на механичната енергия, генерирана от двигателя, която се използва за задвижване на въздухоплавателното средство.

2 Развитие на турбинната лопатка

Итеративно развитие

Като вземем за пример турбовентилаторен двигател, стойността на лопатките възлиза на цели 35% и те са критичен компонент в производството на авиационни двигатели. В един двигател има 3,000 до 4,000 авиационни лопатки, които могат да бъдат разделени на три категории: лопатки на вентилатора, лопатки на компресора и лопатки на турбината. Стойността на турбинните лопатки е най-висока, достигайки 63%. В същото време те са и лопатките с най-висока производствена трудност и производствени разходи в турбовентилаторните двигатели [2].    

През 1970-те години на миналия век Съединените щати бяха първите, които използваха насочени лопатки PWA1422 в двигатели на военни и граждански самолети.

След 1980-те години на миналия век съотношението на тягата към теглото на двигателя от трето поколение се увеличи до повече от 8, а лопатките на турбината започнаха да използват първото поколение SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 и китайския DD3. Неговият температурен капацитет е с 80 K по-висок от този на най-добрата високотемпературна сплав за насочено втвърдяване PWA1422. Предимства. В комбинация с едноканалната куха технология за филмово охлаждане, работната температура на лопатките на турбината достига 1600-1750K. .

 

Турбовентилаторният двигател от четвърто поколение използва SXPWA1484 от второ поколение, RenéN5, CMSX-4 и DD6. Чрез добавяне на Re елементи и многоканална технология за въздушно охлаждане с високо налягане, работната температура на лопатките на турбината достига 1800K-2000K. При 2000K и 100h Трайната якост достига 140MPa.

 

Третото поколение SX, разработено след 1990-те години, включва RenéN6, CMRX-10 и DD9, които имат много очевидни предимства при пълзене пред SX от второ поколение. Под защитата на сложни охлаждащи канали и топлинни бариерни покрития, температурата на входа на турбината, която може да издържи, достига 3000K. Интерметалната комбинирана сплав, използвана в остриетата, достига 2200K, а издръжливостта на 100h достига 100MPa.

 

В момента се разработват четвъртото поколение SX, представено от MC-NG [4], TMS-138 и т.н., и петото поколение SX, представено от TMS-162 и т.н. Съставът му се характеризира с добавянето на нови редкоземни елементи като като Ru и Pt, което значително подобрява характеристиките на пълзене при висока температура на SX. Работната температура на високотемпературната сплав от пето поколение достигна 1150°C, което е близо до теоретичната гранична работна температура от 1226°C.

3 Разработване на монокристални суперсплави на базата на никел

3.1 Характеристики на състава и фазов състав на монокристални суперсплави на базата на никел

Според вида на матричните елементи високотемпературните сплави могат да бъдат разделени на желязо, никел и кобалт и допълнително разделени на макроструктури за леене, коване и прахова металургия. Сплавите на базата на никел имат по-добра производителност при висока температура от другите два вида високотемпературни сплави и могат да работят дълго време в сурови среди с висока температура.

 

Високотемпературните сплави на базата на никел съдържат най-малко 50% Ni. Тяхната FCC структура ги прави силно съвместими с някои легиращи елементи. Броят на легиращите елементи, добавени по време на процеса на проектиране, често надхвърля 10. Собствеността на добавените легиращи елементи се класифицира, както следва: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo и W са първокласни елементи , които служат като стабилизиращи аустенита елементи; (2) Al, Ti, Ta и Nb имат по-големи атомни радиуси, които насърчават образуването на укрепващи фази като съединение Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) и са елементи от втора класа; (3) B, C и Zr са елементи от трети клас. Техният атомен размер е много по-малък от този на Ni атомите и те лесно се отделят до границите на зърната на γ фазата, играейки роля в укрепването на границите на зърната [14].

 

Фазите на монокристални високотемпературни сплави на базата на никел са главно: γ фаза, γ' фаза, карбидна фаза и топологична плътно опакована фаза (TCP фаза).

 

γ фаза: γ фаза е аустенитна фаза с кристална структура на FCC, която е твърд разтвор, образуван от елементи като Cr, Mo, Co, W и Re, разтворени в никел.

 

γ' фаза: γ' фазата е Ni3(Al, Ti) интерметално съединение на FCC, което се образува като фаза на утаяване и поддържа известна кохерентност и несъответствие с матричната фаза и е богата на Al, Ti, Ta и други елементи.

 

Карбидна фаза: Започвайки от второто поколение SX на базата на никел, се добавя малко количество C, което води до появата на карбиди. Малко количество карбиди са диспергирани в матрицата, което подобрява до известна степен високотемпературните характеристики на сплавта. Обикновено се разделя на три типа: MC, M23C6 и M6C.

 

TCP фаза: В случай на стареене при експлоатация, прекомерните огнеупорни елементи като Cr, Mo, W и Re насърчават утаяването на TCP фазата. TCP обикновено се оформя под формата на плоча. Структурата на плочата има отрицателно въздействие върху свойствата на пластичност, пълзене и умора. TCP фазата е един от източниците на пукнатини за разкъсване при пълзене.

Укрепващ механизъм

Силата на базираните на никел суперсплави идва от свързването на множество втвърдяващи механизми, включително укрепване на твърд разтвор, укрепване чрез утаяване и топлинна обработка за увеличаване на плътността на дислокациите и разработване на субструктура на дислокациите, за да се осигури укрепване.

 

Втвърдяването в твърд разтвор е за подобряване на основната якост чрез добавяне на различни разтворими елементи, включително Cr, W, Co, Mo, Re и Ru.

 

Различните атомни радиуси водят до известна степен на изкривяване на атомната решетка, което възпрепятства движението на дислокациите. Укрепването на твърдия разтвор се увеличава с увеличаването на разликата в размера на атомите.

Укрепването на твърдия разтвор също има ефект на намаляване на енергията на грешката при подреждане (SFE), като главно инхибира напречното приплъзване на дислокация, което е основният режим на деформация на неидеалните кристали при високи температури.

Атомните клъстери или микроструктурите с малък обсег на действие са друг механизъм, който помага да се получи укрепване чрез твърд разтвор. Re атомите в SX се сегрегират в областта на напрежението на опън на ядрото на дислокацията на интерфейса γ/γ', образувайки "атмосфера на Котрел", която ефективно предотвратява движението на дислокацията и разпространението на пукнатини. (Атомите на разтворените вещества са концентрирани в зоната на напрежение на опън на дислокациите на ръба, намалявайки изкривяването на решетката, образувайки газова структура на Кориолис и произвеждайки силен ефект на укрепване на твърдия разтвор. Ефектът се увеличава с увеличаването на концентрацията на разтворените атоми и увеличаването на размера разлика)

Re, W, Mo, Ru, Cr и Co ефективно укрепват γ фазата. Укрепването на твърдия разтвор на γ матрицата играе изключително важна роля в якостта на пълзене на базирани на никел високотемпературни сплави.

Ефектът на утаечно втвърдяване се влияе от обемната фракция и размера на γ' фазата. Целта на оптимизирането на състава на високотемпературните сплави е главно да се увеличи обемната част на γ' фазата и да се подобрят механичните свойства. SX високотемпературните сплави могат да съдържат 65%-75% от γ' фазата, което води до добра якост на пълзене. Това представлява полезната максимална стойност на укрепващия ефект на интерфейса γ/γ' и по-нататъшното увеличаване ще доведе до значително намаляване на якостта. Якостта на пълзене на високотемпературни сплави с висока обемна фракция на фазата γ' се влияе от размера на частиците на фазата γ'. Когато размерът на фазата γ' е малък, дислокациите са склонни да се изкачват около нея, което води до намаляване на якостта на пълзене. Когато дислокациите са принудени да отрежат γ' фазата, якостта на пълзене достига своя максимум. Тъй като частиците на γ' фазата се увеличават по размер, дислокациите са склонни да се огъват между тях, което води до намаляване на якостта на пълзене [14].

1 Разработване на авиационни газотурбинни двигатели

Има три основни механизма за укрепване на валежите:

 

Укрепване на несъответствието на решетката: γ' фазата се диспергира и утаява в матрицата на γ фазата по кохерентен начин. И двете са FCC структури. Несъответствието на решетката отразява стабилността и състоянието на напрежение на кохерентния интерфейс между двете фази. Най-добрият случай е, че матрицата и утаената фаза имат една и съща кристална структура и параметри на решетката с една и съща геометрия, така че повече утаени фази могат да бъдат запълнени в γ фазата. Диапазонът на несъответствие на високотемпературни сплави на основата на никел е 0~±1%. Re и Ru очевидно са разделени с γ фазата. Увеличаването на Re и Ru увеличава несъответствието на решетката.

Укрепване на реда: Нарязването на дислокация ще причини разстройство между матрицата и утаената фаза, което изисква повече енергия

Механизъм за байпас на дислокация: наречен механизъм на Orowan (поклон на Orowan), това е укрепващ механизъм, при който утаената фаза в металната матрица пречи на дислокацията в движение да продължи да се движи. Основен принцип: Когато движещата се дислокация срещне частица, тя не може да премине, което води до заобикалящо поведение, нарастване на линията на дислокация и изискваната движеща сила се увеличава, което води до укрепващ ефект.

3.3 Разработване на методи за леене на високотемпературни сплави

Най-ранната сплав, използвана във високотемпературни среди, може да бъде проследена до изобретяването на нихрома през 1906 г. Появата на турбо компресори и газотурбинни двигатели стимулира значителното развитие на високотемпературните сплави. Лопатките на първото поколение газотурбинни двигатели са произведени чрез екструдиране и коване, което очевидно е имало ограниченията на времето. Понастоящем турбинните лопатки от високотемпературни сплави се изработват предимно чрез леене по инвестиционни модели, по-специално насочено втвърдяване (DS). Методът DS е изобретен за първи път от екипа Versnyder на Pratt & Whitney в Съединените щати през 1970-те години [3]. През десетилетията на развитие, предпочитаният материал за турбинни лопатки се промени от равноосни кристали към колоновидни кристали и след това оптимизиран до монокристални високотемпературни сплави.

 

Технологията DS се използва за производството на компоненти от сплав SX с колонна сърцевина, което значително подобрява пластичността и устойчивостта на термичен шок на високотемпературните сплави. DS технологията гарантира, че произведените колонни кристали имат [001] ориентация, която е успоредна на основната ос на напрежението на частта, а не произволна кристална ориентация. По принцип DS трябва да гарантира, че втвърдяването на разтопения метал в отливката се извършва с течен захранващ метал винаги в току-що втвърдено състояние.

 

Отливането на колоновидни кристали трябва да отговаря на две условия: (1) Еднопосочният топлинен поток гарантира, че интерфейсът твърдо-течно вещество в точката на растеж на зърното се движи в една посока; (2) Не трябва да има нуклеация пред посоката на движение на границата твърдо-течно вещество.

 

Тъй като счупването на острието обикновено се случва в слабата при висока температура структура на границата на зърното, за да се елиминира границата на зърното, по време на процеса на насочено втвърдяване се използва матрица за втвърдяване със структура "селектор на зърно". Размерът на напречното сечение на тази структура е близък до размера на зърното, така че само едно оптимално израснало зърно навлиза в кухината на формата на отливката и след това продължава да расте под формата на единичен кристал, докато цялото острие се състои от само едно зърно.

 

Кристалният селектор може да бъде разделен на две части: начален блок и спирала:

 

В началото на процеса на DS, зърната започват да се образуват в долната част на началния блок. В ранния стадий на растеж на зърното броят е голям, размерът е малък и разликата в ориентацията е голяма. Конкурентното поведение на растеж между зърната доминира, а геометричният блокиращ ефект на страничната стена е слаб. По това време ефектът от оптимизиране на ориентацията е очевиден; когато височината на зърната в началния блок се увеличава, броят на зърната намалява, размерът се увеличава и ориентацията е близка. Конкурентното поведение на растеж между зърната намалява и геометричният блокиращ ефект на страничната стена доминира, гарантирайки, че посоката на кристала може да бъде непрекъснато оптимизирана, но ефектът на оптимизиране на ориентацията е отслабен. Чрез намаляване на радиуса на началния блок и увеличаване на височината на началния блок, ориентацията на зърната, влизащи в спиралната секция, може да бъде ефективно оптимизирана. Въпреки това, увеличаването на дължината на началния блок ще съкрати ефективното пространство за растеж на отливката и ще ви даде производствен цикъл и разходи за подготовка. Следователно е необходимо разумно да се проектира геометричната структура на субстрата.

 

Основната функция на спиралата е ефективно да избира единични кристали, а способността за оптимизиране на ориентацията на зърното е слаба. Когато процесът на DS се извършва в спирала, извитият канал осигурява пространство за растеж на дендритни разклонения и вторичните дендрити на зърната се придвижват в посока на линията на ликвидус. Зърната имат силна странична тенденция на развитие, а ориентацията на зърната е във флуктуиращо състояние със слаб ефект на оптимизация. Следователно изборът на зърна в спиралата зависи главно от предимството на геометричното ограничение, предимството на конкурентния растеж и предимството на пространственото разширяване на зърната в спиралния сегмент [7], а не от предимството на растежа на предпочитаната ориентация на зърната, което има силна произволност [6]. Следователно основната причина за провала на селекцията на кристали е, че спиралата не играе ролята на селекцията на единичен кристал. Чрез увеличаване на външния диаметър на спиралата, намаляване на стъпката, диаметъра на повърхността на спиралата и намаляване на началния ъгъл, ефектът на избор на кристал може да бъде значително подобрен.

 

Подготовката на кухи монокристални турбинни лопатки изисква повече от дузина стъпки (топене на основна сплав, подготовка на монокристална мембранна обвивка, подготовка на сложна конфигурация на керамично ядро, леене на стопилка, насочено втвърдяване, топлинна обработка, повърхностна обработка, подготовка на термично бариерно покритие и др. ). Сложният процес е предразположен към различни дефекти, като разсеяни зърна, лунички, малки ъглови граници на зърната, кристални ивици, отклонение в ориентацията, рекристализация, големи ъглови граници на зърна и неуспешна селекция на кристали.

Имате въпроси относно нашите продукти?

Нашият професионален екип по продажбите очаква вашата консултация.

Вземи оферта

Получете безплатна оферта

Наш представител ще се свърже с вас скоро.
Имейл
Име
Фирма/Частно Лице
Събщение
0/1000