Еднокристални турбинни лопasti: технологично проривно изобретение, което преодолява ограниченията при високи температури

1 Развитие на авиационни газови турбинни двигатели

Когато изискванията за производителност на самолетите за транспорт, военни, производствени и други цели се повишиха, най-ранните портативни двигатели вече не можеха да отговарят на нуждите за високоскоростен лет. Затова от 1950-те години нататък, газовите турбинни двигатели постепенно станаха доминиращи.

В 1928 г. сър Франк Уитл от Великобритания посочи в своя дипломен труд „Бъдещото развитие на конструкцията на самолетите“, докато учи в военната академия, че при техническите знания от това време бъдещето развитие на винтовите двигатели не може да отговаря на нуждите за високоалтitudни полети или скорости над 800 км/ч. Той първи предложи концепцията, която днес се нарича реактивен двигател (motor engine): компресиран въздух се подава до камера за горење (combustion) чрез традиционен портативен поршнев двигател, а горещите газове, произведени след това, се използват директно за пропелсионен полет, което може да се разглежда като винтов двигател плюс конструкция на камера за горење. През последните проучвания той отказва идеята за използване на тежък и неефективен поршнев двигател и предлага да се използва турбина (turbine), за да осигури компресиран въздух за камерата за горење, а мощността на турбината се получава от горещите изхвърлени газове. В 1930 г. Уитл подаде заявка за патент, а през 1937 г. разработва първия центробежен турбореактивен двигател в света, който официално е бил използван в самолета Gloster E.28/39 през 1941 г. Оттогава насам газовите турбини доминират в авиационната мощност и са важен символ на научно-техническия индустриален ниво и обща национална сила на една държава.

Двигателите на самолети могат да бъдат разделени на четири основни типа според техните използвания и конструктивни характеристики: турбозадвижващи двигатели, турбофани, турбовалкови двигатели и турбовртливи двигатели:

Газовити турбини за авиация се наричат турбозадвижващи двигатели, които са най-ранните употребявани газови турбини. От гледна точка на начина, по който се произвежда тяга, турбозадвижващите двигатели са най-простите и най- директните двигатели. Логиката се базира на реакцията, породена от високоскоростното изхвърляне на водоворота. Всичко пак високоскоростното газово потоц премахва много топлина и кинетична енергия, което води до значителни загуби на енергия.

Турбофановият двигател разделя въздуха, влизащ в двигателя, на две потока: вътрешен канал и външен канал, което увеличава общия поток на въздуха и намалява температурата и скоростта на изхвърляния въздух от вътрешния канал.

Турбовалковите и турбовъздушни мотори не произвеждат тяга чрез инжекция на въздушен поток, затова температурата и скоростта на изхвърляния газ са значително намалени, термичната ефективност е относително висока, а нормата за разход на гориво на мотора е ниска, което прави тези мотори подходящи за самолети с дълги маршрути. Скоростта на винтa обикновено не се променя, а различните тягови усилия се получават чрез регулиране на ъгъла на лопастта.

Пропфан моторът е мотор между турбовъздушен и турбофани мотор. Той може да бъде разделен на пропфан мотори с оградени винтови корпуси и пропфан мотори без такива оградени корпуси. Пропфан моторът е най-конкурентоспособният нов енергийно ефективен мотор, предназначен за подзвуково летене.

Гражданските авиационни двигатели преминаха през повече от половекове развитие. Структурата на двигателите е развивана от ранните центробежни турбини до едноврътливи осяни потоци, от двуврътливи реактивни двигатели до реактивни двигатели с нисък коeficient на обикалене и след това до реактивни двигатели с висок коeficient на обикалене. Структурата постоянно се оптимизира в търсенето на ефективност и надеждност. Температурата на входа на турбината беше само 1200-1300K за първото поколение реактивни двигатели през 40-те и 50-те години. Тя се увеличава с около 200K при всяко усъвършенстване на самолета. Към 80-те години температурата на входа на турбината за четвърто поколение продвинати истребители достигна 1800-2000K[1].

Принципът на центробежния въздушен компресор е, че импелерът привлича газа да се върти с висока скорост, така че газът да произвежда центробежна сила. Поради разтоварващото се налягане на газа в импелера, след преминаването през импелера се увеличават както дебитът, така и налягането на газа, което непрекъснато произвежда компресиран въздух. Той има кратка осяна размерност и високо единично отношение на налягането. Осяните въздушни компресори са такива, при които потокът на въздуха протича основно успоредно на оста на връщящия се импелер. Осяният компресор се състои от множество стъпени, всяка от които съдържа ред работещи лопатки и последващ ред статорни лопатки. Роторът е работещите лопатки и колело, а статорът е водачът. Въздухът първо се ускорява от роторните лопатки, после се забавя и се компресира в канала на статорните лопатки, процесът се повтаря през многостъпенните лопатки, докато общото отношение на налягането достигне необходимия ниво. Осяният компресор има малък диаметър, което прави поставянето му в многостъпенна конфигурация удобно за получаване на по-високо отношение на налягането.   

Турбовентилаторните двигатели обикновено използват коefициент на обход, отношение на двигателното налягане, температура на влизане в турбината и отношение на налягането на вентилатора като параметри за проектиране:

Коefициент на обход (BPR): Отношението между масата на газа, преминаваща през изходните дюси, и масата на газа, преминаваща през вътрешните дюси на двигателя. Роторът спреден пред турboboз motor обикновено се нарича нискотонажен компресор, а роторът спреден пред турбовентилаторния мотор обикновено се нарича вентилатор. Премиращият под налягане газ през нискотонажния компресор минава през всички части на турboboз motor; газът, преминаващ през вентилатора, се разделя между вътрешните и външните дюси. От появата на турбовентилаторните двигатели BPR е продължавал да се увеличава, а тази тенденция е особено очевидна в гражданските турбовентилаторни двигатели.

Отношение на двигателното налягане (EPR): Отношението между общото налягане при изхода на насоса и общото налягане при входа на компресора.

Температура на вхoda в турбината: Температурата на изпаренията от камера за горене при влизане в турбината.

Коефициент на компресия на ventilatora: Наричан също коефициент на компресия, това е отношението между налягането на газа при изход от компресора и налягането на газа при вход.

Две ефективности:

Термична ефективност: Мерка за способността на мотора да преобразва топлинната енергия, произведена чрез горене, в механична енергия.

Ефективност на привод: Мерка за дяла на механичната енергия, произведена от мотора, която се използва за движение на самолета.

Развитие на лопастите на турбината

Итеративно развитие

Взимайки турбовентилаторен двигател като пример, стойността на лопатките съставлява до 35%, а те са критичен компонент при производството на авиационни двигатели. В един двигател има от 3,000 до 4,000 авиационни лопатки, които могат да бъдат разделени на три категории: вентилаторни лопатки, компресорни лопатки и турбинни лопатки. Стойността на турбинните лопатки е най-висока, достигайки 63%. Едновременно те са и лопатките с най-голяма производствена трудност и производствена цена при турбовентилаторните двигатели [2].

През 1970-те години, Съединените щати първи започнаха да използват насочено затвердяване на лопатки PWA1422 в военни и граждански авиационни двигатели.

След 80-те години на XX век, отношението тяга-тегло на третото поколение двигател увеличиха до повече от 8, а турбинните лопатки започнаха да използват първото поколение SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 и Китайския DD3. Носещата му температура е с 80K по-висока от най-добрия насочен затвердяван диверситет високотемпературен сплав PWA1422. Преимущества. В комбинация с технологията за филмово охлаждане с едноconduct холоу, температурата на работа на турбинните лопатки достига 1600-1750K.

Четвъртото поколение турбовентилаторен двигател използва второто поколение SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 и DD6. Чрез добавяне на елементи Re и многоconduct високо-давящо въздушно охлаждане, температурата на работа на турбинните лопатки достига 1800K-2000K. При 2000K и 100h продължителната сила достига 140MPa.

Третото поколение SX, разработено след 1990-те години, включва RenéN6, CMRX-10 и DD9, които имат много显著ни предимства по отношение на крипната сила спрямо второто поколение SX. Под защитата на комплексни охлаждащи канали и топлоизолируващи покрития, температурата на входа на турбината, която може да понася, достига 3000K. Интерметалния сплав, използван в лопастите, достига 2200K, а стойността на 100-часовата държаност е 100MPa.

В момента се разработват четвърто поколение SX, представено от MC-NG[4], TMS-138 и др., както и петото поколение SX, представено от TMS-162 и др. Съставът му се характеризира с добавянето на нови редки земни елементи като Ru и Pt, което значително подобрява високотемпературната крипна производителност на SX. Работната температура на петото поколение високотемпературни сплавове е достигнала 1150°C, което е близо до теоретичния граничен операционен температурен режим от 1226°C.

3 Разработка на никелови еднокристални суперсплавове

3.1 Съставни характеристики и фазова съставна част на никеловите еднокристални свръхlegeи

Според вида на матричните елементи, високотемпературните сплавове могат да бъдат разделени на железни, никелови и кобалтови, като още повече могат да бъдат подразделени на лити, формувани и порошкови макроструктури. Никеловите сплави имат по-добри високотемпературни характеристики в сравнение с другите два типа високотемпературни сплави и могат да работят продължително в тежки високотемпературни условия.

Никеловите високотемпературни сплави съдържат поне 50% Ni. Нейната FCC структура ги прави изключително съвместими с някои сплачувщи елементи. Броият на сплачувните елементи, добавени по време на процеса на проектиране, често надхвърля 10. Общността на добавените сплачувщи елементи се класифицира по следния начин: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo и W са първоредни елементи, които служат като елементи за стабилизиране на аустенита; (2) Al, Ti, Ta и Nb имат по-големи атомни радиуси, което насърчава образуването на усилващи фази като съединение Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), и са второредни елементи; (3) B, C и Zr са треторедни елементи. Атомните им размери са много по-малки от тези на никеловите атоми и те лесно се сегрегират към границите на зърна на γ фазата, играейки роля при усилването на границите на зърната [14].

Фазите на никеловите еднокристални високотемпературни сплави са главно: γ фаза, γ' фаза, карбидна фаза и топологично близка упакована фаза (TCP фаза).

Фаза γ: Фазата γ е аустенитна фаза с кристална структура FCC, която е твърда растворена от елементи като Cr, Mo, Co, W и Re, дисолвираните в никел.

Фаза γ': Фазата γ' е междуетални компаунд Ni3(Al, Ti) с FCC, който се образува като фаза на осаждане, запазвайки определена кохерентност и несъответствие с матричната фаза и е богата в Al, Ti, Ta и други елементи.

Карбидна фаза: От второто поколение на никеловите SX се добавя малко C, което води до появата на карбиди. Малко количество карбиди са разпространени в матрицата, което подобрява високотемпературните свойства на сплава до някаква степен. Обикновено се делят на три типа: MC, M23C6 и M6C.

Фаза TCP: При стареенето на услугата, изcessive твърдещи елементи като Cr, Mo, W и Re насърчават образуването на фаза TCP. TCP обикновено се формира във вид на плоча. Плочната структура има негативно влияние върху пластичността, крип и умората. Фазата TCP е един от източниците на треск при крип.

Механизъм за усилване

Прочността на никеловите свръхlegeари произлиза от комбинирането на множество механизми за усилване, включително усилване чрез твърдещо решение, усилване чрез осаждане и термична обработка, за да се увеличи концентрацията на дислокации и да се разви подструктура на дислокациите, която осигурява усилване.

Усилването чрез твърдещо решение е добавяне на различни разтворими елементи, включително Cr, W, Co, Mo, Re и Ru, за подобряване на основната прочност.

Различните атомни радиуси водят до определена степен на искажение на атомната решетка, което препятства движението на дислокациите. Усилването чрез твърдещо решение нараства с увеличението на разликата в атомния размер.

Укрепването чрез твърд раствор има също така ефекта да намали енергията на грешки при стопане (SFE), главно инхибиращ кръстосаното скъсване на дислокации, което е основният режим на деформация за неидеалните кристали при високи температури.

Атомните кластери или микроструктури с кратка диапазонна подредба са друг механизъм, който помага да се получи укрепване чрез твърд раствор. Атомите Re в SX се сегрегират в областта с растящ стрес около ядрото на дислокацията при интерфейса γ/γ’, образувайки "атмосфера на Котрел", която ефективно предотвратява движението на дислокациите и разпространението на треските. (Растворните атоми се концентрират в областта с растящ стрес около ръбовните дислокации, намалявайки искажението на решетката, образуват структура на Кориолисов газ и произвеждат силен ефект на укрепване чрез твърд раствор. Ефектът се увеличава с увеличаването на концентрацията на растворните атоми и с увеличаването на размерната разлика.)

Re, W, Mo, Ru, Cr и Co ефективно усилват фазата γ. Усилването на матрицата γ чрез твърдото растворяване играе изключително важна роля за плзмената сила на никеловите високотемпературни алойси.

Ефектът на твърдяване при пречистване се влияе от обемната доля и размера на фазата γ'. Целта от оптимизирането на състава на високотемпературните сплавове е предимно да се увеличи обемната доля на фазата γ' и да се подобрят механичните свойства. ВС сплавите за високи температури могат да съдържат 65%-75% от фазата γ', което води до добро съпротивляване на крип. Това представлява полезната максимална стойност на ефекта от твърдяването при интерфейса γ/γ', а по-нататъшното увеличение ще доведе до значително намаляване на силата. Съпротивлението на крип на високотемпературните сплави с висока обемна доля на фазата γ’ се влияе от размера на частиците на фазата γ’. Когато размерът на фазата γ’ е малък, изкривленията се стремят да обикалят около нея, което води до намаляване на съпротивлението на крип. Когато изкривленията се принуждават да пресичат фазата γ’, съпротивлението на крип достига максимума си. По мере което частиците на фазата γ’ растат, изкривленията се стремят да се изкривяват между тях, което води до намаляване на съпротивлението на крип [14].

Има три основни механизма за усилване чрез осаждане:

Усилване чрез несъответствие на плетенията: Фазата γ’ е разпространена и осаждана в матрицата на фазата γ по съгласуван начин. Двете са FCC структури. Несъответствието на плетенията отразява стабилността и силовото състояние на съгласуваната интерфейс между двете фази. Най-добрият случай е когато матрицата и осажданата фаза имат една и съща кристална структура и параметри на плетенията с една и съща геометрия, така че повече осаждени фази могат да бъдат запълнени в фазата γ. Обхватът на несъответствието при никеловите високотемпературни сплавове е 0~±1%. Re и Ru са очевидно сегрегирани с γ фазата. Увеличаването на Re и Ru увеличава несъответствието на плетенията.

Усилване чрез ред: Пресичането на дисклокации причинява безредие между матрицата и осажданата фаза, което изисква повече енергия

Механизъм на обиколване на дислокации: наричан Орованов механизъм (Orowan bowing), това е механизъм за усилване, при който фазата на осадяване в металната матрица пречи на движещите се дислокации да продължат да се движат. Основен принцип: Когато движещата се дислокация срещне частица, тя не може да я премине, което води до поведение на обиколване, растеж на линията на дислокацията и увеличаване на необходимата движителна сила, което причинява ефекта на усилване.

3.3 Развитие на методите за отливане на високотемпературни сплавове

Най-ранният сплав, използван в високотемпературна среда, може да бъде проследен до изобретението на Нихром през 1906 г. Появата на турбокомпресори и газови турбини стимулираше значителното развитие на високотемпературните сплавове. Лопатките на първото поколение от газови турбини бяха произведени чрез екструзия и ковка, което очевидно имаше ограниченията на това време. В момента лопатките от високотемпературни сплавове се правят предимно чрез investment casting (инвестиционно отливане), по-специално чрез насочено затвердяване (DS). DS методът беше измислен първоначално от екипа на Верснайдер при Pratt & Whitney в САЩ през 70-те години на миналия век [3]. През десетилетията на развитието, предпочитаният материал за лопатките промени от равномерни кристали до столбовидни кристали, а после беше оптимизиран до материал от високотемпературен сплав с еднакъв кристал.

Технологията DS се използва за производство на компоненти от колоновиден ядрен сплав SX, което значително подобрява пластичността и устойчивостта към термичен шок на високотемпературните сплавове. Технологията DS гарантира, че произведени колоновидни кристали имат ориентация [001], която е паралелна на главната ос на усилията на частта, вместо да има случайна кристална ориентация. По принцип DS трябва да гарантира, че топлинното течообразно солидниране при ливандето се провежда, докато металът за допълване винаги е в състояние на ново солидниране.

Ливандето на колоновидни кристали трябва да отговаря на две условия: (1) Едносмук поток на топлина гарантира, че твърде-текучата интерфейс при растежа на зърното се движи в една посока; (2) Не трябва да има нуклеация преди движението на твърде-текучата интерфейс.

Тъй като чупенето на лезерята обикновено се случва високотемпературната слаба структура на границите на зърна, за да се eliminirae тази граница на зърна, по време на процеса на насочено затвердяване се използва формичка за затвердяване с "селектор на зърна" структура. Размерът на пресечната повърхнина на тази структура е близо до размера на зърната, така че само единично оптимално разрастващо се зърно влиза в формичката на отливката и после продължава да расте в форма на монокристал, докато цялата лезерия се състои само от едно зърно.

Кристалният селектор може да се раздели на две части: стартиращ блок и спирала:

В началото на процеса DS зърната започват да се нуклеират в долната част на стартиращия блок. На ранната стадия на растежа на зърната техният брой е голям, размерът е малък, а разликата в ориентацията е значителна. Доминиращо поведение е конкурентния растеж между зърната, а геометричният блокиращ ефект на стената е слаб. В този момент ефектът от оптимизацията на ориентацията е очевиден; когато височината на зърната в стартиращия блок се увеличава, броят на зърната намалява, размерът се увеличава и ориентацията става по-близка. Конкурентният растеж между зърната намалява, а геометричният блокиращ ефект на стената доминира, осигурявайки непрекъснатата оптимизация на кристалната насока, но ефектът от оптимизацията на ориентацията се ослабва. Чрез намаляване на радиуса на стартиращия блок и увеличаване на височината му, ориентацията на зърната, влизащи в спиралния раздел, може да бъде ефективно оптимизирана. Противно, увеличаването на дължината на стартиращия блок ще съкрати ефективното пространство за растеж на отливката и ще ви увеличи производствения цикъл и подготовителните разходи. Поради това е необходимо да се проектира разумно геометричната структура на основата.

Основната функция на спиралата е да избира ефективно единични кристали, а способността да оптимизира ориентацията на зърна е слаба. Когато DS процесът се провежда в спирала, изкривеният канал предоставя пространство за растеж на дендритните клонки, и вторичните дендрити на зърната продвигат в посоката на линията на течност. Зърната имат силна тенденция за поперечен развитие, а ориентацията на зърната е в колебав състояние, със слаб ефект на оптимизация. Следователно, изборът на зърна в спиралата главно зависи от геометричното ограничение, предимството на конкурентния растеж и пространственото разширение на зърната в спиралния сегмент [7], вместо от растежното предимство на предпочитаната ориентация на зърната, което е с голяма случаеност [6]. Поради това основната причина за неуспех при избора на кристал е, че спиралата не играе ролята си за избор на единичен кристал. Чрез увеличаване на външния диаметър на спиралата, намаляване на стъпката, диаметъра на спиралната повърхност и намаляване на началния ъгъл, ефектът от избора на кристал може значително да се подобри.

Подготовката на празни единични кристални турбинни лезища изисква повече от десетинте стъпки (плавене на основна сплавена смес, приготвяне на еднокристална мембранна обвивка, подготовка на керамическо ядро с комплексна конфигурация, плавене, посочна солидификация, термична обработка, повърхностна обработка, приготвяне на термична бариерна покритина и т.н.). Сложният процес е склонен да дава различни дефекти, като заблудителни зърна, фрекенели, малъкъгълни гранични повърхности, полосовидни кристали, отклонение в ориентацията, ре crystallization, голямъгълни гранични повърхности и неуспешен отбор на кристала.