Lopatky plynové turbíny: příprava směrového tuhnutí

Lopatka turbíny je hlavním komponentem horkého koncového dílu plynové turbíny, její výzkum a výroba jsou důležitým odrazem rozsahu a technické úrovně průmyslu dané země. Přehledně se zabýváme nedávným pokrokem ve výzkumu technologií výroby lopatek plynových turbín. Na základě výzkumu našeho týmu představujeme pokrok v oblasti směrového tuhnutí lopatek plynových turbín a stanovíme zaměření dalších studií.

Technologie smerového tuhnutí se týká technologie, která během procesu tuhnutí vytváří teplotní gradient v určitém směru silnými prostředky, aby došlo k tuhnutí v určitém směru. Během procesu tuhnutí kovu existuje teplotní gradient v konkrétním směru mezi uzavřenou částí a nenuhlejícím se splaškem, což způsobuje, že kov tuhne ve směru opačném než je vedení tepla. Použitím technologie smerového tuhnutí lze získat sloupkové nebo jednoduché krystalické struktury s konkrétním orientacím, připravit lopatky ze sloupkového nebo jednoduchého krystalu a významně zlepšit jejich vlastnosti.

V pozdních 60. letech Versnyder a jeho tým aplikovali technologii směrového ztuhlavání při výrobě super slitin, což lépe ovládlo orientaci vlaňové struktury, odstranilo příčné hranice vlaňů a významně zlepšilo mechanické vlastnosti super slitin. Technologie směrového ztuhlavání po desetiletích výzkumu vyvinula metodu exotermního prášku (EP), metodu snížení napájení (PD), metodu rychlého ztuhlavání (PD), běžně používané metody jako HRS [12] a metodu chlazení tekutým kovem (LMC). V současnosti jsou široce používány metody rychlého ztuhlavání a chlazení tekutým kovem.

Metoda rychlého ztuhnutí je způsob, jak dělat formovky tak, aby se pohybovaly v jednom směru postupně pryč od oblasti vysoké teploty a dosáhly jednosměrného ztuhnutí. Tato metoda řeší problém, že teplotní gradient během procesu ztuhování klesá postupně. Princip metody rychlého ztuhování je znázorněn na obrázku 1(a). Na spodní části peci je umístěna adiabatická přepážka, na které je otevřen otvor mírně větší než formovka. Vnitřek pece je udržován nahřátý. Během ztuhovacího procesu kovu je nádoba pomalu stahována dolů, takže část kovu expozovaná ven začíná chladnout a ztuhnout, zatímco rozpouštěnina kovu nacházející se v pece je stále v ohřátém stavu, což vytváří axiální teplotní gradient. Metoda rychlého ztuhování má vysoký a stabilní teplotní gradient a rychlost chlazení, a může dosáhnout dlouhých sloupkovitých krystalů a jemné struktury, čímž významně zlepšuje mechanické vlastnosti formovek. Nicméně, teplotní gradient této metody je stále nedostatečný a při jednosměrném ztuhování tlustých a velkých formovek se stále mohou objevit vadné útvary jako skvrny a nepůvodní látky.