Jednokrystalové turbínové lopatky: technologický průlom, který překonává vysoké teplotní limity

1 Vývoj leteckých plynových turbínových motorů

S rostoucími požadavky na výkon letadel pro přepravu, armádu, výrobu a další účely přestaly nejstarší pístové motory splňovat potřeby vysokorychlostního letu. Od 1950. let se proto motory s plynovou turbínou postupně staly hlavním proudem.

V roce 1928 Sir Frank Whittle ze Spojeného království ve své diplomové práci „Budoucí vývoj v konstrukci letadel“ při studiu na vojenské akademii poukázal na to, že za tehdejších technických znalostí se budoucí vývoj vrtulových motorů nemohl přizpůsobit potřebám. ve vysoké nadmořské výšce nebo rychlostí letu přesahující 800 km/h. Nejprve navrhl koncept toho, co se nyní nazývá proudový motor (motorový motor): stlačený vzduch je přiváděn do spalovací komory (spalovací) prostřednictvím tradičního pístu a generovaný plyn o vysoké teplotě je přímo použit k pohonu letu, který může být považován za vrtulový motor a konstrukci spalovací komory. V následném výzkumu opustil myšlenku použití těžkého a neefektivního pístu a navrhl použít turbínu (turbínu) pro dodávání stlačeného vzduchu do spalovací komory a výkon turbíny byl získáván z vysokoteplotních výfukových plynů. V roce 1930 Whittle požádal o patent a v roce 1937 vyvinul první odstředivý proudový motor na světě, který byl oficiálně použit v letadle Gloster E.28/39 v roce 1941. Od té doby dominovaly motory s plynovou turbínou v letectví a jsou důležitý symbol vědecké a technologické průmyslové úrovně země a komplexní národní síly.

Letecké motory lze podle použití a konstrukčních vlastností rozdělit do čtyř základních typů: proudové motory, turbodmychadlové motory, turbohřídelové motory a turbovrtulové motory:

Letecké motory s plynovou turbínou se označují jako proudové motory, což jsou první používané motory s plynovou turbínou. Z hlediska způsobu generování tahu jsou proudové motory nejjednodušší a nejpřímější motory. Úvaha se opírá o reakční sílu generovanou vysokorychlostním vstřikováním víru. Vysokorychlostní proudění vzduchu však odebírá velké množství tepla a zároveň kinetické energie, což způsobuje velké energetické ztráty.

Motor s turbodmychadlem rozděluje vzduch proudící do motoru na dvě cesty: vnitřní potrubí a vnější potrubí, což zvyšuje celkový průtok vzduchu a snižuje teplotu výfukových plynů a rychlost proudění vzduchu ve vnitřním potrubí.

Turbohřídelové a turbovrtulové motory nevytvářejí tah vstřikováním proudu vzduchu, takže teplota a rychlost výfuku jsou značně sníženy, tepelná účinnost je relativně vysoká a spotřeba paliva motoru je nízká, což je vhodné pro letadla na dlouhé vzdálenosti. Otáčky vrtule se obecně nemění a různé tahy se získávají úpravou úhlu listu.

Propfan motor je motor mezi turbovrtulovým a turboventilátorovým motorem. Lze jej rozdělit na propfan motory s potrubím vrtule a propfan motory bez potrubí vrtule. Propfanový motor je nejkonkurenceschopnějším novým energeticky úsporným motorem vhodným pro podzvukový let.

Motory pro civilní letectví prošly více než půlstoletím vývoje. Struktura motoru se vyvinula od raného motoru s odstředivou turbínou k jednorotorovému motoru s axiálním průtokem, od dvourotorového proudového motoru k turbodmychadlu s nízkým obtokovým poměrem a poté k turbodmychadlovému motoru s vysokým obtokovým poměrem. Konstrukce byla průběžně optimalizována s ohledem na účinnost a spolehlivost. Vstupní teplota turbíny byla pouze 1200-1300 K u první generace proudových motorů ve 1940. a 1950. letech 200. století. S každou modernizací letadla se zvýšila o přibližně 1980 tisíc. V 1800. letech dosáhla vstupní teplota turbíny čtvrté generace moderních stíhaček 2000-1 K[XNUMX].

Princip odstředivého vzduchového kompresoru spočívá v tom, že oběžné kolo pohání plyn do rotace vysokou rychlostí, takže plyn vytváří odstředivou sílu. Vlivem expanzního tlakového proudění plynu v oběžném kole se zvyšuje průtok a tlak plynu po průchodu oběžným kolem a kontinuálně se vyrábí stlačený vzduch. Má krátký axiální rozměr a vysoký jednostupňový tlakový poměr. Vzduchový kompresor s axiálním prouděním je kompresor, ve kterém proudí vzduch v podstatě rovnoběžně s osou rotujícího oběžného kola. Axiální kompresor se skládá z několika stupňů, každý stupeň obsahuje řadu lopatek rotoru a následnou řadu lopatek statoru. Rotor jsou pracovní lopatky a kolo a stator je vedení. Vzduch je nejprve urychlován lopatkami rotoru, zpomalován a stlačován v kanálu lopatek statoru a opakován ve vícestupňových lopatkách, dokud celkový tlakový poměr nedosáhne požadované úrovně. Axiální průtokový kompresor má malý průměr, což je vhodné pro vícestupňové tandemové použití pro dosažení vyššího tlakového poměru.  

Turboventilátorové motory obvykle používají jako konstrukční parametry obtokový poměr, tlakový poměr motoru, vstupní teplotu turbíny a tlakový poměr ventilátoru:

Obtokový poměr (BPR): Poměr hmotnosti plynu proudícího výstupními kanály k hmotnosti plynu proudícího vnitřními kanály v motoru. Rotor v přední části proudového motoru se obvykle nazývá nízkotlaký kompresor a rotor v přední části motoru s turbodmychadlem se obvykle nazývá ventilátor. Stlačený plyn procházející nízkotlakým kompresorem prochází všemi částmi proudového motoru; plyn procházející ventilátorem je rozdělen na vnitřní a vnější potrubí. Od vzniku turbodmychadel se BPR zvyšuje a tento trend je patrný zejména u civilních turbodmychadel.

Tlakový poměr motoru (EPR): Poměr celkového tlaku na výstupu z trysky k celkovému tlaku na vstupu kompresoru.

Vstupní teplota turbíny: Teplota výfukových plynů ze spalovací komory, když vstupují do turbíny.

Kompresní poměr ventilátoru: Také označovaný jako kompresní poměr, poměr tlaku plynu na výstupu kompresoru k tlaku plynu na vstupu.

Dvě účinnosti:

Tepelná účinnost: Míra toho, jak efektivně motor přeměňuje tepelnou energii generovanou spalováním na mechanickou energii.

Účinnost pohonu: Míra podílu mechanické energie generované motorem, která se používá k pohonu letadla.

2 Vývoj lopatky turbíny

Iterativní vývoj

Vezmeme-li jako příklad turbodmychadlový motor, hodnota lopatek představuje až 35 % a jsou kritickou součástí při výrobě leteckých motorů. V motoru je 3,000 4,000 až 63 2 leteckých lopatek, které lze rozdělit do tří kategorií: lopatky ventilátoru, lopatky kompresoru a lopatky turbíny. Nejvyšší je hodnota lopatek turbín, která dosahuje XNUMX %. Zároveň jsou to také lopatky s nejvyšší výrobní náročností a výrobními náklady u turboventilátorových motorů [XNUMX].    

V 1970. letech 1422. století Spojené státy jako první použily směrové tuhnoucí lopatky PWAXNUMX ve vojenských a civilních leteckých motorech.

Po 1980. letech se poměr tahu a hmotnosti motoru třetí generace zvýšil na více než 8 a lopatky turbíny začaly používat první generaci SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 a čínský DD3. Jeho teplotní únosnost je o 80 K vyšší než u nejlepší vysokoteplotní slitiny pro směrové tuhnutí PWA1422. Výhody. Ve spojení s jednokanálovou dutou technologií filmového chlazení dosahuje provozní teplota lopatek turbíny 1600-1750 K. .

Čtvrtá generace turboventilátorového motoru využívá druhou generaci SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 a DD6. Přidáním prvků Re a vícekanálové technologie vysokotlakého vzduchového chlazení dosahuje provozní teplota lopatek turbíny 1800K-2000K. Při 2000K a 100h Trvalá pevnost dosahuje 140MPa.

Třetí generace SX vyvinutá po 1990. letech zahrnuje RenéN6, CMRX-10 a DD9, které mají oproti druhé generaci SX velmi zjevné výhody pevnosti při tečení. Pod ochranou komplexních chladicích kanálů a tepelně bariérových povlaků dosahuje vstupní teplota turbíny, kterou dokáže odolat, 3000 K. Intermetalická slitina použitá v čepelích dosahuje 2200 K a 100h trvalá pevnost dosahuje 100 MPa.

V současné době je ve vývoji čtvrtá generace SX reprezentovaná MC-NG[4], TMS-138 atd. a pátá generace SX reprezentovaná TMS-162 atd. Její složení je charakteristické přidáním nových prvků vzácných zemin jako např. jako Ru a Pt, což výrazně zlepšuje tečení při vysokých teplotách SX. Pracovní teplota vysokoteplotní slitiny páté generace dosáhla 1150 °C, což se blíží teoretické limitní provozní teplotě 1226 °C.

3 Vývoj monokrystalických superslitin na bázi niklu

3.1 Charakteristika složení a fázové složení monokrystalických superslitin na bázi niklu

Podle typu matricových prvků lze vysokoteplotní slitiny rozdělit na železo, nikl a kobalt a dále na makrostruktury pro lití, kování a práškovou metalurgii. Slitiny na bázi niklu mají lepší výkon při vysokých teplotách než ostatní dva typy vysokoteplotních slitin a mohou pracovat po dlouhou dobu v náročných vysokoteplotních prostředích.

Vysokoteplotní slitiny na bázi niklu obsahují minimálně 50 % Ni. Jejich FCC struktura je činí vysoce kompatibilními s některými legujícími prvky. Počet legujících prvků přidaných během procesu návrhu často přesahuje 10. Shodnost přidaných legujících prvků je klasifikována takto: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo a W jsou prvotřídní prvky. , které slouží jako prvky stabilizující austenit; (2) Al, Ti, Ta a Nb mají větší atomové poloměry, které podporují tvorbu zpevňujících fází, jako je sloučenina Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), a jsou prvky druhé třídy; (3) B, C a Zr jsou prvky třetí třídy. Jejich atomová velikost je mnohem menší než u atomů Ni a jsou snadno segregovány k hranicím zrn ve fázi γ, což hraje roli při zpevňování hranic zrn [14].

Fáze monokrystalických vysokoteplotních slitin na bázi niklu jsou zejména: γ fáze, γ' fáze, karbidová fáze a topologická těsně sbalená fáze (TCP fáze).

γ fáze: γ fáze je austenitová fáze s krystalovou strukturou FCC, což je pevný roztok tvořený prvky jako Cr, Mo, Co, W a Re rozpuštěnými v niklu.

γ' fáze: γ' fáze je Ni3(Al, Ti) intermetalická sloučenina FCC, která vzniká jako precipitační fáze a zachovává si určitou koherenci a nesoulad s matricovou fází a je bohatá na Al, Ti, Ta a další prvky.

Karbidová fáze: Počínaje druhou generací SX na bázi niklu se přidává malé množství C, což vede ke vzniku karbidů. V matrici je rozptýleno malé množství karbidů, což do určité míry zlepšuje vlastnosti slitiny při vysokých teplotách. Obecně se dělí na tři typy: MC, M23C6 a M6C.

Fáze TCP: V případě stárnutí služby nadměrné žáruvzdorné prvky, jako je Cr, Mo, W a Re, podporují srážení fáze TCP. TCP je obvykle vytvořen ve formě desky. Struktura desky má negativní vliv na tažnost, tečení a únavové vlastnosti. TCP fáze je jedním ze zdrojů trhlin při tečení.

Posilovací mechanismus

Pevnost superslitin na bázi niklu pochází ze spojení více vytvrzovacích mechanismů, včetně zpevnění tuhým roztokem, precipitačního zpevnění a tepelného zpracování za účelem zvýšení hustoty dislokací a vytvoření dislokační substruktury pro zajištění zpevnění.

Kalení v tuhém roztoku má zlepšit základní pevnost přidáním různých rozpustných prvků, včetně Cr, W, Co, Mo, Re a Ru.

Rozdílné poloměry atomů vedou k určitému stupni narušení atomové mřížky, což brání pohybu dislokace. Zpevnění tuhého roztoku se zvyšuje s rostoucím rozdílem velikosti atomů.

Zpevnění tuhého roztoku má také účinek na snížení energie stohovací chyby (SFE), zejména inhibici dislokačního křížového prokluzu, což je hlavní deformační režim neideálních krystalů při vysokých teplotách.

Atomové shluky nebo mikrostruktury řádu krátkého dosahu jsou dalším mechanismem, který pomáhá získat zpevnění prostřednictvím pevného roztoku. Atomy Re v SX segregují v oblasti tahového napětí dislokačního jádra na rozhraní γ/γ' a vytvářejí „Cottrellovu atmosféru“, která účinně brání pohybu dislokace a šíření trhliny. (Atomy rozpuštěné látky se koncentrují v oblasti tahového napětí dislokací hran, snižují deformaci mřížky, vytvářejí Coriolisovu plynovou strukturu a vytvářejí silný účinek zpevnění pevného roztoku. Účinek se zvyšuje se zvýšením koncentrace atomu rozpuštěné látky a zvětšením velikosti rozdíl)

Re, W, Mo, Ru, Cr a Co účinně posilují γ fázi. Zpevnění matrice γ v tuhém roztoku hraje mimořádně důležitou roli v pevnosti při tečení vysokoteplotních slitin na bázi niklu.

Účinek precipitačního vytvrzování je ovlivněn objemovým zlomkem a velikostí γ' fáze. Účelem optimalizace složení vysokoteplotních slitin je především zvýšení objemového podílu γ' fáze a zlepšení mechanických vlastností. Vysokoteplotní slitiny SX mohou obsahovat 65 % až 75 % fáze γ', což vede k dobré pevnosti při tečení. To představuje užitečnou maximální hodnotu zpevňovacího účinku rozhraní γ/γ' a další zvýšení povede k výraznému poklesu pevnosti. Pevnost při tečení vysokoteplotních slitin s vysokým objemovým podílem fáze γ' je ovlivněna velikostí částic fáze γ'. Když je velikost fáze γ' malá, dislokace mají tendenci kolem ní šplhat, což vede ke snížení pevnosti při tečení. Když jsou dislokace nuceny přerušit fázi γ', pevnost při tečení dosáhne svého maxima. Jak se částice fáze γ' zvětšují, dislokace mají tendenci se mezi nimi ohýbat, což má za následek snížení pevnosti při tečení [14].

Existují tři hlavní mechanismy posilování srážek:

Posílení nesouladu mřížky: γ' fáze je dispergována a precipitována v matrici γ fáze koherentním způsobem. Oba jsou FCC struktury. Nesoulad mřížky odráží stabilitu a stav napětí koherentního rozhraní mezi dvěma fázemi. Nejlepším případem je, že matrice a precipitovaná fáze mají stejnou krystalovou strukturu a mřížkové parametry stejné geometrie, takže ve fázi γ může být vyplněno více precipitovaných fází. Rozsah nesouladu vysokoteplotních slitin na bázi niklu je 0~±1%. Re a Ru jsou zjevně segregovány s γ fází. Zvýšení Re a Ru zvyšuje nesoulad mřížky.

Posílení řádu: Dislokační řezání způsobí nepořádek mezi matricí a precipitovanou fází, což vyžaduje více energie

Mechanismus bypassu dislokace: nazývaný Orowanův mechanismus (Orowanova úklona), je to posilující mechanismus, ve kterém vysrážená fáze v kovové matrici brání pohybující se dislokaci v dalším pohybu. Základní princip: Když pohybující se dislokace narazí na částici, nemůže jí projít, což má za následek obtokové chování, růst dislokační linie a zvyšuje se požadovaná hnací síla, což má za následek zpevňující účinek.

3.3 Vývoj metod vysokoteplotního lití slitin

Nejstarší slitinu používanou v prostředí s vysokou teplotou lze vysledovat až k vynálezu Nichrome v roce 1906. Vznik turbokompresorů a motorů s plynovou turbínou podnítil podstatný vývoj vysokoteplotních slitin. Lopatky první generace motorů s plynovou turbínou se vyráběly vytlačováním a kováním, což samozřejmě mělo svá omezení doby. V současné době se lopatky turbín z vysokoteplotní slitiny vyrábějí převážně metodou vytavitelného lití, konkrétně směrovým tuhnutím (DS). Metoda DS byla poprvé vynalezena Versnyderovým týmem Pratt & Whitney ve Spojených státech v 1970. letech 3. století [XNUMX]. V desetiletích vývoje se preferovaný materiál pro turbínové lopatky změnil z rovnoosých krystalů na sloupcové krystaly a poté se optimalizoval na monokrystalické vysokoteplotní slitinové materiály.

Technologie DS se používá k výrobě komponentů ze slitiny sloupcového jádra SX, která výrazně zlepšuje tažnost a odolnost vysokoteplotních slitin proti tepelným šokům. Technologie DS zajišťuje, že vyrobené sloupcové krystaly mají orientaci [001], která je rovnoběžná s hlavní osou napětí součásti, spíše než náhodnou orientaci krystalu. V zásadě musí DS zajistit, aby tuhnutí roztaveného kovu v odlitku bylo prováděno s tekutým vstupním kovem vždy v právě ztuhlém stavu.

Odlévání sloupcových krystalů musí splňovat dvě podmínky: (1) Jednosměrný tepelný tok zajišťuje, že se rozhraní pevná látka-kapalina v bodě růstu zrna pohybuje jedním směrem; (2) Před směrem pohybu rozhraní pevná látka-kapalina nesmí docházet k žádné nukleaci.

Protože k lomu čepele obvykle dochází ve vysokoteplotně slabé struktuře hranice zrn, používá se pro eliminaci hranice zrn při procesu směrového tuhnutí tuhnoucí forma se strukturou "zrnitosti". Velikost průřezu této struktury se blíží velikosti zrna, takže do dutiny formy odlitku vstupuje pouze jediné optimálně narostlé zrno, které pak dále roste ve formě monokrystalu, dokud se celá čepel nesloží z jen jedno zrnko.

Krystalový selektor lze rozdělit na dvě části: startovací blok a spirálu:

Na začátku procesu DS začnou zrna nukleovat na dně startovacího bloku. V rané fázi růstu zrna je počet velký, velikost je malá a rozdíl orientace je velký. Převládá konkurenční růstové chování mezi zrny a geometrický blokovací účinek boční stěny je slabý. V tomto okamžiku je efekt optimalizace orientace zřejmý; když se výška zrn ve výchozím bloku zvýší, počet zrn se sníží, velikost se zvětší a orientace je blízko. Snižuje se konkurenční růstové chování mezi zrny a dominuje geometrický blokující účinek boční stěny, což zajišťuje, že směr krystalu lze plynule optimalizovat, ale účinek optimalizace orientace je oslaben. Zmenšením poloměru startovacího bloku a zvýšením výšky startovacího bloku lze efektivně optimalizovat orientaci zrn vstupujících do spirálové sekce. Zvětšením délky startovacího bloku však zkrátíte efektivní růstový prostor odlitku a získáte výrobní cyklus a náklady na přípravu. Proto je potřeba rozumně navrhnout geometrickou strukturu podkladu.

Hlavní funkcí spirály je efektivní výběr monokrystalů a schopnost optimalizovat orientaci zrn je slabá. Když je proces DS prováděn ve spirále, zakřivený kanál poskytuje prostor pro růst větví dendritů a sekundární dendrity zrn postupují ve směru linie likvidu. Zrna mají silný boční vývojový trend a orientace zrn je ve kolísavém stavu se slabým optimalizačním efektem. Proto výběr zrn ve spirále závisí především na výhodě geometrického omezení, konkurenční růstové výhodě a výhodě prostorové expanze zrn v segmentu spirály [7], spíše než na růstové výhodě preferované orientace zrn, která má silnou náhodnost [6]. Hlavním důvodem selhání krystalové selekce je proto to, že spirála nehraje roli selekce monokrystalu. Zvětšením vnějšího průměru spirály, zmenšením stoupání, průměru povrchu spirály a zmenšením počátečního úhlu lze výrazně zlepšit efekt výběru krystalů.

Příprava dutých monokrystalických turbínových lopatek vyžaduje více než tucet kroků (tavení předslitiny, příprava pláště monokrystalické membrány, komplexní konfigurace keramického jádra, odlévání taveniny, směrové tuhnutí, tepelné zpracování, povrchová úprava, příprava povlaku tepelné bariéry atd. ). Složitý proces je náchylný k různým defektům, jako jsou bludná zrna, pihy, hranice zrn s malým úhlem, pruhové krystaly, odchylka orientace, rekrystalizace, hranice zrn s velkým úhlem a selhání výběru krystalů.