Jednokrystalové vrtulníky: technologický průlom, který překonává limity vysokých teplot

Vývoj leteckých plynových turbínových motorů

Když se zvyšovaly výkonnostní požadavky na letadla pro dopravu, vojenské účely, výrobu a další použití, první pistonové motory již nedokázaly splnit potřeby rychlého letu. Proto se od 50. let postupně staly plynové turbínové motory hlavním proudem.

V roce 1928 ukázal Sir Frank Whittle ze Spojeného království ve své diplomové práci „Budoucí vývoj v konstrukci letadel“ během studií na vojenské akademii, že podle tehdejší technické znalosti nemohou budoucí vývoje vrtulových motorů splnit potřeby pro vysoké nadmořské výšky nebo rychlosti přesahující 800 km/h. Poprvé předložil myšlenku toho, co dnes nazýváme proudnicovým motorem (motor engine): komprimovaný vzduch je dodáván do spalovací komory (spalování) pomocí tradičního pistolu a vysoce horké plyny vzniklé jsou použity přímo k pohonu letu, což lze považovat za kombinaci vrtulového motoru s návrhem spalovací komory. Během dalšího výzkumu zavrhl myšlenku použití těžkého a neefektivního pistolu a navrhl použití turbíny (turbína) k dodávání komprimovaného vzduchu do spalovací komory, jejíž energii získává z vysoko teplých výfukových plynů. V roce 1930 Whittle podal patentovou žádost a v roce 1937 vyvinul první centrifugální turbojetový motor na světě, který byl oficiálně nasazen na letadle Gloster E.28/39 v roce 1941. Od té doby dominují plynové turbíny v leteckém pohonu a jsou důležitým symbolem vědeckotechnické úrovně a celkové síly státu.

Letecké motory lze rozdělit podle jejich využití a konstrukčních charakteristik do čtyř základních typů: turbojetové motory, turbovrtulové motory, turbouhlové motory a turboprop motory:

Aviační plynové turbíny se označují jako turbojetové motory, které jsou nejstaršími používanými plynovými turbínami. Pokud jde o způsob vytváření tahy, turbojetové motory jsou nejjednoduššími a nejpřímějšími motory. Jejich princip spočívá ve využití reakční síly vyvolané vysokorychlostním výstřelem víru. Nicméně, vysokorychlostní proud vzduchu současně odnáší spoustu tepla a kinetické energie, což způsobuje velké ztráty energie.

Turbovrtulový motor dělí vzduch tekoucí do motoru na dvě cesty: vnitřní trubku a vnější trubku, čímž zvyšuje celkový průtok vzduchu a snižuje teplotu a rychlost výfukového plynu vnitřní trubky.

Turbosvorné a turbopropové motory nevytvářejí tah injekcí vzduchu, takže teplota a rychlost výfuku jsou významně sníženy, tepelná účinnost je relativně vysoká a spotřební koeficient paliva motoru je nízký, což je vhodné pro letadla s dlouhou doletovou vzdáleností. Rychlost vrtule obecně se nemění, různé tahu dosahujeme změnou úhlu lopatek.

Motor propfan je motorem mezi turbopropovým a turboventilovým motorem. Dá se rozdělit na motory propfan s trubkovanými vrtulními pouzdry a motory propfan bez trubkovaných vrtulních pouzdří. Motor propfan je nejkonkurentnějším novým úsporným motorem vhodným pro podzvukový let.

Motory pro civilní leteckou kosmickou techniku prošly více než půlstoletím vývoje. Struktura motoru se vyvinula od raného odstředivého turbodmotoru k jednovorecím axiálním proudovým motorem, od dvojvoukového turbodmotoru k turbodúmu s nízkým poměrem obchodu a poté k turbodúmu s vysokým poměrem obchodu. Struktura byla neustále optimalizována v důsledku snahy o efektivitu a spolehlivost. Teplota vstupu do turbiny byla pouze 1200-1300K u první generace turbodmotorů v 40. a 50. letech. Zvyšovala se asi o 200K při každém upgradu letadla. Do 80. let dosáhla teplota vstupu do turbiny u čtvrté generace pokročilých bojových letounů 1800-2000K[1].

Princip centrifugálního vzduchového kompresoru spočívá v tom, že vrtule pohání plyn tak, aby se toto rotovalo s vysokou rychlostí, čímž plyn vyvolává centrifugální sílu. Díky tlakovému proudění plynu ve vrtuli se zvyšuje rychlost a tlak plynu po procházení vrtule, což vede k neustálému produkci stlačeného vzduchu. Má krátkou osu a vysoký jednostupňový poměr tlaku. Axialní vzduchový kompresor je kompresor, ve kterém proud vzduchu základně proudí rovnoběžně s osou rotující vrtule. Axialní kompresor se skládá z více stupňů, každý stupeň obsahuje řadu rotorových listů a následující řadu statorových listů. Rotor je pracovními listy a kolem, stator je průvodcem. Vzduch je nejprve akcelerován rotorovými listy, pak zpomalen a stlačen v kanálech statorových listů a tento proces je opakovaný v multi-stupňových lopatkách dokud celkový poměr tlaku nedosáhne požadované úrovně. Axialní kompresor má malý průměr, což usnadňuje jeho použití v multi-stupňovém režimu pro dosažení vyššího poměru tlaku.   

Turbínové motory s výfukem obvykle používají poměr obehu, poměr tlaku motoru, teplotu vstupu do turbiny a poměr tlaku vánoc jako parametry návrhu:

Poměr obehu (BPR): Poměr hmotnosti plynu proudícího přes výfukové trubky k hmotnosti plynu proudícího přes vnitřní trubky motoru. Rotor uprostřed turbojetového motoru se obvykle nazývá nízkonápravní kompresor, zatímco rotor uprostřed turbovánocového motoru se obvykle nazývá vánoc. Tlačený plyn procházející nízkonápravním kompresorem prochází všemi částmi turbojetového motoru; plyn procházející vánocemi je rozdělen do vnitřních a vnějších trubek. Od vzniku turbovánocových motorů se BPR neustále zvyšuje, a tento trend je zvláště patrný u civilních turbovánocových motorů.

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

Teplota vstupního otvoru turbíny: Teplota výfukových plynů z palivové komory při vstupu do turbíny.

Stupeň stlačení vějíře: Také označovaný jako stupeň stlačení, poměr tlaku plynu na výstupu kompresoru k tlaku plynu na vstupu.

Dvě účinnosti:

Tepelná účinnost: Míra, jak účinně motor převádí teplotní energii vygenerovanou spalováním na mechanickou energii.

Pohonová účinnost: Míra, jaká část mechanické energie vygenerované motorem je použita k pohybu letadla.

2 Vývoj listů turbíny

Iterační vývoj

Použijeme-li jako příklad turboduchý motor, tak podíl hodnoty listů dosahuje až 35 % a jsou to klíčové součásti při výrobě letadlových motorů. V motorech se nachází 3 000 až 4 000 leteckých lopatek, které lze rozdělit do tří kategorií: ventilátorové lopatky, kompresní lopatky a turbinové lopatky. Nejvyšší hodnota má turbinových lopatek, která dosahuje 63 %. Zároveň patří mezi lopatky s nejvyšší náročností na výrobu a nejvyššími náklady v turboduchých motorech [2].

V 70. letech byly Spojené státy první, kdo použil směrově ztuhlé lopatky PWA1422 v vojenských i civilních letadlových motech.

Po 80. letech se poměr tahu k hmotnosti třetí generace motoru zvýšil na více než 8 a turbinové listy začaly používat první generaci materiálů SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 a čínské DD3. Jejich teplotní odolnost je o 80K vyšší než u nejlepšího směrového tuhnutí vysoko temperační slitiny PWA1422. Výhody. Spojením s filmovou chlazením jednoúrovňové duté technologií dosáhne teplota turbinových lopatek 1600–1750K.

Čtvrtá generace turboventilového motoru používá druhou generaci materiálů SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 a DD6. Přidáním prvků Re a víceúrovňovou vysokotlakou vzduchovou chladicí technologií dosáhne teplota turbinových lopatek 1800K–2000K. V teplotě 2000K a po 100 hodinách je trvanlivost 140MPa.

Třetí generace SX vyvinutá po 90. letech zahrnuje modely RenéN6, CMRX-10 a DD9, které mají výrazné výhody v odolnosti proti plazení ve srovnání se druhou generací SX. Díky ochraně komplexními chladičovými kanály a tepelnými bariérovými nátěry může snášet teplotu na vstupu do turbíny dosahující 3000K. Mezikovová slitina použitá ve vanících dosahuje 2200K a trvanlivost po 100 hodinách je 100MPa.

V současnosti se vyvíjí čtvrtá generace SX reprezentovaná modelem MC-NG[4], TMS-138 atd., a pátá generace SX reprezentovaná modelem TMS-162 atd. Jejich složení je charakterizováno přidáním nových vzácných zemín jako jsou Ru a Pt, což významně zlepšuje vysokoteplotní odolnost proti plazení u SX. Pracovní teplota páté generace vysokoteplotních slitin dosáhla 1150°C, což je blízko teoretickému limitnímu provoznímu teplotnímu úrovni 1226°C.

3 Vývoj niklových jednkovinových super slitin

3.1 Charakteristiky složení a fázová složba niklových jednofázových kovů

Podle typu maticových prvků lze vysokoteplotné slitiny rozdělit na železobazované, niklobazované a kobaltbazované, dále pak podle makrostruktury na litné, kovárenské a práškové metalurgie. Niklové slitiny mají lepší vysokoteplotní vlastnosti než obě ostatní skupiny vysokoteplotných slitin a mohou pracovat dlouhou dobu v náročném vysokoteplotním prostředí.

Nickelové vysokoteplotné slitiny obsahují alespoň 50 % Ni. Jejich FCC struktura je velmi kompatibilní s některými dopadovanými prvky. Počet dopadovaných prvků přidaných během procesu návrhu často překračuje 10. Společnost dopadovaných prvků je tříděna následovně: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo a W jsou prvky první třídy, které slouží jako stabilizátory austenitu; (2) Al, Ti, Ta a Nb mají větší atomové poloměry, což podporuje tvorbu posilovacích fází, jako je sloučenina Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), a jsou to prvky druhé třídy; (3) B, C a Zr jsou prvky třetí třídy. Jejich atomová velikost je mnohem menší než u Ni atomů a snadno se segregují na hranice zrn γ fáze, kde sehrávají roli v posilování hranic zrn [14].

Fáze nickelových jednofázových vysokoteplotných slitin jsou převážně: γ fáze, γ' fáze, karbidová fáze a topologicky hustě balená fáze (TCP fáze).

Fáze γ: Fáze γ je austenitní fáze s krystalovou strukturou FCC, která je pevným řešením tvořeným prvkem jako Cr, Mo, Co, W a Re disovanými v niklu.

Fáze γ': Fáze γ' je mezikovová sloučenina Ni3(Al, Ti) s FCC, která vzniká jako sedimentační fáze a udržuje určitou kohézi a neshodu s maticovou fází. Je bohatá na prvky jako Al, Ti, Ta a další.

Karbidová fáze: Od druhé generace niklových SX se přidává malé množství C, což způsobuje vznik karbidů. Malé množství karbidů je rozptýleno v matrici, čímž se zlepšuje vysokoteplotní vlastnosti slitiny v určité míře. Obvykle se dělí na tři typy: MC, M23C6 a M6C.

TCP fáze: V případě stárnutí materiálu přehnané slitinové prvky, jako jsou Cr, Mo, W a Re, podporují výskyt TCP fáze. TCP se obvykle tvoří ve tvaru desky. Struktura desky má negativní dopad na kovovost, plazmování a vlastnosti únavy. TCP fáze je jednou zdrojů trhlin při plazmovém prasknutí.

Mechanismus posilňování

Síla niklových super slitin pochází z kombinace více mechanismů posilňování, včetně posilňování rozpustnou slitinou, krystalickým posilňováním a tepelným zpracováním, které zvyšuje hustotu dislokací a vyvíjí substrukturu dislokací pro posilňování.

Posilňování rozpustnou slitinou spočívá v zvýšení základní síly přidáním různých rozpouštěných prvků, včetně Cr, W, Co, Mo, Re a Ru.

Různé atomové poloměry způsobují určitou míru deformace atomové mřížky, což brání pohybu dislokací. Posilňování rozpustnou slitinou roste s rozdílem v atomové velikosti.

Posilování pevnou fází má také za následek snížení energie zásobníkových chyb (SFE), především inhibice křížového posuvu dislokací, což je hlavní režim deformace neideálních krystalů při vysokých teplotách.

Atomičné shluky nebo mikrostruktury krátkodobého pořádku jsou dalším mechanismem, který pomáhá dosáhnout posilování prostřednictvím pevné fáze. Atomy Re se ve SX segregují v oblasti tahového stresu jádra dislokace na rozhraní γ/γ', tvoříce "Cottrellovu atmosféru", která účinně brání pohybu dislokací a šíření trhlin. (Roztokové atomy se koncentrují v oblasti tahového stresu okrajových dislokací, snižují distorzi sítě, tvoří Coriolisovu plynovou strukturu a vyvolávají silný efekt posilování pevnou fází. Tento efekt roste s nárůstem koncentrace roztokových atomů a s nárůstem rozdílu ve velikosti.)

Re, W, Mo, Ru, Cr a Co účinně posilují fázi γ. Posilování disperzním řešením matrice γ hraje extrémně důležitou roli v trvalé pevnosti niklových vysokoteplotných slitin.

Efekt tvrdnutí výpary je ovlivněn objemovým zlomkem a velikostí fáze γ'. Cílem optimalizace složení vysokoteplotných slitin je především zvýšit objemový zlomek fáze γ' a vylepšit mechanické vlastnosti. SX vysokoteplotné slitiny mohou obsahovat 65% až 75% fáze γ', což vede k dobrému odolnosti proti plazmování. Toto představuje užitečný maximální hodnotu posilujícího efektu rozhraní γ/γ', dále zvyšování by vedlo k významnému poklesu síly. Odolnost proti plazmování vysokoteplotných slitin s vysokým objemovým zlomkem fáze γ' je ovlivněna velikostí částic fáze γ'. Když je velikost fáze γ' malá, dislokace se tendují vyhýbat kolem ní, což způsobuje snížení odolnosti proti plazmování. Když jsou dislokace nuceny prořezávat fázi γ', dosahuje odolnost proti plazmování svého maxima. S rostoucí velikostí částic fáze γ' se dislokace tendují ohýbat mezi nimi, což způsobuje snížení odolnosti proti plazmování [14].

Existují tři hlavní mechanizmy posilňování sráženinami:

Posilňování nesrovnalostí mřížky: Fáze γ’ je dispergována a sráží se v matrici fáze γ kohérentním způsobem. Obě mají FCC struktury. Nesrovnalost mřížky odráží stabilitu a stav napětí na kohérentní rozhraní mezi oběma fázemi. Nejlepší případ je, že matice a srážená fáze mají stejnou krystalovou strukturu a parametry mřížky stejné geometrie, aby se do fáze γ dalo zaplnit více srážených fází. Rozsah nesrovnalosti u niklových vysokoteplotných slitin je 0~±1%. Re a Ru jsou zjevně segregovány s fází γ. Zvýšení Re a Ru zvyšuje nesrovnalost mřížky.

Posilňování uspořádáním: Přeřezání dislokací způsobí neuspořádanost mezi maticí a sráženou fází, což vyžaduje více energie.

Mechanism obcházení dislokací: označovaný jako Orowanův mechanismus (Orowanovo obloukování), je to zpevnňující mechanismus, při němž fáze vytvářená v kovové matrici brání pohybu dislokací. Základní princip: Když se pohybující dislokace setká s částicí, nemůže ji projít a místo toho ji obejde, co způsobuje růst dislokační linie a potřebnou pohonovou sílu, která se zvyšuje, čímž dochází ke zpevnění.

3.3 Vývoj metod lihování vysokoteplotných slitin

Nejstarší slitina používaná v vysokoteplotném prostředí sahá zpět k vynalezení nichromu v roce 1906. Vznik turbo kompresorů a plynových turbínových motorů podpořil rozsáhlý vývoj slitin pro vysoké teploty. Lopatky první generace plynových turbínových motorů byly vyrobeny extruzí a kováním, což samozřejmě mělo omezení dané tou dobou. V současnosti jsou lopatky z vysokoteplotních slitin vyráběny převážně investičním litím, konkrétně směrovým tuhnutím (DS). Metoda DS byla poprvé vynalezena týmem Versnyder v společnosti Pratt & Whitney v USA v 70. letech [3]. Během desetiletí vývoje se preferovaný materiál pro lopatky změnil od rovnoměrných krystalů na sloupkové krystaly a dále byl optimalizován na jedinokrystalové materiály vysokoteplotních slitin.

DS technologie se používá k výrobě sloupcovitých jádrových slitin SX, což významně zvyšuje vytahovitost a odolnost vysokoteplotných slitin proti tepelnému šoku. DS technologie zajistí, aby vyráběné sloupcovité krystaly měly orientaci [001], která je rovnoběžná s hlavní stresovou osou součástky, nikoli s náhodnou krystalickou orientací. Zásadně musí DS zajistit, aby se solidifikace tekutého kovu při lití prováděla tak, aby dodávaný kov byl vždy ve stavu právě ztuhlém.

Lití sloupcovitých krystalů musí splňovat dvě podmínky: (1) Jednosměrný proud tepla zajistí, aby rozhraní pevná-faze u růstu zrnek postupovalo v jednom směru; (2) Před pohybem rozhraní pevná-faze nesmí dojít k vzniku jader.

Protože zlom ostří obvykle nastává ve vysokoteplotním slabině na hranici zrnek, používá se během procesu směrového tuhnutí formou s „výběrem zrn“. Rozměry průřezu této struktury jsou blízké velikosti zrn, takže do formovací dutiny odlitku pronikne pouze jedno optimálně rostoucí zrno, které poté dále roste jako jediné krystalové zrno až do momentu, kdy celé ostří tvoří jediné zrno.

Výběr krystalu lze rozdělit na dvě části: startovací blok a spirálu:

Na začátku procesu DS se v oblasti spodní části výchozího bloku začínají vytvářet zrnité jádra. V počáteční fázi růstu zrnek je jejich počet velký, velikost malá a orientační rozdíly jsou významné. Dominuje soutěživé chování mezi jednotlivými zrnky, zatímco geometrický blokující efekt boční stěny je slabý. V tomto okamžiku je účinek optimalizace orientace zjevný; když výška zrn v rámci výchozího bloku roste, počet zrn klesá, velikost vzrůstá a orientace se přibližuje. Soutěživé chování mezi zrnky klesá, zatímco geometrický blokující efekt boční stěny dominuje, což zajišťuje, že směr krystalu může být neustále optimalizován, ale účinek optimalizace orientace slábne. Snížením poloměru výchozího bloku a zvýšením jeho výšky lze efektivně optimalizovat orientaci zrn vstupujících do spirálové sekce. Nicméně, zvýšení délky výchozího bloku zkrátí efektivní růstový prostor litiny a ovlivní produkční cyklus a náklady na přípravu. Proto je třeba rozumně navrhnout geometrickou strukturu podložky.

Hlavní funkcí spirály je efektivně vybírat jednoduché krystaly, zatímco schopnost optimalizovat orientaci vloček je slabá. Při provádění procesu DS ve spirále poskytuje zakřivený kanál prostor pro růst větvících se dendritů a sekundární dendrity vloček postupují v směru teplotní linie kapalné fáze. Vločky mají silnou tendenci k laterálnímu rozvoji a jejich orientace je v kolísavém stavu, s malým účinkem optimalizace. Proto volba vloček ve spirále závisí hlavně na geometrické omezení, výhodě soutěžního růstu a prostorové expanzi vloček v segmentu spirály [7], místo na růstu výhody preferované orientace vloček, což má silnou náhodnost [6]. Proto hlavním důvodem neúspěchu při výběru krystalů je, že spirála nedokáže splnit roli výběru jednotlivých krystalů. Zvýšením vnějšího průměru spirály, snížením šroubovice, průměru povrchu spirály a snížením počátečního úhlu lze výrazně zlepšit účinek výběru krystalů.

Příprava dutých jednovrstvých krystalických turbínových listů vyžaduje více než tucet kroků (tavení materiálové slitiny, příprava jednovrstvého krystalického membránového obalu, příprava keramického jádra složité konfigurace, tavení slitinou, směrové tuhnutí, tepelné zpracování, povrchové zpracování, příprava tepelné bariéry na nanesení atd.). Složitý proces je náchylný ke různým defektům, jako jsou cizí vločky, skvrny, maloúhlé hranice vloček, pruhové krystaly, odchylka orientace, rekristalizace, velkoúhlé hranice vloček a selhání výběru krystalu.