Da ydelseskravene til fly til transport, militær, produktion og andre formål steg, kunne de tidligste pistonymfer ikke længere opfylde behovet for højhastighedsflyvning. Derfor blev gas turbine motorer gradvist mainstream siden 1950'erne.
I 1928 påpegede Sir Frank Whittle fra Storbritannien i sin afsluttende afhandling "Future Development in Aircraft Design", mens han studerede på militærakademi, at under den tekniske viden på den tid ville fremtidens udvikling af propellermotorer ikke kunne opfylde behovene for højdeflugt eller flyvehastigheder over 800 km/h. Han fremlagde førstgangs ideen om det, der nu kaldes en strålemotor (motor engine): komprimeret luft leveres til forbreningskammeret (combustion) via en traditionel piston, og den højtemperaturige gas, der dannes, bruges direkte til at føre flyvet, hvilket kan ses som en kombination af en propellermotor og et forbreningskammerdesign. I senere forskning gav han op med idéen om at bruge en tung og ueffektiv piston og foreslog i stedet at bruge en turbine (turbine) til at levere komprimeret luft til forbreningskammeret, og turbinens kraft blev hentet fra den højtemperaturige udstødningsgas. I 1930 ansøgte Whittle om en patent, og i 1937 udviklede han verdens første centrifugalmotorstrålejet, som blev officielt indført på Gloster E.28/39-flyvemaskine i 1941. Siden da har gas-turbinemotorer dominerede luftfartskraft og er et vigtigt symbol på et lands videnskabelige og teknologiske industriel niveau samt dets samlede nationale styrke.
Flymotorer kan opdeles i fire grundlæggende typer efter deres anvendelser og strukturelle karakteristika: turbojet-motorer, turbofan-motorer, turboshaft-motorer og turboprop-motorer:
Luftfartsgasturbine-motorer omtales som turbojet-motorer, som er de ældste gasturbine-motorer, der blev brugt. Set fra synspunktet for, hvordan trækken genereres, er turbojet-motorer de enkleste og direkteste motorer. Ræsonnementet bygger på reaktionskraften, der genereres af den højhastighedsindsprøjting af vorticen. Dog tager den højhastigheds luftstrøm meget varme og kinetisk energi med, hvilket forårsager store energitab.
Turbofan-motoren deler luftstrømmen, der flyder ind i motoren, op i to veje: den indre rørledning og den ydre rørledning, hvilket øger den totale luftgennemstrømning og reducerer udstyrtemperaturen og hastigheden af den indre rørledningsluftstrøm.
Turboskru- og turboprop-motorer genererer ikke træk ved luftstrømningsspritning, så udstedstemperaturen og hastigheden er meget reduceret, termisk effektivitet er relativt høj, og motorens brændstofforbrug er lavt, hvilket gør det egnet til langdistancen fly. Skruehastigheden ændrer sig normalt ikke, og forskellige træksstyrker opnås ved at justere bladvinklen.
Propfan-motoren er en motor mellem turboprop og turbofan-motorer. Den kan inddeles i propfan-motorer med strømningsledninger omkring skruebladene og propfan-motorer uden strømningsledninger omkring skruebladene. Propfan-motoren er den mest konkurrencedygtige nye energibesparende motor, der er egnet til subsonisk flyvning.
Civil aerospace motors har gennemgået mere end halv et århundrede af udvikling. Motorens struktur er udviklet fra de tidlige centrifugalturbine-motorer til den enkeltrotor-aksialstrømende motor, fra to-rotor-turbojet-motoren til den turbofan-motor med lav bypassforhold, og derefter til den turbofan-motor med høj bypassforhold. Strukturen er kontinuerligt blevet optimeret i forfølgelse af effektivitet og pålidelighed. Turbinindgangstemperaturen var kun 1200-1300K i den første generation af turbojet-motorer i 1940'erne og 1950'erne. Den øgede med omkring 200K med hver flyopgradering. Til 1980'erne nåede turbinindgangstemperaturen i den fjerde generation af avancerede jagerfly op til 1800-2000K[1].
Princippet for centrifugalkompressor er, at imelredskabet driver gas til at rotere med høj hastighed, så gas opstår en centrifugalkraft. På grund af udvidelsestrykket i imelredskabet øges både gassens hastighed og tryk efter at være gået igennem imelredskabet, hvilket resulterer i kontinuerligt produceret komprimeret luft. Den har en kort aksetimension og et højt enkelttrins trykforskydning. En akseflow-luftkompressor er en kompressor, hvor luftstrømmen løber i væsentlig grad parallel med aksen af den rotierende imel. Den akseflow-kompressor består af flere trin, hvor hvert trin indeholder en række rotorblad og en efterfølgende række statorblad. Rotoren er arbejdsbladene og hjulet, mens statoren er vejen. Luft accelereres først af rotorbladene, derefter decelereres og comprimeres i statorbladets kanal, og dette gentages i de mange trins blad indtil det totale trykforskydning når den påkrævede niveau. Den akseflow-kompressor har en lille diameter, hvilket gør den praktisk for flertydigt brug for at opnå et højere trykforskydning.
Turboprop motorer bruger normalt bypassforhold, motortryksforhold, turbineindgangstemperatur og fantryksforhold som designparametre:
Bypassforhold (BPR): Forholdet mellem massen af gas, der strømmer gennem udledningsrørne, og massen af gas, der strømmer gennem de indre rør i motoren. Rotorerne foran en turbopropmotor kaldes normalt den lave-trykskompressor, og rotorerne foran en turbopropmotor kaldes normalt fanen. Det trykt gas, der passerer gennem den lave-trykskompressor, passerer gennem alle dele af turbopropmotoren; det gas, der passerer gennem fanen, opdeles i indre og ydre rør. Siden opkomsten af turbopropmotorer har BPR været på vinen, og denne tendens er særlig tydelig i civile turbopropmotorer.
Motortryksforhold (EPR): Forholdet mellem den totale tryk ved udstedsmundingen og den totale tryk ved kompressorens indgang.
Turbineindgangstemperatur: Temperatur af kulstofkammerens udsted, når det indgår i turbinen.
Viftekompressionsforhold: Også kendt som kompressionsforhold, forholdet mellem gastrykket ved kompressorsuddannelsen og gastrykket ved indgangen.
To effektiviteter:
Termisk effektivitet: Et mål for, hvor effektivt en motor omformer varmeenergi fra forbrænding til mekanisk energi.
Fremdrivningseffektivitet: Et mål for andelen af den mekaniske energi, der genereres af motoren, der bruges til at føre flyet fremad.
I 1970'erne var USA de første til at anvende PWA1422 retningsbundne fastsættelsesblader i både militære og civile flymotorer.
Efter 1980'erne øgede forholdet mellem trækhævd og vægt for den tredje generations motor sig til mere end 8, og turbinebladene begyndte at bruge det første generations SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 og Kinas DD3. Dets temperaturbæringskapacitet er 80K højere end den bedste retningssolidificerede kastingshøjtemperaturspændering PWA1422. Fordele. Sammen med filmkjøligelsesteknologien med enkel kanal tomhed nåede turbinebladenes driftstemperatur 1600-1750K.
Den fjerde generations turbofanmotor bruger anden generations SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 og DD6. Ved at tilføje Re elementer og multi-kanal højtryks luftkjøligelsesteknologi når turbinebladernes driftstemperatur 1800K-2000K. Ved 2000K og 100 timers varighed er styrken på 140MPa.
Den tredje generation af SX, som blev udviklet efter 1990'erne, inkluderer RenéN6, CMRX-10 og DD9, som har meget klare fordeler med hensyn til krypestyrke i forhold til den anden generation af SX. Under beskyttelse af komplekse kølekanaler og varmebarrierelag kan den turbineindgangstemperatur, som de kan udholde, nå op til 3000K. Det intermetalliske sammensætningsalloy, der bruges i bladene, når op til 2200K, og den 100-timers varende styrke når op til 100MPa.
I øjeblikket er der under udvikling den fjerde generation af SX, repræsenteret af MC-NG[4], TMS-138 osv., og den femte generation af SX, repræsenteret af TMS-162 osv. Dets sammensætning karakteriseres ved tilføjelsen af nye sjældne jordstoffer såsom Ru og Pt, hvilket betydeligt forbedrer SX' højtemperaturskriveegenskaber. Arbejdstemperaturen for den femte generation af højtemperaturalloyer har nået 1150°C, hvilket er tæt på den teoretiske grænse for driftstemperatur på 1226°C.
3.1 Sætningskarakteristika og fasestruktur af nikelbaserede enkristal superlegemer
I følge typen af matrixelementer kan højtemperaturslege dele opdeles i jernbaserede, nikelbaserede og kobaltbaserede, og yderligere inddeles i kastninger, forgninger og pulvermetallurgiske makrostrukturer. Nikelbaserede legeringer har bedre højtemperaturydelse end de to andre typer af højtemperaturslege og kan arbejde i lang tid i strenge højtemperaturmiljøer.
Nikkelbaserede højtemperaturslagger indeholder mindst 50% Ni. Deres FCC-struktur gør dem meget kompatible med nogle legeringselementer. Antallet af legeringselementer, der tilføjes under designprocessen, overstiger ofte 10. De tilføjede legeringselementer klassificeres som følger: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo og W er førsteklasselementer, som fungerer som austenitstabiliserende elementer; (2) Al, Ti, Ta og Nb har større atomradius, hvilket fremmer oprettelsen af forsterkningsfaser såsom sammensætningen Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), og er andenklasselementer; (3) B, C og Zr er tredjeklasselementer. Deres atomsstørrelse er meget mindre end den af nikkelatomer, og de segregeres let til korngrænserne i γ-fasen, hvor de spiller en rolle ved korngrænseforsterkning [14].
Faserne i nikkelbaserede enkristallige højtemperaturslagger er hovedsagelig: γ-fase, γ'-fase, karbidfase og topologisk tæt pakket fase (TCP-fase).
γ-fase: γ-fase er en austenitfase med et kristallstruktur af FCC, som er en fast løsning dannet af elementer såsom Cr, Mo, Co, W og Re, der er opløst i nickel.
γ'-fase: γ'-fase er et Ni3(Al, Ti) intermetallisk forbindelse af FCC, som dannes som en nedbørsfase og opretholder en vis kohærens og mismatch med matrixfasen og indeholder højere koncentrationer af Al, Ti, Ta og andre elementer.
Carbidfase: Fra den anden generation af nikkelbaserede SX tilføjes der en lille mængde C, hvilket fører til optræden af carbider. En lille mængde carbider er fordelt i matrixen, hvilket forbedrer alleiansens højtemperaturydelse på et vis. Det indlettes normalt i tre typer: MC, M23C6 og M6C.
TCP-fase: Ved ældning af service forekommer, at for meget refraktære elementer såsom Cr, Mo, W og Re fremmer udvaskning af TCP-fase. TCP dannes typisk i form af en plade. Denne pladestruktur har en negativ indvirkning på ductilitet, krøb og træthedsegenskaber. TCP-fase er en af kildene til krøbbrud.
Forstærkningsmekanisme
Styrken i nikkelbaserede superlegeringer stammer fra kombinationen af flere forstærkningsmekanismer, herunder solidløsningsforstærkning, partikelforstærkning og varmebehandling for at øge dislokationsdensiteten og udvikle dislokationssubstruktur for at give forstærkning.
Solidløsningsforstærkning indebærer at forbedre den grundlæggende styrke ved at tilføje forskellige løselige elementer, herunder Cr, W, Co, Mo, Re og Ru.
De forskellige atomradiusser fører til en vis grad af atomgitterforvridning, hvilket hindrer dislokationsbevægelse. Solidløsningsforstærkningen øges med stigningen i atomsizedifferencen.
Fast løsningsforstærkning har også effekten at reducere stakingsfejlenergien (SFE), hovedsageligt ved at inhibere dislokationskrydsslip, som er den primære deformationsmekanisme for ikke-ideelle krystaller ved høj temperatur.
Atomkluster eller mikrostrukturer med kort rækkevidde er en anden mekanisme, der hjælper med at opnå forstærkning gennem fast løsning. Re-atomer i SX segregerer i trækstressområdet af dislokationskernen ved γ/γ’-grænsefladen, hvilket danner en "Cottrell atmosfære", der effektivt forhindreter dislokationsbevægelse og sprækudbredelse. (Løsningsatomer koncentreres i trækstressområdet af kantdislokationer, hvilket reducerer gitterforvridning, danner en Coriolis-gasstruktur og skaber en stærk effekt af fast løsningsforstærkning. Effekten øges med stigningen i koncentrationen af løsningsatomer og med stigningen i størrelsesforskel).
Re, W, Mo, Ru, Cr og Co forstærker effektivt den γ fase. Den substansieløsningsforstærkning af den γ matrix spiller en ekstremt vigtig rolle for krybefstyrken i nikelbaserede højtemperaturslip.
Effekten af precipitation hardening påvirkes af volumenfraktionen og størrelsen af γ'-fasen. Formålet med at optimere sammensætningen af højtemperaturskaer er hovedsagelig at øge volumenfraktionen af γ'-fasen og forbedre mekaniske egenskaber. SX-højtemperaturskaer kan indeholde 65%-75% af γ'-fasen, hvilket resulterer i god krybevne. Dette repræsenterer den nyttige maksimale værdi af styrkeffekten af γ/γ' grænseflade, og en yderligere forøgelse vil føre til en betydelig nedgang i styrke. Krybestanden for højtemperaturskaer med en høj γ'-fasevolumenfraktion påvirkes af størrelsen på γ'-fasepartiklerne. Når γ'-fasestørrelsen er lille, tenderer dislokationer til at klatre omkring dem, hvilket fører til en nedgang i krybestand. Når dislokationer tvinges til at skære igennem γ'-fasen, når krybestanden sin maksimum. Med stigende størrelse på γ'-fasepartiklerne tenderer dislokationer til at bue mellem dem, hvilket fører til en nedgang i krybestand [14].
Der er tre hovedmekanismer for nedbørshårdning:
Gittermismatch-hårdning: γ’-fase er fordelt og nedbørspræciperet i γ-fasematricen på en kohærent måde. Begge er FCC-strukturer. Gittermismatchen afspejler stabiliteten og spændingstilstanden af den kohærente grænse mellem de to faser. Den bedste situation er, at matricen og den præcipiterede fase har samme krystalstruktur og gitterparametre af samme geometri, således at flere præcipiterede faser kan udfyldes i γ-fasen. Mismatchområdet for nikelbaserede højtemperaturslip er 0~±1%. Re og Ru er tydeligt segmenteret med γ-fasen. Øgningen af Re og Ru øger gittermismatchen.
Ordrehårdning: Dislokationsskæring vil forårsage usorden mellem matricen og den præcipiterede fase, hvilket kræver mere energi
Forkastningsbypassmekanisme: kaldet Orowan-mekanisme (Orowan bue), det er en forstærkningsmekanisme, hvor den nedfaldne fase i metallatrix hindrer forkastningen i bevægelse fra at fortsætte med at bevæge sig. Grundlæggende princip: Når den bevægende forkastning møder et partikkel, kan den ikke gå igennem, hvilket resulterer i bypass adfærd, vækst i forkastningslinje og den påkrævede drivkraft øges, hvilket resulterer i en forstærknings effekt.
3.3 Udvikling af højtemperatursmagtsmetoder
Den tidligste legering, der blev brugt i højtemperatursmiljøer, kan spores tilbage til opfindelsen af Nichrome i 1906. Udviklingen af turbokompressorer og gasturbinedrejningerne stimulerede den betydelige udvikling af højtemperaturslegeringer. De første generations gasturbinedrejninger blev produceret ved ekstrusion og forgning, hvilket tydeligvis havde tidsperiodens begrænsninger. I dag er de fleste højtemperaturslegeringsdrejninger fremstillet ved investmentskiving, specifikt retningsbundet fastsættelse (DS). DS-metoden blev først opfundet af Versnyder-gruppen hos Pratt & Whitney i USA i 1970'erne [3]. Gennem årtier af udvikling har den foretrukne materiale for drejninger skiftet fra ligevoksede krystaller til søjlekrystaller og derefter optimeret til enkeltkrystalhøjtemperaturslegeringsmaterialer.
DS-teknologien bruges til at producere søjleformet kernealloy SX-komponenter, hvilket betydeligt forbedrer ductiliteten og varmeudholdelsesevnen af højtemperaturskifter. DS-teknologien sikrer, at de producerede søjleformede krystaller har en [001]-retning, hvilket er parallel med delens primære spændingsakse, i stedet for en tilfældig kristallisationsretning. I princippet skal DS sikre, at solidificeringen af smeltmetallen under formgivningen foregår med den flydende fodermetal altid i et lige-solidificeret tilstand.
Formgivningen af søjlekrystaller skal opfylde to betingelser: (1) Envejsvarmeledning sikrer, at fast-væskegrænsefladen ved vækstpunktet for kornet bevæger sig i én retning; (2) Der må ikke ske nogen kristallisationsprocesser foran bevægelsesretningen af fast-væskegrænsefladen.
Da bruddet af bladet normalt forekommer i den højtemperaturuede svage struktur ved korngrænserne, bruges under den retlinet fastsættelsesproces en fastsættelsesform med en "kornvælger"-struktur for at eliminere korngrænserne. Den tversektionelle størrelse af denne struktur er nær kornstørrelsen, så kun et enkelt optimalt voksende korn går ind i formhulen af affyretningen og derefter fortsætter med at vokse i form af et enkeltkristal, indtil hele bladet består af kun ét korn.
Kornvælgeren kan opdeles i to dele: startblokken og spiralen:
Lige fra begyndelsen af DS-processen begynder kornene at nucleere nederst i startblokken. I den tidlige fase af kornvækst er antallet stort, størrelsen lille, og orienteringsforskellen stor. Konkurrencemæssig vækst mellem kornene dominerer, mens geometrisk blokeringsvirkning fra siderne er svag. På dette tidspunkt er orienteringsoptimeringsvirkningen tydelig; når højden på kornene i startblokken øges, aftager antallet af korn, størrelsen vokser, og orienteringen nærmer sig hinanden. Konkurrencemæssig vækst mellem kornene aftager, mens geometrisk blokeringsvirkning fra siderne dominerer, hvilket sikrer, at krystalretningen kontinuerligt kan optimiseres, men orienteringsoptimeringsvirkningen svækkes. Ved at reducere radiusen på startblokken og øge højden på startblokken kan orienteringen af kornene, der indgår i spiralafsnittet, effektivt optimeres. Dog vil en forlængelse af startblokken forkorte den effektive vækstplads for affyren og medføre en produktionstid og forberedelseskostnad. Derfor er det nødvendigt at designe substratets geometriske struktur rimeligt.
Den vigtigste funktion af spiralen er at effektivt vælge enkeltkristaller, og evne til at optimere kornretningen er svag. Når DS-processen udføres i en spiral, giver den krøllede kanal plads til vækst af dendritiske grene, og de sekundære dendriter i kornene bevæger sig i retningen af den flydende linje. Kornene har en stærk tendens til lateral udvikling, og orienteringen af kornene er i et fluktuering tilstand, med en svag optimeringsvirkning. Derfor afhænger kornvalg i spiralen hovedsagelig af geometrisk begrænsningsfordel, konkurrencemæssig vækstfordel og rumlig udvidelsesfordel for kornene i spiralsegmentet [7], i stedet for vækstfordelen ved den foretrukne orientering af kornene, som har en stor tilfældighed [6]. Derfor er den primære årsag til mislykkedes kristalvalg, at spiralen ikke spiller sin rolle ved valg af enkeltkristaller. Ved at øge den ydre diameter af spiralen, reducere trinethøjden, diameteren af spiralfladen og reducere startvinklen, kan kristalvalgeffekten forbedres betydeligt.
Forberedelsen af hule enkristallurfabrikater kræver flere end et dusin trin (smagning af masteralloy, forberedelse af enkristallagt membranform, forberedelse af keramisk kernen med kompleks konfiguration, smeltestyrt formgivning, retningssolidificering, varmebehandling, overfladebehandling, forberedelse af termisk barriereoverflade osv.). Den komplekse proces er underlagt forskellige fejl, såsom vildkorn, frækler, småvinkelskæringer, strikkekrystaller, orienteringsafvigelse, omkristallurering, storevinkelskæringer og mislykket krystalvalg.
Nyheder2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vores professionelle salgsteam venter på din henvendelse.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
