Da præstationskravene til fly til transport, militær, produktion og andre formål steg, kunne de tidligste stempelmotorer ikke længere opfylde behovene for højhastighedsflyvning. Derfor er gasturbinemotorer siden 1950'erne gradvist blevet mainstream.
I 1928 påpegede Sir Frank Whittle fra Det Forenede Kongerige i sin afgangsafhandling "Future Development in Aircraft Design", mens han studerede på militærakademiet, at under den tekniske viden på det tidspunkt kunne den fremtidige udvikling af propelmotorer ikke tilpasse sig behovene i stor højde eller flyvehastigheder over 800 km/t. Han foreslog først konceptet med det, der nu kaldes en jetmotor (motormotor): komprimeret luft tilføres forbrændingskammeret (forbrænding) gennem et traditionelt stempel, og den højtemperaturgas, der genereres, bruges direkte til at fremdrive flyvningen, som kan betragtes som en propelmotor plus et forbrændingskammerdesign. I efterfølgende forskning opgav han ideen om at bruge et tungt og ineffektivt stempel og foreslog at bruge en turbine (turbine) til at levere komprimeret luft til forbrændingskammeret, og turbinens kraft blev opnået fra højtemperaturudstødningsgassen. I 1930 søgte Whittle om patent, og i 1937 udviklede han verdens første centrifugal turbojetmotor, som officielt blev brugt i Gloster E.28/39 flyet i 1941. Siden da har gasturbinemotorer domineret flykraften og er bl.a. et vigtigt symbol på et lands videnskabelige og teknologiske industrielle niveau og omfattende nationale styrke.
Flymotorer kan opdeles i fire grundlæggende typer i henhold til deres anvendelser og strukturelle karakteristika: turbojetmotorer, turbofanmotorer, turboakselmotorer og turbopropmotorer:
Luftfartsgasturbinemotorer omtales som turbojetmotorer, som er de tidligste brugte gasturbinemotorer. Fra perspektivet af den måde, hvorpå fremstød genereres, er turbojetmotorer de enkleste og mest direkte motorer. Begrundelsen bygger på reaktionskraften, der genereres af højhastighedsindsprøjtningen af hvirvelen. Den højhastighedsluftstrøm fjerner dog en masse varme og kinetisk energi på samme tid, hvilket forårsager stort energitab.
Turbofanmotoren opdeler luften, der strømmer ind i motoren, i to baner: den indre kanal og den ydre kanal, hvilket øger den samlede luftstrøm og reducerer udstødningstemperaturen og hastigheden af den indre kanalluftstrøm.
Turboaksel- og turbopropmotorer genererer ikke tryk ved luftstrømsindsprøjtning, så udstødningstemperaturen og -hastigheden reduceres kraftigt, den termiske effektivitet er relativt høj, og motorens brændstofforbrug er lavt, hvilket er velegnet til langdistancefly. Propellens hastighed ændres generelt ikke, og forskellige tryk opnås ved at justere vinklen.
Propfanmotoren er en motor mellem turboprop- og turbofanmotorer. Den kan opdeles i propfanmotorer med kanalpropelhuse og propfanmotorer uden kanalpropelhuse. Propfan-motoren er den mest konkurrencedygtige nye energibesparende motor, der er egnet til subsonisk flyvning.
Civile rumfartsmotorer har gennemgået mere end et halvt århundredes udvikling. Motorens struktur har udviklet sig fra den tidlige centrifugalturbinemotor til den aksiale motor med enkelt rotor, fra turbojetmotoren med to rotorer til turbofanmotoren med lavt bypassforhold og derefter til turbofanmotoren med højt bypassforhold. Strukturen er løbende blevet optimeret med jagten på effektivitet og pålidelighed. Turbinens indløbstemperatur var kun 1200-1300K i den første generation af turbojetmotorer i 1940'erne og 1950'erne. Det steg med omkring 200K med hver flyopgradering. I 1980'erne nåede turbineindløbstemperaturen på fjerde generations avancerede jagerfly 1800-2000K[1].
Princippet for centrifugalluftkompressor er, at pumpehjulet driver gassen til at rotere ved høj hastighed, så gassen genererer centrifugalkraft. På grund af gassens ekspansionstrykstrøm i løbehjulet øges strømningshastigheden og trykket af gassen efter passage gennem løbehjulet, og der produceres kontinuerligt trykluft. Den har en kort aksial dimension og et højt enkelt-trins trykforhold. Axialflow luftkompressor er en kompressor, hvor luftstrømmen stort set strømmer parallelt med det roterende pumpehjuls akse. Aksialflowkompressoren består af flere trin, hvert trin indeholder en række af rotorblade og en efterfølgende række af statorblade. Rotoren er arbejdsbladene og hjulet, og statoren er guiden. Luften accelereres først af rotorbladene, decelereres og komprimeres i statorbladskanalen og gentages i flertrinsvingerne, indtil det samlede trykforhold når det nødvendige niveau. Aksialflowkompressoren har en lille diameter, hvilket er praktisk til flertrins tandembrug for at opnå et højere trykforhold.
Turbofanmotorer bruger normalt bypassforhold, motortrykforhold, turbineindløbstemperatur og blæsertrykforhold som designparametre:
Bypass-forhold (BPR): Forholdet mellem massen af gas, der strømmer gennem udløbskanalerne, og massen af gas, der strømmer gennem de indre kanaler i motoren. Rotoren foran på en turbojetmotor kaldes normalt lavtrykskompressoren, og rotoren foran på en turbofanmotor kaldes normalt for ventilatoren. Den tryksatte gas, der passerer gennem lavtrykskompressoren, passerer gennem alle dele af turbojetmotoren; gassen, der passerer gennem ventilatoren, er opdelt i de indre og ydre kanaler. Siden fremkomsten af turbofanmotorer har BPR været stigende, og denne tendens er især tydelig i civile turbofanmotorer.
Motortrykforhold (EPR): Forholdet mellem det samlede tryk ved dyseudløbet og det samlede tryk ved kompressorens indløb.
Turbineindløbstemperatur: Temperaturen på forbrændingskammerets udstødning, når den kommer ind i turbinen.
Ventilatorkompressionsforhold: Også omtalt som kompressionsforhold, forholdet mellem gastrykket ved kompressorens udløb og gastrykket ved indløbet.
To effektivitetsgevinster:
Termisk effektivitet: Et mål for, hvor effektivt en motor omdanner den varmeenergi, der genereres ved forbrænding, til mekanisk energi.
Fremdrivningseffektivitet: Et mål for andelen af den mekaniske energi, der genereres af motoren, som bruges til at drive flyet.
I 1970'erne var USA de første til at bruge PWA1422 retningsbestemte størkningsblade i militære og civile flymotorer.
Efter 1980'erne steg trækkraft-til-vægt-forholdet for tredjegenerationsmotoren til mere end 8, og turbinebladene begyndte at bruge førstegenerations SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 og Kinas DD3. Dens temperaturbærende kapacitet er 80K højere end den for den bedste retningsbestemte størkningsstøbning højtemperaturlegering PWA1422. Fordele. Sammen med filmkølende enkeltkanals hulteknologi når turbinebladenes driftstemperatur 1600-1750K. .
Fjerde generation af turbofanmotor bruger anden generation af SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 og DD6. Ved at tilføje Re-elementer og flerkanals højtryksluftkølingsteknologi når turbinevingernes driftstemperatur 1800K-2000K. Ved 2000K og 100h Den varige styrke når 140MPa.
Den tredje generation af SX udviklet efter 1990'erne inkluderer RenéN6, CMRX-10 og DD9, som har meget åbenlyse krybestyrkefordele i forhold til anden generations SX. Under beskyttelse af komplekse kølekanaler og termiske barrierebelægninger når turbinens indløbstemperatur, den kan modstå, 3000K. Den intermetalliske sammensatte legering, der bruges i bladene, når 2200K, og den 100 timers varige styrke når 100MPa.
I øjeblikket er under udvikling fjerde generation af SX repræsenteret af MC-NG[4], TMS-138 osv., og femte generation SX repræsenteret af TMS-162 osv. Dens sammensætning er kendetegnet ved tilføjelsen af nye sjældne jordarters elementer som f.eks. som Ru og Pt, hvilket væsentligt forbedrer SX's krybeydelse ved høje temperaturer. Arbejdstemperaturen for den femte generations højtemperaturlegering har nået 1150°C, hvilket er tæt på den teoretiske grænse for driftstemperatur på 1226°C.
3.1 Sammensætningskarakteristika og fasesammensætning af nikkelbaserede enkeltkrystalsuperlegeringer
I henhold til typen af matrixelementer kan højtemperaturlegeringer opdeles i jernbaserede, nikkelbaserede og koboltbaserede og yderligere opdeles i støbning, smedning og pulvermetallurgi-makrostrukturer. Nikkelbaserede legeringer har bedre højtemperatur-ydeevne end de to andre typer højtemperaturlegeringer og kan arbejde i lang tid i barske højtemperaturmiljøer.
Nikkelbaserede højtemperaturlegeringer indeholder mindst 50 % Ni. Deres FCC-struktur gør dem yderst kompatible med nogle legeringselementer. Antallet af legeringselementer tilføjet under designprocessen overstiger ofte 10. Fællesskabet for de tilføjede legeringselementer er klassificeret som følger: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo og W er førsteklasses elementer , der tjener som austenitstabiliserende elementer; (2) Al, Ti, Ta og Nb har større atomradier, som fremmer dannelsen af forstærkningsfaser såsom forbindelse Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), og er andenklasses grundstoffer; (3) B, C og Zr er tredjeklasses elementer. Deres atomstørrelse er meget mindre end Ni-atomernes, og de adskilles let til γ-fasens korngrænser, hvilket spiller en rolle i styrkelsen af korngrænsen [14].
Faserne af nikkelbaserede enkeltkrystal højtemperaturlegeringer er hovedsageligt: γ-fase, γ'-fase, karbidfase og topologisk tætpakket fase (TCP-fase).
γ-fase: γ-fase er en austenitfase med en krystalstruktur af FCC, som er en fast opløsning dannet af grundstoffer som Cr, Mo, Co, W og Re opløst i nikkel.
γ' fase: γ' fase er en Ni3(Al, Ti) intermetallisk forbindelse af FCC, som dannes som en udfældningsfase og opretholder en vis sammenhæng og mismatch med matrixfasen og er rig på Al, Ti, Ta og andre elementer.
Karbidfase: Fra anden generation af nikkelbaseret SX tilsættes en lille mængde C, hvilket resulterer i fremkomsten af karbider. En lille mængde karbider er spredt i matrixen, hvilket forbedrer legeringens højtemperaturydelse til en vis grad. Det er generelt opdelt i tre typer: MC, M23C6 og M6C.
TCP-fase: I tilfælde af serviceældning fremmer overdreven ildfaste elementer såsom Cr, Mo, W og Re udfældningen af TCP-fasen. TCP er normalt dannet i form af en plade. Pladestrukturen har en negativ indvirkning på duktilitet, krybning og træthedsegenskaber. TCP-fasen er en af sprækkekilderne til krybningsbrud.
Forstærkende mekanisme
Styrken af nikkel-baserede superlegeringer kommer fra koblingen af flere hærdningsmekanismer, herunder forstærkning af fast opløsning, forstærkning af nedbør og varmebehandling for at øge dislokationstætheden og udvikle dislokationsunderstrukturen for at give forstærkning.
Fast opløsning hærdning er at forbedre den grundlæggende styrke ved at tilføje forskellige opløselige elementer, herunder Cr, W, Co, Mo, Re og Ru.
De forskellige atomradius fører til en vis grad af atomgitterforvrængning, som hæmmer dislokationsbevægelse. Forstærkning af fast opløsning øges med stigningen i atomstørrelsesforskellen.
Forstærkning af fast opløsning har også den effekt, at den reducerer stablingsfejlenergien (SFE), hvilket hovedsageligt hæmmer dislokations-krydslip, som er den vigtigste deformationstilstand for ikke-ideelle krystaller ved høje temperaturer.
Atomklynger eller mikrostrukturer med kort rækkevidde er en anden mekanisme, der hjælper med at opnå styrkelse gennem fast opløsning. Re-atomer i SX adskiller sig i trækspændingsområdet af dislokationskernen ved γ/γ'-grænsefladen og danner en "Cottrell-atmosfære", som effektivt forhindrer dislokationsbevægelse og sprækkeudbredelse. (Opløste atomer er koncentreret i trækspændingsområdet ved kantforskydninger, hvilket reducerer gitterforvrængning, danner en Coriolis-gasstruktur og frembringer en stærk styrkende effekt af fast opløsning. Effekten øges med stigningen i koncentrationen af opløste atomer og stigningen i størrelse forskel)
Re, W, Mo, Ru, Cr og Co styrker effektivt γ-fasen. Den faste opløsningsstyrkelse af γ-matricen spiller en ekstremt vigtig rolle i krybestyrken af nikkelbaserede højtemperaturlegeringer.
Udfældningshærdningseffekten påvirkes af volumenfraktionen og størrelsen af γ'-fasen. Formålet med at optimere sammensætningen af højtemperaturlegeringer er hovedsageligt at øge volumenfraktionen af γ'-fasen og forbedre de mekaniske egenskaber. SX højtemperaturlegeringer kan indeholde 65%-75% af γ'-fasen, hvilket resulterer i god krybestyrke. Dette repræsenterer den nyttige maksimale værdi af forstærkningseffekten af γ/γ'-grænsefladen, og yderligere stigning vil føre til et betydeligt fald i styrke. Krybestyrken af højtemperaturlegeringer med en høj γ'-fasevolumenfraktion påvirkes af størrelsen af γ'-fasepartiklerne. Når γ'-fasestørrelsen er lille, har dislokationer en tendens til at klatre rundt om den, hvilket resulterer i et fald i krybestyrken. Når dislokationer tvinges til at skære γ'-fasen, når krybestyrken sit maksimum. Når partiklerne i γ'-fasen øges i størrelse, har dislokationer en tendens til at bøje mellem dem, hvilket resulterer i et fald i krybestyrken [14].
Der er tre hovedfældningsforstærkende mekanismer:
Forstærkning af gittermismatch: γ'-fasen dispergeres og udfældes i γ-fasematrixen på en sammenhængende måde. Begge er FCC-strukturer. Gittermismatchet afspejler stabiliteten og spændingstilstanden af den kohærente grænseflade mellem de to faser. Det bedste tilfælde er, at matrixen og den udfældede fase har samme krystalstruktur og gitterparametre med samme geometri, således at flere udfældede faser kan udfyldes i γ-fasen. Uoverensstemmelsesområdet for nikkelbaserede højtemperaturlegeringer er 0~±1%. Re og Ru er åbenlyst adskilt med y-fasen. Forøgelsen af Re og Ru øger gittermismatchen.
Ordrestyrkelse: Dislokationsskæring vil forårsage uorden mellem matrixen og den udfældede fase, hvilket kræver mere energi
Dislokationsbypass-mekanisme: kaldet Orowan-mekanisme (Orowan-bugning), det er en forstærkningsmekanisme, hvor den udfældede fase i metalmatricen forhindrer dislokationen i bevægelse i at fortsætte med at bevæge sig. Grundprincip: Når den bevægelige dislokation støder på en partikel, kan den ikke passere igennem, hvilket resulterer i bypass-adfærd, dislokationslinjevækst, og den nødvendige drivkraft øges, hvilket resulterer i en styrkende effekt.
3.3 Udvikling af højtemperatur legeringsstøbemetoder
Den tidligste legering brugt i højtemperaturmiljøer kan spores tilbage til opfindelsen af Nichrome i 1906. Fremkomsten af turbokompressorer og gasturbinemotorer stimulerede den betydelige udvikling af højtemperaturlegeringer. Vingerne på den første generation af gasturbinemotorer blev fremstillet ved ekstrudering og smedning, hvilket åbenbart havde tidens begrænsninger. På nuværende tidspunkt fremstilles højtemperaturlegerede turbinevinger for det meste ved investeringsstøbning, specifikt retningsbestemt størkning (DS). DS-metoden blev først opfundet af Versnyder-teamet fra Pratt & Whitney i USA i 1970'erne [3]. I årtiers udvikling har det foretrukne materiale til turbinevinger ændret sig fra ligeaksede krystaller til søjleformede krystaller og derefter optimeret til enkeltkrystal højtemperaturlegeringsmaterialer.
DS-teknologien bruges til at producere SX-komponenter af søjlekernelegering, som markant forbedrer duktiliteten og modstandsdygtigheden over for termisk stød af højtemperaturlegeringer. DS-teknologien sikrer, at de fremstillede søjlekrystaller har en [001] orientering, som er parallel med delens hovedspændingsakse, snarere end en tilfældig krystalorientering. DS skal i princippet sikre, at størkningen af det smeltede metal i støbningen udføres med det flydende fødemetal altid i en netop størknet tilstand.
Støbningen af søjleformede krystaller skal opfylde to betingelser: (1) Envejs varmestrøm sikrer, at faststof-væske-grænsefladen ved kornets vækstpunkt bevæger sig i én retning; (2) Der må ikke være nogen kernedannelse foran bevægelsesretningen af faststof-væske-grænsefladen.
Fordi bruddet på bladet sædvanligvis forekommer i den højtemperatursvage struktur af korngrænsen, for at eliminere korngrænsen, anvendes en størkningsform med en "kornvælger"-struktur under den retningsbestemte størkningsproces. Tværsnitsstørrelsen af denne struktur er tæt på kornstørrelsen, således at kun et enkelt optimalt dyrket korn kommer ind i støbeformens formhulrum og fortsætter med at vokse i form af en enkelt krystal, indtil hele klingen består af kun ét korn.
Krystalvælgeren kan opdeles i to dele: startblokken og spiralen:
I begyndelsen af DS-processen begynder kornene at danne kerne i bunden af startblokken. I det tidlige stadie af kornvækst er antallet stort, størrelsen lille, og orienteringsforskellen er stor. Den konkurrencedygtige vækstadfærd mellem kornene dominerer, og sidevæggens geometriske blokeringseffekt er svag. På dette tidspunkt er orienteringsoptimeringseffekten indlysende; når højden af kornene i startblokken stiger, falder antallet af korn, størrelsen øges, og orienteringen er tæt. Den konkurrencedygtige vækstadfærd mellem kornene aftager, og sidevæggens geometriske blokeringseffekt dominerer, hvilket sikrer, at krystalretningen løbende kan optimeres, men orienteringsoptimeringseffekten svækkes. Ved at reducere startblokkens radius og øge startblokkens højde kan orienteringen af kornene, der kommer ind i spiralsektionen, optimeres effektivt. En forøgelse af startblokkens længde vil dog forkorte støbningens effektive vækstrum og give dig en produktionscyklus og forberedelsesomkostninger. Derfor er det nødvendigt med rimelighed at designe den geometriske struktur af substratet.
Spiralens hovedfunktion er effektivt at udvælge enkeltkrystaller, og evnen til at optimere kornorienteringen er svag. Når DS-processen udføres i en spiral, giver den buede kanal plads til dendritgrenvækst, og kornenes sekundære dendritter rykker frem i retning af liquiduslinjen. Kornene har en stærk lateral udviklingstendens, og orienteringen af kornene er i en svingende tilstand med en svag optimeringseffekt. Derfor afhænger valget af korn i spiralen hovedsageligt af den geometriske begrænsningsfordel, konkurrencemæssige vækstfordel og rumlige ekspansionsfordel ved kornene i spiralsegmentet [7], snarere end vækstfordelen ved den foretrukne orientering af kornene, som har en stærk tilfældighed [6]. Derfor er hovedårsagen til fejlen i krystaludvælgelsen, at spiralen ikke spiller rollen som enkeltkrystaludvælgelse. Ved at øge den ydre diameter af spiralen, reducere stigningen, diameteren af spiraloverfladen og reducere startvinklen, kan krystaludvælgelseseffekten forbedres væsentligt.
Forberedelsen af hule enkeltkrystal turbineblade kræver mere end et dusin trin (hovedlegeringssmeltning, enkeltkrystalmembranskalforberedelse, kompleks konfiguration keramisk kerneforberedelse, smeltestøbning, retningsbestemt størkning, varmebehandling, overfladebehandling, forberedelse af termisk barrierebelægning osv. ). Den komplekse proces er tilbøjelig til forskellige defekter, såsom omstrejfende korn, fregner, småvinklede korngrænser, stribekrystaller, orienteringsafvigelse, omkrystallisation, korngrænser med store vinkler og krystaludvælgelsesfejl.
Hot News2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vores professionelle salgsteam venter på din konsultation.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
INGEN
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
