Πτερύγια στροβίλου μονοκρυστάλλου: μια τεχνολογική ανακάλυψη που ξεπερνά τα όρια υψηλών θερμοκρασιών Ελλάδα

1 Ανάπτυξη κινητήρων αεριοστροβίλων αεροσκαφών

Καθώς αυξάνονταν οι απαιτήσεις απόδοσης για αεροσκάφη για μεταφορά, στρατιωτικούς, παραγωγικούς και άλλους σκοπούς, οι πρώτοι κινητήρες με έμβολα δεν μπορούσαν πλέον να καλύψουν τις ανάγκες της πτήσης υψηλής ταχύτητας. Ως εκ τούτου, από τη δεκαετία του 1950, οι κινητήρες αεριοστροβίλων έγιναν σταδιακά mainstream.

Το 1928, ο Sir Frank Whittle του Ηνωμένου Βασιλείου επεσήμανε στην πτυχιακή του διατριβή "Future Development in Aircraft Design" ενώ σπούδαζε στη στρατιωτική ακαδημία ότι με βάση τις τεχνικές γνώσεις εκείνης της εποχής, η μελλοντική ανάπτυξη των κινητήρων έλικα δεν μπορούσε να προσαρμοστεί στις ανάγκες με μεγάλο ύψος ή ταχύτητες πτήσης που υπερβαίνουν τα 800 km/h. Πρώτα πρότεινε την ιδέα αυτού που σήμερα ονομάζεται κινητήρας τζετ (κινητήρας κινητήρα): ο πεπιεσμένος αέρας παρέχεται στον θάλαμο καύσης (καύση) μέσω ενός παραδοσιακού εμβόλου και το αέριο υψηλής θερμοκρασίας που παράγεται χρησιμοποιείται απευθείας για την προώθηση της πτήσης, το οποίο μπορεί να να θεωρηθεί ως έλικας συν ένα σχέδιο θαλάμου καύσης. Σε μετέπειτα έρευνα, εγκατέλειψε την ιδέα της χρήσης ενός βαριού και αναποτελεσματικού εμβόλου και πρότεινε τη χρήση ενός στροβίλου (τουρμπίνα) για την παροχή πεπιεσμένου αέρα στον θάλαμο καύσης και η ισχύς του στροβίλου προερχόταν από τα καυσαέρια υψηλής θερμοκρασίας. Το 1930, ο Whittle υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και το 1937, ανέπτυξε τον πρώτο φυγόκεντρο κινητήρα στροβιλοκινητήρα στον κόσμο, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε επίσημα στο αεροσκάφος Gloster E.28/39 το 1941. Από τότε, οι κινητήρες αεριοστροβίλων κυριάρχησαν στην ισχύ της αεροπορίας και είναι σημαντικό σύμβολο του επιστημονικού και τεχνολογικού βιομηχανικού επιπέδου και της συνολικής εθνικής ισχύος μιας χώρας.

Οι κινητήρες αεροσκαφών μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις βασικούς τύπους ανάλογα με τις χρήσεις και τα δομικά τους χαρακτηριστικά: κινητήρες στροβιλοκινητήρες, κινητήρες στροβιλοκινητήρων, κινητήρες στροβιλοκινητήρα και κινητήρες στροβιλοκινητήρα:

Οι κινητήρες αεριοστροβίλων αεροσκαφών αναφέρονται ως κινητήρες στροβίλου αερίου, οι οποίοι είναι οι πρώτοι κινητήρες αεριοστροβίλου που χρησιμοποιήθηκαν. Από την άποψη του τρόπου με τον οποίο δημιουργείται η ώθηση, οι κινητήρες στροβιλοτζετ είναι οι απλούστεροι και πιο άμεσοι κινητήρες. Ο συλλογισμός βασίζεται στη δύναμη αντίδρασης που δημιουργείται από την έγχυση υψηλής ταχύτητας της δίνης. Ωστόσο, η ροή αέρα υψηλής ταχύτητας αφαιρεί πολλή θερμότητα και κινητική ενέργεια ταυτόχρονα, προκαλώντας μεγάλη απώλεια ενέργειας.

Ο κινητήρας turbofan χωρίζει τον αέρα που ρέει στον κινητήρα σε δύο διαδρομές: τον εσωτερικό αγωγό και τον εξωτερικό αγωγό, γεγονός που αυξάνει τη συνολική ροή αέρα και μειώνει τη θερμοκρασία των καυσαερίων και την ταχύτητα της ροής αέρα του εσωτερικού αγωγού.

Οι κινητήρες turboshaft και turboprop δεν δημιουργούν ώθηση με έγχυση ροής αέρα, επομένως η θερμοκρασία και η ταχύτητα των καυσαερίων μειώνονται σημαντικά, η θερμική απόδοση είναι σχετικά υψηλή και ο ρυθμός κατανάλωσης καυσίμου κινητήρα είναι χαμηλός, κάτι που είναι κατάλληλο για αεροσκάφη μεγάλης εμβέλειας. Η ταχύτητα της προπέλας γενικά δεν αλλάζει και επιτυγχάνονται διαφορετικές ωθήσεις ρυθμίζοντας τη γωνία του πτερυγίου.

Ο κινητήρας propfan είναι ένας κινητήρας μεταξύ turboprop και turbofan κινητήρων. Μπορεί να χωριστεί σε κινητήρες propfan με θήκες προπέλας με αεραγωγούς και σε κινητήρες propfan χωρίς θήκες έλικας αεραγωγού. Ο κινητήρας propfan είναι ο πιο ανταγωνιστικός νέος κινητήρας εξοικονόμησης ενέργειας κατάλληλος για υποηχητικές πτήσεις.

Οι κινητήρες της πολιτικής αεροδιαστημικής έχουν περάσει πάνω από μισό αιώνα ανάπτυξης. Η δομή του κινητήρα έχει εξελιχθεί από τον πρώιμο φυγοκεντρικό στροβιλοκινητήρα στον κινητήρα αξονικής ροής ενός ρότορα, από τον κινητήρα στροβιλοκινητήρα διπλού ρότορα στον κινητήρα στροβιλοκινητήρα χαμηλής αναλογίας παράκαμψης και στη συνέχεια στον κινητήρα στροβιλοκινητήρα υψηλής αναλογίας παράκαμψης. Η δομή έχει βελτιστοποιηθεί συνεχώς με την επιδίωξη της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας. Η θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου ήταν μόνο 1200-1300 Κ στην πρώτη γενιά κινητήρων στροβιλοτζετ στις δεκαετίες του 1940 και του 1950. Αυξήθηκε κατά περίπου 200 χιλιάδες με κάθε αναβάθμιση αεροσκάφους. Μέχρι τη δεκαετία του 1980, η θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου των προηγμένων μαχητικών αεροσκαφών τέταρτης γενιάς έφτασε τους 1800-2000 Κ[1].

Η αρχή του φυγόκεντρου αεροσυμπιεστή είναι ότι η φτερωτή οδηγεί το αέριο να περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα, έτσι ώστε το αέριο να δημιουργεί φυγόκεντρη δύναμη. Λόγω της ροής πίεσης εκτόνωσης του αερίου στην πτερωτή, ο ρυθμός ροής και η πίεση του αερίου μετά τη διέλευση από το στροφείο αυξάνονται και παράγεται συνεχώς συμπιεσμένος αέρας. Έχει μικρή αξονική διάσταση και υψηλή αναλογία πίεσης ενός σταδίου. Ο αεροσυμπιεστής αξονικής ροής είναι ένας συμπιεστής στον οποίο η ροή αέρα ρέει βασικά παράλληλα με τον άξονα της περιστρεφόμενης πτερωτής. Ο συμπιεστής αξονικής ροής αποτελείται από πολλαπλά στάδια, κάθε στάδιο περιέχει μια σειρά πτερυγίων ρότορα και μια επόμενη σειρά πτερυγίων στάτορα. Ο ρότορας είναι οι λεπίδες εργασίας και ο τροχός και ο στάτορας είναι ο οδηγός. Ο αέρας επιταχύνεται πρώτα από τα πτερύγια του ρότορα, επιβραδύνεται και συμπιέζεται στο κανάλι πτερυγίων του στάτορα και επαναλαμβάνεται στα πτερύγια πολλαπλών σταδίων έως ότου η συνολική αναλογία πίεσης φτάσει στο απαιτούμενο επίπεδο. Ο συμπιεστής αξονικής ροής έχει μικρή διάμετρο, η οποία είναι βολική για χρήση σε πολλαπλά στάδια σε συνδυασμό για την επίτευξη υψηλότερης αναλογίας πίεσης.  

Οι κινητήρες στροβιλοανεμιστήρα συνήθως χρησιμοποιούν ως παραμέτρους σχεδιασμού την αναλογία παράκαμψης, την αναλογία πίεσης κινητήρα, τη θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου και την αναλογία πίεσης ανεμιστήρα:

Αναλογία παράκαμψης (BPR): Ο λόγος της μάζας του αερίου που ρέει μέσω των αγωγών εξόδου προς τη μάζα του αερίου που ρέει μέσω των εσωτερικών αγωγών του κινητήρα. Ο ρότορας στο μπροστινό μέρος ενός κινητήρα στροβιλοκινητήρα ονομάζεται συνήθως συμπιεστής χαμηλής πίεσης και ο ρότορας στο μπροστινό μέρος ενός κινητήρα στροβιλοκινητήρα ονομάζεται συνήθως ανεμιστήρας. Το πεπιεσμένο αέριο που διέρχεται από τον συμπιεστή χαμηλής πίεσης διέρχεται από όλα τα μέρη του κινητήρα στροβιλοκινητήρα. το αέριο που διέρχεται από τον ανεμιστήρα χωρίζεται στον εσωτερικό και τον εξωτερικό αγωγό. Από την εμφάνιση των κινητήρων turbofan, το BPR έχει αυξηθεί και αυτή η τάση είναι ιδιαίτερα εμφανής στους κινητήρες turbofan.

Λόγος πίεσης κινητήρα (EPR): Ο λόγος της συνολικής πίεσης στην έξοδο του ακροφυσίου προς τη συνολική πίεση στην είσοδο του συμπιεστή.

Θερμοκρασία εισόδου στροβίλου: Η θερμοκρασία των καυσαερίων του θαλάμου καύσης όταν εισέρχεται στον στρόβιλο.

Αναλογία συμπίεσης ανεμιστήρα: Αναφέρεται επίσης ως λόγος συμπίεσης, ο λόγος της πίεσης αερίου στην έξοδο του συμπιεστή προς την πίεση αερίου στην είσοδο.

Δύο αποτελεσματικότητες:

Θερμική απόδοση: Ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά ένας κινητήρας μετατρέπει τη θερμική ενέργεια που παράγεται από την καύση σε μηχανική ενέργεια.

Απόδοση πρόωσης: Μέτρο της αναλογίας της μηχανικής ενέργειας που παράγεται από τον κινητήρα που χρησιμοποιείται για την προώθηση του αεροσκάφους.

2 Ανάπτυξη πτερυγίων στροβίλου

Επαναληπτική Ανάπτυξη

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα έναν κινητήρα turbofan, η αξία των πτερυγίων αντιστοιχεί στο 35% και αποτελούν κρίσιμο στοιχείο στην κατασκευή κινητήρων αεροσκαφών. Σε έναν κινητήρα, υπάρχουν 3,000 έως 4,000 πτερύγια αεροπορίας, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: πτερύγια ανεμιστήρα, πτερύγια συμπιεστή και πτερύγια στροβίλου. Η αξία των πτερυγίων του στροβίλου είναι η υψηλότερη, αγγίζοντας το 63%. Ταυτόχρονα, είναι επίσης τα πτερύγια με την υψηλότερη κατασκευαστική δυσκολία και κόστος κατασκευής σε κινητήρες turbofan [2].    

Στη δεκαετία του 1970, οι Ηνωμένες Πολιτείες ήταν οι πρώτες που χρησιμοποίησαν πτερύγια κατευθυντικής στερεοποίησης PWA1422 σε κινητήρες στρατιωτικών και πολιτικών αεροσκαφών.

Μετά τη δεκαετία του 1980, η αναλογία ώσης προς βάρος του κινητήρα τρίτης γενιάς αυξήθηκε σε περισσότερο από 8 και τα πτερύγια του στροβίλου άρχισαν να χρησιμοποιούν τα SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 και την Κίνα DD3 πρώτης γενιάς. Η φέρουσα ικανότητα θερμοκρασίας του είναι 80K υψηλότερη από αυτή του καλύτερου κράματος υψηλής θερμοκρασίας PWA1422 με χύτευση κατευθυντικής στερεοποίησης. Φόντα. Σε συνδυασμό με την τεχνολογία κοίλου μονού καναλιού ψύξης φιλμ, η θερμοκρασία λειτουργίας των πτερυγίων του στροβίλου φτάνει τους 1600-1750K. .

Ο κινητήρας turbofan τέταρτης γενιάς χρησιμοποιεί τα SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 και DD6 δεύτερης γενιάς. Με την προσθήκη στοιχείων Re και τεχνολογίας ψύξης αέρα υψηλής πίεσης πολλαπλών καναλιών, η θερμοκρασία λειτουργίας των πτερυγίων του στροβίλου φτάνει τους 1800K-2000K. Σε 2000K και 100h Η αντοχή που διαρκεί φτάνει τα 140MPa.

Το SX τρίτης γενιάς που αναπτύχθηκε μετά τη δεκαετία του 1990 περιλαμβάνει τα RenéN6, CMRX-10 και DD9, τα οποία έχουν πολύ προφανή πλεονεκτήματα αντοχής ερπυσμού σε σχέση με το SX δεύτερης γενιάς. Υπό την προστασία πολύπλοκων καναλιών ψύξης και επικαλύψεων θερμικού φραγμού, η θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου που μπορεί να αντέξει φτάνει τους 3000K. Το κράμα διαμεταλλικής ένωσης που χρησιμοποιείται στις λεπίδες φτάνει τα 2200K και η αντοχή σε διάρκεια 100h φτάνει τα 100MPa.

Επί του παρόντος υπό ανάπτυξη είναι το SX τέταρτης γενιάς που αντιπροσωπεύεται από MC-NG[4], TMS-138 κ.λπ., και το SX πέμπτης γενιάς που αντιπροσωπεύεται από TMS-162 κ.λπ. Η σύνθεσή του χαρακτηρίζεται από την προσθήκη νέων στοιχείων σπάνιων γαιών όπως όπως Ru και Pt, το οποίο βελτιώνει σημαντικά την απόδοση ερπυσμού σε υψηλή θερμοκρασία του SX. Η θερμοκρασία λειτουργίας του κράματος υψηλής θερμοκρασίας πέμπτης γενιάς έχει φτάσει τους 1150°C, που είναι κοντά στο θεωρητικό όριο θερμοκρασίας λειτουργίας των 1226°C.

3 Ανάπτυξη υπερκραμάτων μονοκρυστάλλων με βάση το νικέλιο

3.1 Χαρακτηριστικά σύνθεσης και σύνθεση φάσης υπερκραμάτων μονοκρυστάλλων με βάση το νικέλιο

Ανάλογα με τον τύπο των στοιχείων μήτρας, τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να χωριστούν σε μακροδομές με βάση το σίδηρο, το νικέλιο και το κοβάλτιο και περαιτέρω υποδιαιρούνται σε μακροδομές χύτευσης, σφυρηλάτησης και μεταλλουργίας σκόνης. Τα κράματα με βάση το νικέλιο έχουν καλύτερη απόδοση σε υψηλή θερμοκρασία από τους άλλους δύο τύπους κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας και μπορούν να λειτουργήσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε σκληρά περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας.

Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο περιέχουν τουλάχιστον 50% Ni. Η δομή FCC τους τα καθιστά εξαιρετικά συμβατά με ορισμένα στοιχεία κράματος. Ο αριθμός των στοιχείων κράματος που προστίθενται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού συχνά υπερβαίνει τα 10. Η κοινότητα των προστιθέμενων στοιχείων κράματος ταξινομείται ως εξής: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo και W είναι στοιχεία πρώτης κατηγορίας , που χρησιμεύουν ως στοιχεία σταθεροποίησης ωστενίτη. (2) Τα Al, Ti, Ta και Nb έχουν μεγαλύτερες ατομικές ακτίνες, οι οποίες προάγουν το σχηματισμό φάσεων ενίσχυσης όπως η ένωση Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) και είναι στοιχεία δεύτερης κατηγορίας. (3) Τα B, C και Zr είναι στοιχεία τρίτης κατηγορίας. Το ατομικό τους μέγεθος είναι πολύ μικρότερο από αυτό των ατόμων Ni και διαχωρίζονται εύκολα στα όρια των κόκκων της φάσης γ, παίζοντας ρόλο στην ενίσχυση των ορίων των κόκκων [14].

Οι φάσεις των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας μονοκρυστάλλων με βάση το νικέλιο είναι κυρίως: φάση γ, φάση γ', φάση καρβιδίου και τοπολογική φάση στενής συσκευασίας (φάση TCP).

φάση γ: η φάση γ είναι μια φάση ωστενίτη με κρυσταλλική δομή FCC, το οποίο είναι ένα στερεό διάλυμα που σχηματίζεται από στοιχεία όπως Cr, Mo, Co, W και Re διαλυμένα σε νικέλιο.

γ' φάση: η γ' φάση είναι μια διαμεταλλική ένωση Ni3(Al, Ti) του FCC, η οποία σχηματίζεται ως φάση καθίζησης και διατηρεί μια ορισμένη συνοχή και αναντιστοιχία με τη φάση της μήτρας και είναι πλούσια σε Al, Ti, Ta και άλλα στοιχεία.

Φάση καρβιδίου: Ξεκινώντας από τη δεύτερη γενιά SX με βάση το νικέλιο, προστίθεται μικρή ποσότητα C, με αποτέλεσμα την εμφάνιση καρβιδίων. Μια μικρή ποσότητα καρβιδίων διασκορπίζεται στη μήτρα, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση του κράματος σε υψηλή θερμοκρασία σε κάποιο βαθμό. Γενικά χωρίζεται σε τρεις τύπους: MC, M23C6 και M6C.

Φάση TCP: Στην περίπτωση γήρανσης της υπηρεσίας, τα υπερβολικά πυρίμαχα στοιχεία όπως Cr, Mo, W και Re προωθούν την καθίζηση της φάσης TCP. Το TCP σχηματίζεται συνήθως με τη μορφή πλάκας. Η δομή της πλάκας έχει αρνητικό αντίκτυπο στις ιδιότητες ολκιμότητας, ερπυσμού και κόπωσης. Η φάση TCP είναι μια από τις πηγές ρωγμής ρήξης ερπυσμού.

Μηχανισμός Ενίσχυσης

Η αντοχή των υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο προέρχεται από τη σύζευξη πολλαπλών μηχανισμών σκλήρυνσης, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης στερεού διαλύματος, της ενίσχυσης καθίζησης και της θερμικής επεξεργασίας για την αύξηση της πυκνότητας εξάρθρωσης και την ανάπτυξη υποδομής εξάρθρωσης για την παροχή ενίσχυσης.

Η σκλήρυνση του στερεού διαλύματος είναι η βελτίωση της βασικής αντοχής με την προσθήκη διαφορετικών διαλυτών στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων των Cr, W, Co, Mo, Re και Ru.

Οι διαφορετικές ατομικές ακτίνες οδηγούν σε έναν ορισμένο βαθμό παραμόρφωσης ατομικού πλέγματος, η οποία αναστέλλει την κίνηση της εξάρθρωσης. Η ενίσχυση του στερεού διαλύματος αυξάνεται με την αύξηση της διαφοράς ατομικού μεγέθους.

Η ενίσχυση του στερεού διαλύματος έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη μείωση της ενέργειας σφαλμάτων στοίβαξης (SFE), κυρίως αναστέλλοντας την εγκάρσια ολίσθηση της εξάρθρωσης, η οποία είναι ο κύριος τρόπος παραμόρφωσης των μη ιδανικών κρυστάλλων σε υψηλές θερμοκρασίες.

Τα ατομικά σμήνη ή οι μικροδομές τάξης μικρής εμβέλειας είναι ένας άλλος μηχανισμός που βοηθά στην απόκτηση ενίσχυσης μέσω στερεού διαλύματος. Τα άτομα στο SX διαχωρίζονται στην περιοχή τάσης εφελκυσμού του πυρήνα εξάρθρωσης στη διεπιφάνεια γ/γ', σχηματίζοντας μια "ατμόσφαιρα Cottrell", η οποία αποτρέπει αποτελεσματικά την κίνηση της εξάρθρωσης και τη διάδοση της ρωγμής. (Τα άτομα διαλυμένης ουσίας συγκεντρώνονται στην περιοχή τάσεων εφελκυσμού των εξαρθρώσεων των άκρων, μειώνοντας την παραμόρφωση του πλέγματος, σχηματίζοντας μια δομή αερίου Coriolis και δημιουργώντας ένα ισχυρό αποτέλεσμα ενίσχυσης στερεού διαλύματος. Το αποτέλεσμα αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του ατόμου της διαλυμένης ουσίας και την αύξηση του μεγέθους διαφορά)

Τα Re, W, Mo, Ru, Cr και Co ενισχύουν αποτελεσματικά τη φάση γ. Η ενίσχυση στερεού διαλύματος της μήτρας γ παίζει εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην αντοχή ερπυσμού των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο.

Το αποτέλεσμα σκλήρυνσης της καθίζησης επηρεάζεται από το κλάσμα όγκου και το μέγεθος της γ' φάσης. Ο σκοπός της βελτιστοποίησης της σύνθεσης των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας είναι κυρίως η αύξηση του κλάσματος όγκου της γ' φάσης και η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων. Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας SX μπορούν να περιέχουν 65%-75% της γ' φάσης, με αποτέλεσμα καλή αντοχή ερπυσμού. Αυτό αντιπροσωπεύει τη χρήσιμη μέγιστη τιμή της επίδρασης ενίσχυσης της διεπαφής γ/γ' και η περαιτέρω αύξηση θα οδηγήσει σε σημαντική μείωση της αντοχής. Η αντοχή ερπυσμού των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας με υψηλό κλάσμα όγκου φάσης γ' επηρεάζεται από το μέγεθος των σωματιδίων της φάσης γ'. Όταν το μέγεθος της φάσης γ' είναι μικρό, οι εξαρθρώσεις τείνουν να ανεβαίνουν γύρω από αυτό, με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής ερπυσμού. Όταν οι εξαρθρώσεις αναγκάζονται να κόψουν τη φάση γ', η δύναμη ερπυσμού φτάνει στο μέγιστο. Καθώς τα σωματίδια της φάσης γ' αυξάνονται σε μέγεθος, οι εξαρθρώσεις τείνουν να κάμπτονται μεταξύ τους, με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής ερπυσμού [14].

Υπάρχουν τρεις κύριοι μηχανισμοί ενίσχυσης της βροχόπτωσης:

Ενίσχυση ασυμφωνίας πλέγματος: η γ' φάση διασπείρεται και κατακρημνίζεται στη μήτρα φάσης γ με συνεκτικό τρόπο. Και οι δύο είναι δομές FCC. Η αναντιστοιχία του πλέγματος αντανακλά τη σταθερότητα και την κατάσταση τάσης της συνεκτικής διεπαφής μεταξύ των δύο φάσεων. Η καλύτερη περίπτωση είναι ότι η μήτρα και η καταβυθισμένη φάση έχουν την ίδια κρυσταλλική δομή και παραμέτρους πλέγματος της ίδιας γεωμετρίας, έτσι ώστε να μπορούν να γεμιστούν περισσότερες φάσεις που καταβυθίζονται στη φάση γ. Το εύρος αναντιστοιχίας των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο είναι 0~±1%. Οι Re και Ru είναι προφανώς διαχωρισμένες με τη φάση γ. Η αύξηση των Re και Ru αυξάνει την αναντιστοιχία πλέγματος.

Ενίσχυση τάξης: Το κόψιμο με εξάρθρωση θα προκαλέσει διαταραχή μεταξύ της μήτρας και της κατακρημνιζόμενης φάσης, απαιτώντας περισσότερη ενέργεια

Μηχανισμός παράκαμψης εξάρθρωσης: που ονομάζεται μηχανισμός Orowan (Orowan bowing), είναι ένας μηχανισμός ενίσχυσης στον οποίο η κατακρημνισμένη φάση στη μεταλλική μήτρα εμποδίζει την εξάρθρωση σε κίνηση να συνεχίσει να κινείται. Βασική αρχή: Όταν η κινούμενη εξάρθρωση συναντά ένα σωματίδιο, δεν μπορεί να περάσει από μέσα, με αποτέλεσμα την παράκαμψη της συμπεριφοράς, την ανάπτυξη της γραμμής εξάρθρωσης και την απαιτούμενη κινητήρια δύναμη αυξάνεται, με αποτέλεσμα το αποτέλεσμα ενίσχυσης.

3.3 Ανάπτυξη μεθόδων χύτευσης κραμάτων σε υψηλή θερμοκρασία

Το παλαιότερο κράμα που χρησιμοποιήθηκε σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να εντοπιστεί πίσω στην εφεύρεση του Nichrome το 1906. Η εμφάνιση στροβιλοσυμπιεστών και κινητήρων αεριοστροβίλων προκάλεσε την ουσιαστική ανάπτυξη κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας. Τα πτερύγια της πρώτης γενιάς κινητήρων αεριοστροβίλου παράγονταν με εξώθηση και σφυρηλάτηση, που προφανώς είχε τους περιορισμούς της εποχής. Προς το παρόν, τα πτερύγια στροβίλων από κράμα υψηλής θερμοκρασίας κατασκευάζονται ως επί το πλείστον με επενδυτική χύτευση, ειδικά κατευθυντική στερεοποίηση (DS). Η μέθοδος DS εφευρέθηκε για πρώτη φορά από την ομάδα Versnyder της Pratt & Whitney στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1970 [3]. Στις δεκαετίες ανάπτυξης, το προτιμώμενο υλικό για τα πτερύγια των στροβίλων έχει αλλάξει από ισοαξονικούς κρυστάλλους σε κολονοειδείς κρυστάλλους και στη συνέχεια βελτιστοποιήθηκε σε υλικά κραμάτων μονοκρυστάλλων υψηλής θερμοκρασίας.

Η τεχνολογία DS χρησιμοποιείται για την παραγωγή εξαρτημάτων SX από κράμα στήλης πυρήνα, η οποία βελτιώνει σημαντικά την ολκιμότητα και την αντίσταση θερμικών κραδασμών των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας. Η τεχνολογία DS διασφαλίζει ότι οι παραγόμενοι στηλώδεις κρύσταλλοι έχουν έναν προσανατολισμό [001], ο οποίος είναι παράλληλος με τον κύριο άξονα τάσης του εξαρτήματος, αντί για έναν τυχαίο προσανατολισμό κρυστάλλων. Κατ' αρχήν, η DS πρέπει να διασφαλίσει ότι η στερεοποίηση του τηγμένου μετάλλου στη χύτευση πραγματοποιείται με το υγρό μέταλλο τροφοδοσίας πάντα σε μόλις στερεοποιημένη κατάσταση.

Η χύτευση των στηλών κρυστάλλων πρέπει να πληροί δύο προϋποθέσεις: (1) Η μονόδρομη ροή θερμότητας διασφαλίζει ότι η διεπιφάνεια στερεού-υγρού στο σημείο ανάπτυξης του κόκκου κινείται προς μία κατεύθυνση. (2) Δεν πρέπει να υπάρχει πυρήνα μπροστά από την κατεύθυνση κίνησης της διεπαφής στερεού-υγρού.

Επειδή το σπάσιμο της λεπίδας συμβαίνει συνήθως στην αδύναμη σε υψηλή θερμοκρασία δομή του ορίου των κόκκων, προκειμένου να εξαλειφθεί το όριο των κόκκων, χρησιμοποιείται ένα καλούπι στερεοποίησης με δομή "επιλογέα κόκκων" κατά τη διαδικασία κατευθυντικής στερεοποίησης. Το μέγεθος της διατομής αυτής της δομής είναι κοντά στο μέγεθος του κόκκου, έτσι ώστε μόνο ένας μόνο βέλτιστα αναπτυγμένος κόκκος εισέρχεται στην κοιλότητα καλουπιού του καλουπιού και στη συνέχεια συνεχίζει να αναπτύσσεται με τη μορφή ενός μόνο κρυστάλλου έως ότου ολόκληρη η λεπίδα αποτελείται από μόνο ένα σιτάρι.

Ο επιλογέας κρυστάλλου μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη: το μπλοκ εκκίνησης και το σπιράλ:

Στην αρχή της διαδικασίας DS, οι κόκκοι αρχίζουν να σχηματίζουν πυρήνες στο κάτω μέρος του μπλοκ εκκίνησης. Στο πρώιμο στάδιο της ανάπτυξης των κόκκων, ο αριθμός είναι μεγάλος, το μέγεθος είναι μικρό και η διαφορά προσανατολισμού μεγάλη. Η ανταγωνιστική συμπεριφορά ανάπτυξης μεταξύ των κόκκων κυριαρχεί, και το γεωμετρικό φαινόμενο μπλοκαρίσματος του πλευρικού τοιχώματος είναι αδύναμο. Αυτή τη στιγμή, το αποτέλεσμα βελτιστοποίησης προσανατολισμού είναι προφανές. όταν το ύψος των κόκκων στο αρχικό μπλοκ αυξάνεται, ο αριθμός των κόκκων μειώνεται, το μέγεθος αυξάνεται και ο προσανατολισμός είναι κοντά. Η ανταγωνιστική συμπεριφορά ανάπτυξης μεταξύ των κόκκων μειώνεται και κυριαρχεί το γεωμετρικό φαινόμενο μπλοκαρίσματος του πλευρικού τοιχώματος, διασφαλίζοντας ότι η κατεύθυνση του κρυστάλλου μπορεί να βελτιστοποιείται συνεχώς, αλλά το αποτέλεσμα βελτιστοποίησης προσανατολισμού εξασθενεί. Μειώνοντας την ακτίνα του μπλοκ εκκίνησης και αυξάνοντας το ύψος του μπλοκ εκκίνησης, ο προσανατολισμός των κόκκων που εισέρχονται στο σπειροειδές τμήμα μπορεί να βελτιστοποιηθεί αποτελεσματικά. Ωστόσο, η αύξηση του μήκους του μπλοκ εκκίνησης θα συντομεύσει τον αποτελεσματικό χώρο ανάπτυξης της χύτευσης και θα σας δώσει έναν κύκλο παραγωγής και το κόστος προετοιμασίας. Επομένως, είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί εύλογα η γεωμετρική δομή του υποστρώματος.

Η κύρια λειτουργία της σπείρας είναι να επιλέγει αποτελεσματικά μονοκρυστάλλους και η ικανότητα βελτιστοποίησης του προσανατολισμού των κόκκων είναι αδύναμη. Όταν η διεργασία DS πραγματοποιείται σε μια σπείρα, το καμπύλο κανάλι παρέχει χώρο για ανάπτυξη κλάδου δενδρίτη και οι δευτερεύοντες δενδρίτες των κόκκων προωθούνται προς την κατεύθυνση της γραμμής υγρού. Οι κόκκοι έχουν έντονη πλευρική αναπτυξιακή τάση και ο προσανατολισμός των κόκκων είναι σε κυμαινόμενη κατάσταση, με ασθενές αποτέλεσμα βελτιστοποίησης. Επομένως, η επιλογή των κόκκων στη σπείρα εξαρτάται κυρίως από το γεωμετρικό πλεονέκτημα περιορισμού, το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα ανάπτυξης και το πλεονέκτημα χωρικής επέκτασης των κόκκων στο σπειροειδές τμήμα [7], παρά από το πλεονέκτημα ανάπτυξης του προτιμώμενου προσανατολισμού των κόκκων, το οποίο έχει ισχυρή τυχαιότητα [6]. Επομένως, ο κύριος λόγος για την αποτυχία της επιλογής κρυστάλλων είναι ότι η σπείρα δεν παίζει το ρόλο της επιλογής ενός κρυστάλλου. Αυξάνοντας την εξωτερική διάμετρο της σπείρας, μειώνοντας το βήμα, τη διάμετρο της σπειροειδούς επιφάνειας και μειώνοντας τη γωνία εκκίνησης, το αποτέλεσμα επιλογής κρυστάλλου μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.

Η προετοιμασία των κοίλων λεπίδων μονοκρυστάλλου στροβίλου απαιτεί περισσότερα από δώδεκα βήματα (τήξη κύριου κράματος, προετοιμασία κελύφους μονοκρυσταλλικής μεμβράνης, προετοιμασία κεραμικού πυρήνα σύνθετης διαμόρφωσης, χύτευση τήγματος, κατευθυντική στερεοποίηση, θερμική επεξεργασία, επιφανειακή επεξεργασία, προετοιμασία επίστρωσης θερμικού φραγμού κ.λπ. ). Η πολύπλοκη διαδικασία είναι επιρρεπής σε διάφορα ελαττώματα, όπως αδέσποτα κόκκους, φακίδες, όρια κόκκων μικρής γωνίας, κρύσταλλοι ραβδώσεων, απόκλιση προσανατολισμού, ανακρυστάλλωση, όρια κόκκων μεγάλης γωνίας και αποτυχία επιλογής κρυστάλλων.