Láminas de turbinas de cristal único: un avance tecnológico que supera los límites de alta temperatura

1 Desarrollo de motores a gas de turbina para aviación

A medida que aumentaban los requisitos de rendimiento para aviones con fines de transporte, militares, producción y otros, los primeros motores de pistón ya no podían satisfacer las necesidades del vuelo a alta velocidad. Por lo tanto, desde la década de 1950, los motores de turbina de gas han ido convirtiéndose gradualmente en la opción principal.

En 1928, Sir Frank Whittle del Reino Unido señaló en su tesis de graduación "Futuro Desarrollo en el Diseño de Aeronaves" mientras estudiaba en la academia militar que, con los conocimientos técnicos de esa época, el futuro desarrollo de los motores de hélice no podía adaptarse a las necesidades de altitudes elevadas o velocidades de vuelo superiores a 800 km/h. Fue el primero en proponer el concepto de lo que ahora se llama motor a reacción (motor jet): aire comprimido se suministra a la cámara de combustión (quemador) mediante un pistón tradicional, y el gas a alta temperatura generado se utiliza directamente para propulsar el vuelo, lo cual puede considerarse como un motor de hélice más un diseño de cámara de combustión. En investigaciones posteriores, abandonó la idea de usar un pesado e ineficiente pistón y propuso utilizar una turbina (turbina) para proporcionar aire comprimido a la cámara de combustión, y la potencia de la turbina se obtenía del gas de escape a alta temperatura. En 1930, Whittle solicitó una patente, y en 1937 desarrolló el primer motor turbojet centrífugo del mundo, que fue oficialmente utilizado en el avión Gloster E.28/39 en 1941. Desde entonces, los motores de turbinas de gas han dominado la propulsión aeronáutica y son un símbolo importante del nivel científico y tecnológico industrial y de la fuerza nacional comprensiva de un país.

Los motores de avión se pueden dividir en cuatro tipos básicos según sus usos y características estructurales: motores a reacción turbojet, motores turbofan, motores turboshaft y motores turbinaprop.

Los motores de gas turbina para aviación se denominan motores turbojet, que son los motores de turbina de gas más antiguos utilizados. Desde el punto de vista de la forma en que se genera la empuje, los motores turbojet son los motores más simples y directos. El razonamiento se basa en la fuerza de reacción generada por la inyección de alta velocidad del vórtice. Sin embargo, el flujo de aire a alta velocidad lleva consigo una gran cantidad de calor y energía cinética al mismo tiempo, lo que provoca grandes pérdidas de energía.

El motor turbofan divide el aire que fluye hacia el motor en dos caminos: el conducto interno y el conducto externo, lo que aumenta el flujo total de aire y reduce la temperatura y la velocidad de escape del flujo de aire del conducto interno.

Los motores de turboshaft y turbohélice no generan empuje mediante la inyección de flujo de aire, por lo que la temperatura y la velocidad de escape se reducen considerablemente, la eficiencia térmica es relativamente alta y la tasa de consumo de combustible del motor es baja, lo cual es adecuado para aviones de largo alcance. La velocidad de la hélice generalmente no cambia, y se obtienen diferentes empujes ajustando el ángulo de las palas.

El motor propfan es un motor intermedio entre los motores turbohélice y turbofan. Se puede dividir en motores propfan con carenado de hélice y motores propfan sin carenado de hélice. El motor propfan es el motor más competitivo y ahorrador de energía adecuado para el vuelo subsónico.

Los motores de aviación civil han pasado por más de medio siglo de desarrollo. La estructura del motor ha evolucionado desde el turborreactor centrífugo temprano hasta el motor de flujo axial de un solo rotor, desde el turbojet de doble rotor hasta el turbofan de bajo índice de paso, y luego al turbofan de alto índice de paso. La estructura se ha optimizado continuamente en la búsqueda de eficiencia y fiabilidad. La temperatura de entrada de la turbina era solo de 1200-1300K en la primera generación de motores a reacción de los años 40 y 50. Aumentó aproximadamente 200K con cada actualización del avión. Para los años 80, la temperatura de entrada de la turbina de los cazas avanzados de cuarta generación alcanzó los 1800-2000K[1].

El principio del compresor de aire centrífugo es que la turbinas impulsa el gas a rotar a alta velocidad, de modo que el gas genera fuerza centrífuga. Debido al flujo de presión de expansión del gas en la turbina, la velocidad y la presión del gas después de pasar por la turbina aumentan, y se produce aire comprimido continuamente. Tiene una dimensión axial corta y una relación de presión unitaria alta. El compresor de aire de flujo axial es un compresor en el que el flujo de aire fluye básicamente paralelo al eje de la turbina en rotación. El compresor de flujo axial consta de múltiples etapas, cada una de las cuales contiene una fila de palas de rotor y una fila subsiguiente de palas de estator. El rotor son las palas de trabajo y la rueda, y el estator es la guía. El aire primero es acelerado por las palas del rotor, luego desacelerado y comprimido en el canal de las palas del estator, y este proceso se repite en las múltiples etapas de las palas hasta que la relación de presión total alcance el nivel requerido. El compresor de flujo axial tiene un diámetro pequeño, lo que facilita su uso en tandas múltiples para obtener una relación de presión más alta.   

Los motores de turbofán suelen utilizar como parámetros de diseño la relación de bypass, la relación de presión del motor, la temperatura de entrada de la turbina y la relación de presión del ventilador:

Relación de bypass (BPR): La relación entre la masa de gas que fluye a través de las ductos de salida y la masa de gas que fluye a través de los ductos internos en el motor. El rotor en la parte frontal de un motor de turbojet suele llamarse compresor de baja presión, y el rotor en la parte frontal de un motor de turbofán suele llamarse ventilador. El gas comprimido que pasa por el compresor de baja presión atraviesa todas las partes del motor de turbojet; el gas que pasa por el ventilador se divide en ductos internos y externos. Desde la aparición de los motores de turbofán, la BPR ha estado aumentando, y esta tendencia es particularmente evidente en los motores de turbofán civiles.

Relación de presión del motor (EPR): La relación entre la presión total en la salida de la boquilla y la presión total en la entrada del compresor.

Temperatura de entrada de la turbina: La temperatura del gases de escape de la cámara de combustión cuando entra en la turbina.

Relación de compresión del ventilador: También conocida como relación de compresión, la relación entre la presión del gas en la salida del compresor y la presión del gas en la entrada.

Dos eficiencias:

Eficiencia térmica: Una medida de cómo un motor convierte eficientemente la energía térmica generada por la combustión en energía mecánica.

Eficiencia de propulsión: Una medida de la proporción de la energía mecánica generada por el motor que se utiliza para propulsar la aeronave.

Desarrollo de la hoja de turbina 2

Desarrollo iterativo

Tomando como ejemplo un motor de turbinas de flujo mixto, el valor de las palas representa hasta un 35%, y son un componente crítico en la fabricación de motores aeronáuticos. En un motor, hay entre 3,000 y 4,000 palas aeroespaciales, que se pueden dividir en tres categorías: palas de ventilador, palas de compresor y palas de turbina. El valor de las palas de turbina es el más alto, alcanzando el 63%. Al mismo tiempo, también son las palas con mayor dificultad de fabricación y costo de producción en los motores de turbinas de flujo mixto [2].

En la década de 1970, Estados Unidos fue el primero en utilizar palas de solidificación direccional PWA1422 en motores de aviones militares y civiles.

Después de la década de 1980, la relación empuje-peso del tercer motor de generación aumentó a más de 8, y las palas de la turbina comenzaron a utilizar la primera generación de SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 y la de China DD3. Su capacidad de soportar temperatura es 80K mayor que la del mejor aleación de alta temperatura de solidificación direccional PWA1422. Ventajas. Combinado con la tecnología de enfriamiento por película y canal hueco único, la temperatura de operación de las palas de la turbina alcanza los 1600-1750K.

El motor turbofán de cuarta generación utiliza la segunda generación de SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 y DD6. Al agregar elementos Re y tecnología de enfriamiento con aire a alta presión en múltiples canales, la temperatura de operación de las palas de la turbina alcanza los 1800K-2000K. A los 2000K y 100h, la resistencia duradera alcanza los 140MPa.

La tercera generación de SX desarrollada después de los años 90 incluye RenéN6, CMRX-10 y DD9, los cuales tienen ventajas muy obvias en resistencia a la deformación por flujo en comparación con la segunda generación de SX. Bajo la protección de canales de enfriamiento complejos y recubrimientos térmicos de barrera, la temperatura de entrada de la turbina que puede soportar alcanza los 3000K. La aleación de compuesto intermetálico utilizada en las palas alcanza los 2200K, y la resistencia a 100 horas alcanza los 100MPa.

Actualmente se están desarrollando la cuarta generación de SX representada por MC-NG[4], TMS-138, entre otros, y la quinta generación de SX representada por TMS-162, entre otros. Su composición se caracteriza por la adición de nuevos elementos de tierras raras como Ru y Pt, lo cual mejora significativamente el rendimiento a alta temperatura y la resistencia al flujo de SX. La temperatura de trabajo de la quinta generación de aleaciones de alto temperatura ha alcanzado los 1150°C, lo cual está cerca del límite teórico de temperatura de funcionamiento de 1226°C.

3 Desarrollo de superaleaciones de cristal único basadas en níquel

3.1 Características de composición y composición de fases de los superaleaciones de níquel de cristal único

De acuerdo con el tipo de elementos de la matriz, las aleaciones de alta temperatura se pueden dividir en ferro-base, níquel-base y cobalto-base, y subdividirse aún más en macroestructuras de fundición, forja y metalurgia en polvo. Las aleaciones de base de níquel tienen un mejor rendimiento a alta temperatura que los otros dos tipos de aleaciones de alta temperatura y pueden trabajar durante mucho tiempo en entornos de alta temperatura adversos.

Los aleaciones de alta temperatura a base de níquel contienen al menos un 50% de Ni. Su estructura FCC los hace altamente compatibles con algunos elementos de aleación. El número de elementos de aleación añadidos durante el proceso de diseño a menudo supera los 10. La común clasificación de los elementos de aleación añadidos es la siguiente: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo y W son elementos de primera clase, que actúan como estabilizadores de austenita; (2) Al, Ti, Ta y Nb tienen radios atómicos más grandes, lo que promueve la formación de fases de refuerzo como el compuesto Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), y son elementos de segunda clase; (3) B, C y Zr son elementos de tercera clase. Su tamaño atómico es mucho menor que el de los átomos de Ni, y se segregan fácilmente a los bordes de grano de la fase γ, desempeñando un papel en el refuerzo de los bordes de grano [14].

Las fases de las aleaciones de alta temperatura de cristal único a base de níquel son principalmente: fase γ, fase γ', fase de carburo y fase de empaquetado topológico cercano (fase TCP).

Fase γ: la fase γ es una fase de austenita con una estructura cristalina FCC, que es una solución sólida formada por elementos como Cr, Mo, Co, W y Re disueltos en níquel.

Fase γ': la fase γ' es un compuesto intermetálico Ni3(Al, Ti) de FCC, que se forma como una fase de precipitación y mantiene una cierta coherencia y desajuste con la fase matriz, y es rica en Al, Ti, Ta y otros elementos.

Fase carburo: A partir de la segunda generación de SX a base de níquel, se añade una pequeña cantidad de C, lo que provoca la aparición de carburos. Una pequeña cantidad de carburos se dispersa en la matriz, lo que mejora en cierta medida el rendimiento a alta temperatura de la aleación. Generalmente se divide en tres tipos: MC, M23C6 y M6C.

Fase TCP: En el caso de envejecimiento del servicio, elementos refractarios excesivos como Cr, Mo, W y Re promueven la precipitación de la fase TCP. La fase TCP generalmente se forma en forma de placa. La estructura de placa tiene un impacto negativo en la ductilidad, el flujo por creep y las propiedades de fatiga. La fase TCP es una de las fuentes de grietas en el fallo por creep.

Mecanismo de refuerzo

La resistencia de los superaleaciones basadas en níquel proviene de la combinación de varios mecanismos de endurecimiento, incluyendo el endurecimiento por solución sólida, el endurecimiento por precipitación y el tratamiento térmico para aumentar la densidad de deslocaciones y desarrollar subestructuras de deslocación que proporcionan refuerzo.

El endurecimiento por solución sólida consiste en mejorar la resistencia básica añadiendo diferentes elementos solubles, incluyendo Cr, W, Co, Mo, Re y Ru.

Los diferentes radios atómicos provocan un cierto grado de distorsión de la red atómica, lo que inhibe el movimiento de deslocalización. El endurecimiento por solución sólida aumenta con el aumento de la diferencia de tamaño atómico.

El refuerzo por solución sólida también tiene el efecto de reducir la energía de falla por apilamiento (SFE), inhibiendo principalmente el cruce de deslizamiento de dislocaciones, que es el principal modo de deformación de cristales no ideales a altas temperaturas.

Los cúmulos atómicos o microestructuras de orden a corto alcance son otro mecanismo que ayuda a obtener refuerzo mediante solución sólida. Los átomos de Re en SX se segregan en la región de estrés tensil del núcleo de la dislocación en la interfaz γ/γ’, formando una "atmósfera de Cottrell", lo cual previene eficazmente el movimiento de dislocaciones y la propagación de grietas. (Los átomos solubles se concentran en la zona de estrés tensil de las dislocaciones de borde, reduciendo la distorsión de la red, formando una estructura de gas de Coriolis y produciendo un fuerte efecto de refuerzo por solución sólida. Este efecto aumenta con el aumento de la concentración de átomos solubles y con el aumento de la diferencia de tamaño).

Re, W, Mo, Ru, Cr y Co fortalecen eficazmente la fase γ. El refuerzo por solución sólida de la matriz γ juega un papel extremadamente importante en la resistencia a la deformación por flujo de los aleaciones de níquel de alta temperatura.

El efecto de endurecimiento por precipitación se ve afectado por la fracción de volumen y el tamaño de la fase γ'. El propósito de optimizar la composición de los aleaciones a alta temperatura es principalmente aumentar la fracción de volumen de la fase γ' y mejorar las propiedades mecánicas. Los aleaciones a alta temperatura SX pueden contener entre un 65% y un 75% de la fase γ', lo que resulta en una buena resistencia a la fluencia. Esto representa el valor útil máximo del efecto de refuerzo de la interfaz γ/γ', y un aumento adicional llevará a una disminución significativa en la resistencia. La resistencia a la fluencia de los aleaciones a alta temperatura con una alta fracción de volumen de la fase γ’ se ve afectada por el tamaño de las partículas de la fase γ’. Cuando el tamaño de la fase γ’ es pequeño, las deslocalizaciones tienden a rodearla, lo que provoca una disminución en la resistencia a la fluencia. Cuando las deslocalizaciones son forzadas a cortar la fase γ’, la resistencia a la fluencia alcanza su máximo. A medida que las partículas de la fase γ’ aumentan de tamaño, las deslocalizaciones tienden a doblarse entre ellas, lo que provoca una disminución en la resistencia a la fluencia [14].

Existen tres mecanismos principales de fortalecimiento por precipitación:

Fortalecimiento por desajuste de red: la fase γ’ se dispersa y precipita en la matriz de la fase γ de manera coherente. Ambas son estructuras FCC. El desajuste de red refleja la estabilidad y el estado de esfuerzo de la interfaz coherente entre las dos fases. El mejor caso es que la matriz y la fase precipitada tengan la misma estructura cristalina y parámetros de red de la misma geometría, para que más fases precipitadas puedan llenarse en la fase γ. El rango de desajuste de los aleaciones de níquel de alta temperatura es de 0 a ±1%. Re y Ru están claramente segregados con la fase γ. El aumento de Re y Ru incrementa el desajuste de red.

Fortalecimiento por orden: El corte por desplazamiento causará desorden entre la matriz y la fase precipitada, lo que requiere más energía

Mecanismo de evasión de desplazamiento: llamado mecanismo de Orowan (curvatura de Orowan), es un mecanismo de fortalecimiento en el que la fase precipitada en la matriz metálica impide que el desplazamiento en movimiento continúe. Principio básico: Cuando el desplazamiento en movimiento encuentra una partícula, no puede pasar a través de ella, lo que resulta en un comportamiento de rodeo, crecimiento de la línea de desplazamiento y el aumento de la fuerza motriz requerida, lo que produce un efecto de fortalecimiento.

3.3 Desarrollo de métodos de fundición de aleaciones de alta temperatura

La aleación más temprana utilizada en entornos de alta temperatura se puede rastrear hasta la invención del Nichrome en 1906. La aparición de compresores turbo y motores de turbina de gas estimuló el desarrollo sustancial de aleaciones de alta temperatura. Las palas de la primera generación de motores de turbina de gas se producían por extrusión y forja, lo cual obviamente tenía las limitaciones de la época. Actualmente, las palas de turbinas de aleación de alta temperatura se fabrican principalmente mediante colada bajo inversión, específicamente solidificación direccional (DS). El método DS fue inventado por primera vez por el equipo de Versnyder de Pratt & Whitney en los Estados Unidos en la década de 1970 [3]. En las décadas de desarrollo, el material preferido para las palas de turbina ha cambiado de cristales equiaxiales a cristales columnares, y luego se ha optimizado a materiales de aleación de alta temperatura de un solo cristal.

La tecnología DS se utiliza para producir componentes de aleación SX de núcleo columnar, lo que mejora significativamente la ductilidad y la resistencia al choque térmico de los aleantes a altas temperaturas. La tecnología DS asegura que los cristales columnares producidos tengan una orientación [001], que es paralela al eje principal de estrés de la pieza, en lugar de una orientación cristalina aleatoria. En principio, DS necesita asegurar que la solidificación del metal fundido en la pieza se realice con el metal alimentador siempre en un estado recién solidificado.

El moldeo de cristales columnares necesita cumplir con dos condiciones: (1) Un flujo de calor unidireccional asegura que la interfaz sólido-líquido en el punto de crecimiento del grano se mueva en una dirección; (2) No debe haber nucleación en frente de la dirección de movimiento de la interfaz sólido-líquido.

Debido a que la fractura de la hoja generalmente ocurre en la estructura débil de alta temperatura en los límites de grano, para eliminar los límites de grano, durante el proceso de solidificación direccional se utiliza un molde de solidificación con una estructura de "selector de granos". El tamaño transversal de esta estructura es similar al tamaño del grano, de modo que solo un grano óptimamente desarrollado entra en la cavidad del molde de la pieza fundida y luego continúa creciendo en forma de cristal único hasta que toda la hoja está compuesta por un solo grano.

El selector de cristales se puede dividir en dos partes: el bloque inicial y la espiral:

Al inicio del proceso DS, los granos comienzan a nuclearse en la parte inferior del bloque de partida. En la etapa inicial del crecimiento de los granos, su número es grande, el tamaño es pequeño y la diferencia de orientación es grande. El comportamiento de crecimiento competitivo entre los granos es dominante, y el efecto de bloqueo geométrico de la pared lateral es débil. En este momento, el efecto de optimización de orientación es obvio; cuando la altura de los granos en el bloque de partida aumenta, el número de granos disminuye, el tamaño aumenta y la orientación se acerca. El comportamiento de crecimiento competitivo entre los granos disminuye, y el efecto de bloqueo geométrico de la pared lateral es dominante, asegurando que la dirección cristalina pueda ser continuamente optimizada, pero el efecto de optimización de orientación se debilita. Al reducir el radio del bloque de partida e incrementar la altura del bloque de partida, se puede optimizar eficazmente la orientación de los granos que entran en la sección espiral. Sin embargo, aumentar la longitud del bloque de partida acortará el espacio de crecimiento efectivo del fundido, y te dará un ciclo de producción y costo de preparación. Por lo tanto, es necesario diseñar razonablemente la estructura geométrica del sustrato.

La función principal de la espiral es seleccionar de manera eficiente cristales únicos, y la capacidad de optimizar la orientación de los granos es débil. Cuando se lleva a cabo el proceso DS en una espiral, el canal curvado proporciona espacio para el crecimiento de las ramas dendríticas, y las dendritas secundarias de los granos avanzan en la dirección de la línea líquida. Los granos tienen una fuerte tendencia al desarrollo lateral, y la orientación de los granos está en un estado fluctuante, con un efecto de optimización débil. Por lo tanto, la selección de granos en la espiral depende principalmente de la ventaja de restricción geométrica, la ventaja de crecimiento competitivo y la ventaja de expansión espacial de los granos en el segmento espiral [7], en lugar de la ventaja de crecimiento de la orientación preferida de los granos, lo cual tiene una gran aleatoriedad [6]. Por lo tanto, la razón principal del fracaso en la selección de cristales es que la espiral no cumple con el papel de selección de cristal único. Al aumentar el diámetro exterior de la espiral, reducir el paso, el diámetro de la superficie espiral y reducir el ángulo inicial, se puede mejorar significativamente el efecto de selección de cristales.

La preparación de turbinas de un solo cristal huecas requiere más de una docena de pasos (fusión de la aleación maestra, preparación del revestimiento de membrana de un solo cristal, preparación del núcleo cerámico de configuración compleja, fundición por fusión, solidificación direccional, tratamiento térmico, tratamiento de superficie, preparación de recubrimientos de barrera térmica, etc.). El proceso complejo está propenso a varios defectos, como granos errantes, manchas, límites de grano de pequeño ángulo, cristales estriados, desviación de orientación, recristalización, límites de grano de gran ángulo y fallo en la selección de cristal.