Yksikkökrystaliturbopilvet: teknologinen läpimurto, joka tuottaa läpi korkean lämpötilan rajoituksen

ilmailukaasuturbiinimoottoreiden kehitys

Kun lentokoneiden suorituskyvyn vaatimukset kulkuliikenteessä, sotilaskäytössä, tuotannossa ja muissa tarkoituksissa kasvoivat, ensimmäiset pistonsähkökoneet eivät enää voinneet täyttää korkeanopeuden lennon tarpeita. Siksi 1950-luvulta alkaen kaasuturbiinimoottorit ovat vahvasti saaneet pääasiallisen aseman.

Vuonna 1928 Iso-Britannian Sir Frank Whittle esitti valmistumistössään nimeltä "Tulevaisuuden kehitys lentokoneen suunnitteluun" oppimisen aikana sotilaskouluun, että silloisen teknisten tietojen pohjalta propellerimoottoreiden tuleva kehitys ei kyennyt vastaamaan korkeakonemaisiin tarpeisiin tai lentojen nopeuksiin, jotka ylittivät 800 km/h. Hän oli ensimmäinen, joka esitti käsitettä, mitä kutsutaan nykyisin jättiläismoottoriksi (motor engine): pakattua ilmaa toimitetaan polttohuoneeseen (poltto) perinteisen pistonian kautta, ja niin syntynyttä korkealämpöistä kaasua käytetään suoraan lennon etenevyyden tuottamiseen, mikä voidaan pitää propellerimoottorina plus polttohuoneen suunnitteluna. Seurauksena tutkimustyöstä hän hylkäsi ajatuksen pistonian käytöstä, koska se oli raskas ja tehottoma, ja ehdotti turbiinin (turbine) käyttöä pakattua ilmaa varten polttohuoneeseen, jonka turbiinin voima saatiin korkealämpöisestä virtauskaasusta. Vuonna 1930 Whittle haki patentin, ja vuonna 1937 hän kehitti maailman ensimmäisen keskipainoturbojättiläismoottorin, jota käytettiin virallisesti Gloster E.28/39-lentokonetta varten vuonna 1941. Tämän jälkeen kaasiturbiinimoottorit ovat hallitsleet lentoliikenteen voimatoimintaa ja ne ovat tärkeä merkki maan tieteellisestä ja teknisestä teollisuustasosta sekä kokonaisvaltaisuudesta.

Lentokoneiden moottorit voidaan jakaa neljään perustyyppiin niiden käyttötarkoituksen ja rakennemuotojen mukaan: turbiinimoottorit, pyörremoottorit, turboshaakimot ja turbiinapropumoottorit:

Ilmailun kaasuturbiinimoottoreita kutsutaan turbiinimoottoreiksi, jotka ovat ensimmäisiä kaasuturbiinimoottoreita, jotka on käytetty. Turbiinimoottorien tuottaman vetovoiman kannalta ne ovat yksinkertaisimpia ja suoraviivaisimpia moottoreita. Perustelu perustuu reaktiavoimaan, jota syntyy korkean nopeuden virtauksen aiheuttamasta virtausvoimasta. Kuitenkin korkean nopeuden ilmavirtaus vie mukanaan paljon lämpöä ja liikemäärää, mikä aiheuttaa merkittäviä energiavihreat.

Pyörremoottori jakaa moottoriin virtaavan ilman kahteen virtarataan: sisäiseen ja ulkoiseen putkiin, mikä lisää kokonaisilmatulkin ja vähentää sisäisen putken ilmatulkin päästölämpötilaa ja nopeutta.

Turboakseli- ja turbodyymi-moottorit eivät tuota työntövoimaa ilmavirtauksen injektion kautta, joten päästöjen lämpötila ja nopeus ovat merkittävästi alhaisempia, termodynaminen tehokkuus on suhteellisen korkea, ja moottorin polttoaineenkulutusnopeus on matala, mikä tekee niistä sopivia pitkän matkan lentokoneille. Virkkeen nopeus muuttuu yleensä vain vähän, ja eri työntövoimat saavutetaan säätämällä sivellaskulmaa.

Propfan-moottori on moottori, joka sijaitsee turbodyymemoottorin ja turbofan-moottorin välissä. Se voidaan jakaa kanavoituksiin propellerikokkiin varustettuihin propfan-moottoreihin ja kanavoittamattomiin propfan-moottoreihin. Propfan-moottori on kilpailukykyisinestä uusista energiansäästömoottoreista, jotka sopivat alihypynopeuden lennölle.

Siviili-ilmailun moottorit ovat kokeneet yli puolen sadan vuoden kehityksen. Moottorin rakenne on kehittynyt alkuperäisestä keskuskiihtyvyysputken moottorista yksikköpyöräiseen aksiaalikulkevaan moottoriin, kahdesta pyörästä koostuvaan turbojet-moottoriin ja matalan kulkevatekijän turbofan-moottoriin sekä lopulta korkean kulkevatekijän turbofan-moottoriin. Rakenne on jatkuvasti optimoitu tehokkuuden ja luotettavuuden tavoittelua varten. Ensimmäisen sukupolven turbojet-moottorien turbiinin saapumislämpötila oli 1940- ja 1950-luvuilla vain 1200–1300K. Se kasvoi noin 200K joka kerta lentokoneen päivityksen myötä. 1980-luvulla neljännen sukupolven edistyneiden taistelukoneiden turbiinin saapumislämpötila saavutti 1800–2000K[1].

Keskipainoisen ilmapurkinnan periaate on, että radattimet pyörittävät kaasua korkealla nopeudella, jolloin kaasu tuottaa keskipainovoiman. Kaasun laajentumisesta aiheutuva painevirta radattimessa kasvattaa kaasun virtausnopeutta ja painetta sen kulkiessa radattimen läpi, mikä johtaa jatkuvan tiivistetylle ilmaelle. Sen ominaisuuksina ovat lyhyt aksoinen ulottuvuus ja korkea yksittäinen painevalta. Aksoinen ilmapurkuri on purkuri, jossa ilmavirta kulkee pääasiassa samansuuntaisesti pyörivän radan akselilla. Aksoinen purkuri koostuu useista vaiheista, joista kukin sisältää rivi pyörivien särmiä ja seuraavan rivin statorensärmiä. Pyörähdysosana ovat työskentelevät särmit ja rata, ja statorksi toimii ohjaus. Ilmaa ensin kiihdytetään pyörivillä särmillä, hidastetaan ja tiivistetään statoren särmienvirrassa, ja tämä prosessi toistuu monikerraisissa särmissä, kunnes kokonaispainevalta saavuttaa vaaditun tason. Aksoisen purkuriominaisuutena on pieni halkaisija, mikä mahdollistaa monikerrat käyttöön saadakseen suuremman painevaltan.   

Turbofan-moottorit käyttävät yleensä ohitusasteesta, moottorin painekerrointa, turbiinin suuntapinnan lämpötilaa ja fanin painekerrointa suunnitteluparametreina:

Ohitusaste (BPR): Kaasun massojen suhde, jotka kulkevat ulkoisten puhallusputken kautta verrattuna kaasun massaansa, joka kulkee moottorin sisäisten puhallusputkien kautta. Turbojet-moottorin etuosa pyörre nimetään usein alapaineiseksi puristimeksi, kun taas turbofan-moottorin etuosa pyörre nimetään usein faniksi. Alapaineisen puristimen kautta kulkeva painettu kaasu kulkee kaikkien turbojet-moottorin osien kautta; fanin kautta kulkeva kaasu jaetaan sisäisiin ja ulkoisiin puhallusputkiin. Turbofan-moottorien kehittymisen jälkeen BPR on kasvanut, ja tämä suuntaus on erityisen näkyväissä siviiliturbofan-moottoreissa.

Moottorin painekerroin (EPR): Nozzlen ulostulon kokonaispaineen suhde puristimen saapumispaikan kokonaispaineeseen.

Turbiinimitta temperatuuri: Polttohuoneen puhalluskaasun lämpötila, kun se tulee turbiiniin.

Tuulikompressiokerroin: Myös tunnetaan nimellä compressiokerroin, kaasupaineen suhde kompressoijan ulostulossa kaasupaineeseen tullessa.

Kaksi tehokkuutta:

Terminettä tehokkuus: Mittari siitä, kuinka tehokkaasti moottori muuntaa polttoaineen lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi.

Lentotehokkuus: Mittari siitä, kuinka suuri osa moottorin tuottamasta mekaanisesta energiasta käytetään lentokoneen eteneemiseen.

2 Turbiinilaukun kehitys

Iteratiivinen kehitys

Ottaen esimerkiksi turboventtiilimoottorin, läppäiden arvo muodostaa jopa 35 %, ja ne ovat keskeinen komponentti lentokoneiden moottoreiden valmistuksessa. Moottorissa on 3 000–4 000 ilmailuläppää, jotka voidaan jakaa kolmeen luokkaan: tuuletinläppäät, pakkausalusläppäät ja turbiiniläppäät. Turbiiniläppäiden arvo on korkein, saavutettavana 63 %. Samalla ne ovat myös vaikeimmat ja kalleimmat läppäät valmistaa turboventtiilimoottoreissa [2].

1970-luvulla Yhdysvallat oli ensimmäinen maa, joka käytti suunnattuja kiinteöitymiä PWA1422-läppäissä sekä siviili- että sotilasmaisissa lentokoneiden moottoreissa.

1980-luvun jälkeen kolmannen sukupolven moottorin voimakuljetuspaino suhteessa painoon kasvoi yli 8, ja turbiinin lehdet alkoi käyttää ensimmäistä sukupolvea SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ja Kiinan DD3. Niiden lämpökestokyky on 80K korkeampi kuin parhaan suunnattu kiinnitysleikkaus korkealämpöinen liitos PWA1422: n. Edut. Yhdistettynä elokirjoituseen ja ykkösputken tyhjään teknologiaan turbiinin lehtien toimintalämpöaste saavuttaa 1600-1750K.

Neljännessä sukupolvessa turbopuhallusmoottori käyttää toista sukupolvea SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ja DD6. Re-elementtien lisäämisen ja monikanavaisen korkean paineen ilman jäähdyttämistechnologian avulla turbiinin lehtien toimintalämpöaste saavuttaa 1800K-2000K. 2000K:ssa ja 100 tunnin ajalta kestovahvuus saavuttaa 140MPa.

Kolmannen sukupolven SX, joka kehitettiin 1990-luvun jälkeen, sisältää mallit RenéN6, CMRX-10 ja DD9, joilla on selvä etu toisesta sukupolvesta SX:n suhteen rakennevoimakkuuden osalta. Monimutkaisia jäähdytyskanavia ja lämpöesteikkosuojauksia käyttäen se pystyy kestämään turbiinin saapumislämpötilan, joka saavuttaa 3000K. Lepakesän käytetyssä välimetallinen yhdistemetalliceessa saavutetaan 2200K, ja 100 tunninkestoinen voimakkuus on 100MPa.

Tällä hetkellä kehitettävissä ovat neljäs sukupolvi SX, jota edustavat esimerkiksi MC-NG[4] ja TMS-138 sekä viides sukupolvi SX, jota edustavat esimerkiksi TMS-162. Niiden koostumuksen ominaisuutena on uusien harvinaismetaleiden, kuten Ru ja Pt, lisääminen, mikä parantaa huomattavasti SX:n korkealämpötilaisia creep-ominaisuuksia. Viidennen sukupolven korkealämpömetallien työlämpötila on saavuttanut 1150°C, mikä on lähellä teoreettista rajatyölämpötilaa 1226°C.

3 Nickelipohjaisen yksikkökyrstälysuperaloiden kehitys

3.1 Nickelipohjaisen yksikkökrystallikoostumuksen ominaisuudet ja fasiskoostumus

Matriisiaineen tyypin mukaan korkealämpötilayhdisteitä voidaan jakaa rautapohjaisiin, nickelipohjaisiin ja koboltpohjaisiin, ja ne voidaan lisäksi jakaista kaastuiksi, muovattuiksi ja pudotusmetallurgia-makrostruktuureiksi. Nickelipohjaisilla yhdisteillä on parempi korkealämpötilasuorituskyky kuin kahdella muulla korkealämpötilayhdistelmällä, ja ne voivat toimia pitkään vaikeissa korkealämpötilaympäristöissä.

Nikkelipohjaiset korkealämpötilo-alloysit sisältävät vähintään 50 % Ni. Niihin kuuluvat FCC-rakenteiset materiaalit, jotka ovat erittäin yhteensopivat joillakin alkuaineiden kanssa. Suunnitteluprosessissa lisättävien alkuaineiden määrä ylittää usein 10. Lisättävien alkuaineiden yleisyyttä luokitellaan seuraavasti: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ja W ovat ensimmäisen luokan alkuaineita, jotka toimivat austeeniin vakauttavina elementteina; (2) Al, Ti, Ta ja Nb ovat suurempia atomiradiaaneja, mikä edistää vahvistusfaseiden muodostumista, kuten yhdisteen Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), ja ne ovat toisen luokan alkuaineita; (3) B, C ja Zr ovat kolmannen luokan alkuaineita. Nidän kokoa on paljon pienempi kuin nikkeliatomien, ja ne segregoidutaan helposti γ-faasin hiukkaspaidoihin, toimien siinä hiukkasrajavahvistuksen roolissa [14].

Nikkelipohjaisen yksikkökrystalin korkealämpötilo-alloysien fasit ovat pääasiassa: γ-faasi, γ'-faasi, hiilihydraatti-faasi ja topologinen tiheästi pakattu faasi (TCP-faasi).

γ-faasi: γ-faasi on austeniittifaasi, jonka kristallikokoonnan FCC, mikä on kiinteä ratkaisu, joka muodostuu elementtien kuten Cr, Mo, Co, W ja Re dissoluutioon nikkelissä.

γ'-faasi: γ'-faasi on Ni3(Al, Ti) intermetallinen yhdiste FCC-kristallikokoonnolla, joka muodostuu sedimentaatiofaasina ja säilyttää tietyt koheesiot ja epäsopivuudet matriisia fasian kanssa, ja se sisältää runsaasti Al-, Ti- ja Ta-elementtejä.

Karbidi-faasi: Toisesta sukupolveesta alkaen nikkelipohjaisessa SX lisätään vähän hiiltä, mikä johtaa karbidiiden esiintymiseen. Vähän karbideja hajautetaan matriisiin, mikä parantaa liitteen korkean lämpötilan ominaisuuksia tietyllä tasolla. Se jaetaan yleensä kolmeen tyyppiin: MC, M23C6 ja M6C.

TCP-faasi: Palvelutikkuuden tapauksessa liialliset kestämätön alkiot, kuten Cr, Mo, W ja Re, edistävät TCP-faasin sedimenttiintymistä. TCP muodostuu yleensä plaattiin, mikä vaikuttaa negatiivisesti joustavuuteen, riuhatukseen ja väsymislaitteisiin. TCP-faasi on yksi riuhatukkien hajoamisen uppoamiskohteista.

Vahvistusmekanismi

Nikelipohjaisen superleikkauskon vahvuus johtuu useiden vahvistusmekanismien yhdistelmästä, mukaan lukien kiinteän ratkaisun vahvistaminen, sedimenttiinvahvistus ja lämpökuulutus dislokation tiheyden kasvattamiseksi ja dislokation alirakenteen kehittämiseksi vahvistusta varten.

Kiinteän ratkaisun vahvistaminen parantaa perusvahvuutta lisäämällä erilaisia ratkeavia elementtejä, kuten Cr, W, Co, Mo, Re ja Ru.

Erilaiset atomisäteet johtavat jonkinasteiseen atomiverkkovääristymiseen, mikä estää dislokation liikkumista. Kiinteän ratkaisun vahvistaminen kasvaa atomikokemuutoskasvun mukana.

Vakioratkaisu vahvistus vaikuttaa myös pyörityssyöttienergian (SFE) alentamiseen, mikä estää pääasiassa disklokation ristiin liukumista, joka on päämuoto epäideaalisten kristallien muodollisessa tilassa korkeissa lämpötiloissa.

Atoomikuplat tai lyhyen matkan järjestysrakenteet ovat toinen mekanismi, joka auttaa saavuttamaan vahvistuksen vakioratkaisun kautta. Re-atomi SX:ssä segregoituvat venyvän voiman alueeseen dislokation ytimessä γ/γ’-rajapinnalla, muodostaen "Cottrellin ilmakehän", mikä estää tehokkaasti disklokation liikkumista ja rakoilman leviämistä. (Ratkaisumatomi keskittyvät venyvän voiman alueeseen reunadisklokation luodakseen Coriolis-gaasurakenne, mikä tuottaa vahvan vakioratkaisu-vahvistuksen. Vaikutus kasvaa ratkaisumatomien konentsaation ja kokokohteen erojen kasvaessa.)

Re, W, Mo, Ru, Cr ja Co vahvistavat γ-faasiä tehokkaasti. γ-matriisin liuottumisvahvistus on erityisen tärkeä nikelipohjaisissa korkealämpötiloilla toimivissa sideaineissä.

Sateutushärventymisen vaikutusta vaikuttaa γ' -fasen tilavuusosuus ja koko. Korkeanlämpötilaisien yhdisteiden kemiallisten ominaisten optimoinnin tavoitteena on pääasiassa lisätä γ' -fasen tilavuusosuutta ja parantaa mekaanisia ominaisuuksia. SX-korkeanlämpötilaiset voivat sisältää 65-75 % γ' -fasesta, mikä johtaa hyvään krääsi-voimakkuuteen. Tämä edustaa käytännön maksimiarvoa γ/γ' -rajapinnan vahvistavan vaikutuksen suhteen, ja lisääntyessä se johtaa merkittävään vahvuuden laskuun. Korkean γ' -fasen tilavuusosuuden korkeanlämpötilaisiin krääsi-voimakkuutta vaikuttaa γ' -fasen hiukkasten koko. Kun γ' -fasen koko on pieni, disklokationit pyrkivät kiemurrelemaan sen ympärillä, mikä johtaa krääsi-voimakkuuden laskuun. Kun disklokationit joutuvat leikkaamaan γ' -fasetta, krääsi-voimakkuus saavuttaa maksiminsa. Kun γ' -fasen hiukkaset kasvavat kokoon, disklokationit pyrkivät kaarehtumaan niiden välissä, mikä johtaa krääsi-voimakkuuden laskuun [14].

On kolme pääasiallista sateuma vahvistamismekanismia:

Verkoston epäsopivuusvahvistus: γ’-fase on hajautettu ja sateutettu γ-faseen johdonmukaisesti. Molemmat ovat FCC-rakenteita. Verkoston epäsopivuus heijastaa kahden fasin koherenttien rajapintojen vakautta ja stressitilannetta. Paras tapaus on, että matriisi ja sateutunut faseilla on sama kristalirakenne ja verkostoparametrit saman geometrian mukaan, jotta enemmän sateutuneita fasuja voidaan täyttää γ-faseeseen. Nikkelipohjaisilla korkealämpötiloilla olevilla sideyhdinnoilla epäsopivuuden alue on 0~±1%. Re ja Ru erottuvat selvästi γ-faseesta. Re:n ja Ru:n lisääntyessä kasvaa verkoston epäsopivuus.

Järjestysvahvistus: Disklokationien leikkaaminen aiheuttaa epäjärjestystä matriisin ja sateutuneen fasen välillä, mikä vaatii enemmän energiaa.

Paikkavihreiden ohitussmekanismi: tämä kutsutaan Orowan-mekanismiksi (Orowan kaareutuminen), joka on vahvistusmekanismi, jossa metallimatriisin sisällä oleva pudotusvaihe estää liikkuvan paikkavihren jatkamasta liikettään. Perusperiaate: Kun liikkuvan paikkavihren kohtaa osake, se ei pysty kuljettamaan sen läpi, mikä johtaa kaareutumiseen, paikkavihren kasvuun ja tarvittava ajopaine kasvaa, mikä aiheuttaa vahvistusta.

3.3 Korkean lämpötilan sähkökarvojen tuottamistapojen kehitys

Ensimmäinen korkealämpötiloissa käytetty liitos voidaan jäljittää takaisin vuoden 1906 keksintöön, Nichrome-liitoksen. Turbokompressoreiden ja kaasuturbiinimoottorien ilmestymisen myötä syntyi merkittävä kehitys korkealämpötilaisten liitojen alalla. Ensimmäisen sukupolven kaasuturbiinimoottorien lehtisäädännöt valmistettiin puristamalla ja rautapulloinnilla, mikä selvästi osoitti ajan rajoituksia. Tällä hetkellä korkealämpötilaisten liitojen turbiinilehdet valmistetaan pääasiassa sijoitusmuovauksella, tarkemmin suunnattuun kiinteämiseen (DS). Suunnatun kiinteämisen menetelmä kehitettiin ensimmäisen kerran Yhdysvaltain Pratt & Whitneyn Versnyder-tiimiksi 1970-luvulla [3]. Kehityksen vuosikymmenien aikana turbiinilehtiä varten suosittu materiaali on muuttunut tasapisteisiin kristalleihin, joista optimoidaan sitten yksikkristallimuotoisia korkealämpötilaisten liitojen materiaaleja.

DS-tekniologiaa käytetään tuottamaan pylväsruutuisia ydinliitoja SX-komponentteihin, mikä parantaa huomattavasti korkealämpötilaisliittojen joustovuoroa ja lämpöryövyyden vastustusta. DS-tekniologia varmistaa, että valmistetut pylväsruudut ovat suunnitelmassa [001], mikä on rinnastettu osan päästressiakseliin, eikä satunnaiseen kristallografiin. Periaatteessa DS vaatii, että vedestä kiintyvän metallin kiinteöityminen malleissa tapahtuu aina juuri kiintyneessä tilassa.

Pylväsruutuisen kiinteilyn tekeminen edellyttää kahden ehdon täyttymistä: (1) Yksisuuntainen lämpövirta varmistaa, että solujen kasvupisteessä oleva kiintein-liete-interfysi liikkuu vain yhdessä suunnassa; (2) Kiintein-liete-interfysin eteen ei saa syntyä uusia kristalleja.

Koska lammikon murtuminen tapahtuu yleensä korkean lämpötilan heikossa rakenteessa kummallisen rajoittain, jotta saadaan poistettua kummallinen raja, käytetään suunnattuun kiivetykseen prosessissa kiivemismallia, jolla on "kristallivalitsin" -rakenne. Tämän rakenteen poikkileikkauksen koko on lähellä kumman kokoa, niin että vain yksi optimaalsti kasvava kumma pääsee kiivemismallin kuoppaan ja jatkaa sitten kasvua yksikkönä, kunnes koko lammikko koostuu vain yhdestä kummasta.

Kristallivalitsin voidaan jakaa kahteen osaan: aloituslohkoon ja spiraaliin:

DS-prosessin alussa hiukkaset alkavat kytkeytyä lähtölohkon pohjassa. Hiukkasten kasvun alkuvaiheessa niiden määrä on suuri, kokoa on pieni, ja suunnan ero on suuri. Hiukkasten välinen kilpailukasvu hallitsee, ja sivuseinän geometrinen estevaikutus on heikko. Tällöin suunnan optimointivaikutus on ilmeinen; kun lähtölohkon hiukkasten korkeus kasvaa, hiukkasten määrä vähenee, koko kasvaa, ja suunta on lähempänä. Hiukkasten välinen kilpailukasvu vähenee, ja sivuseinän geometrinen estevaikutus hallitsee, varmistamalla että kyristymissuunta voidaan jatkuvasti optimoida, mutta suunnan optimointivaikutus heikkenee. Lähtölohkon säteen pienentämisen ja lähtölohkon korkeuden lisäämisen avulla voidaan tehokkaasti optimoida hiukkasten suuntaa ennen spiraaliosion saapumista. Kuitenkin lähtölohkon pituuden lisääminen lyhentää ojitusmateriaalin tehokasta kasvua ja nostaa tuotantokierroksen sekä valmistuskustannukset. Siksi on tarpeellista suunnitella substraatin geometristructuuri kohtuudella.

Pääfunktio spiraalissa on tehokas yksikkristallien valinta, mutta kyky optimoida hiukkasen suuntausta on heikko. Kun DS-prosessia suoritetaan spiraalissa, kaareva kanava tarjoaa tilaa dendriittisten haarastojen kasvulle, ja hiukkasten toiset dendrit kasvavat liuoksen linjan suuntaan. Hiukkaset näyttävät voimakasta vaakasuuntaista kehitystä, ja niiden suuntaus on värähtelevässä tilassa, mikä aiheuttaa heikon optimointivaikutuksen. Siksi hiukkasten valinta spiraalissa perustuu enimmäkseen hiukkasten geometrisiin rajoituseteisiin, kilpailukasvuun ja avaruuden laajentumiseen spiraalin osiossa [7], eikä hiukkasten suosittua suuntausta koskevaan kasvuvaikutukseen, joka on voimakkaasti satunnainen [6]. Siksi pääasiallinen syy kristallien valinnan epäonnistumiselle on se, ettei spiraali voi toimia yksikkristallien valintatyökaluna. Kasvattamalla spiraalin ulommaista halkaisijaa, pienentämällä askelta ja spiraalin pinnan halkaisijaa sekä pienentämällä aloituskulmaa voidaan kristallien valintavaikutusta parantaa huomattavasti.

Tyhjiövaraisen yksikkökrystallien turbiiniliekon valmistus vaatii yli toisenkymmenen askelta (mesteralloyn sulattaminen, yksikkömuovikorvien valmistus, monimutkaisen keramiikkapintakorven valmistus, nestemassan kaastaminen, suunnattu kiinteästyminen, lämpökuormitus, pinnankäsittely, lämpöestelevykerroksen valmistus jne.). Monimutkainen prosessi on alttiina erilaisille vioille, kuten sivuviiniksenille, rakkaukselle, pienkulmaisille viinirajoille, viivaviineille, suuntaviennosta, uudelleenkristalloitumiselle, suurkulmaisille viinirajoille ja kristallivalinnan epäonnistumiselle.