एकल क्रिस्टल टर्बाइन ब्लेड: एक प्रौद्योगिकीय अग्रगामी कदम जो उच्च तापमान सीमाओं को तोड़ता है

विमान गैस टर्बाइन इंजनों का विकास

जैसे-जैसे परिवहन, सैन्य, उत्पादन और अन्य उद्देश्यों के लिए विमानों की प्रदर्शन मांगों में वृद्धि हुई, प्रारंभिक पिस्टन इंजन तेज उड़ान की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाए। इसलिए, 1950 के दशक से, गैस टर्बाइन इंजन धीरे-धीरे प्रमुख हो गए।

१९२८ में, सर फ्रैंक व्हिटले, संयुक्त राज्यवर्ष से, अपनी स्नातक परियोजना "भविष्य के हवाई जहाज़ डिज़ाइन में विकास" में लिखे कि उस समय के तकनीकी ज्ञान के अनुसार, भविष्य में प्रोपेलर इंजनों का विकास उच्च ऊंचाई की आवश्यकताओं या ८०० किमी/घंटा से अधिक उड़ान की गति को पूरा नहीं कर पाएगा। उन्होंने पहली बार वर्तमान में जेट इंजन (मोटर इंजन) कहा जाने वाले अवधारणा को प्रस्तावित किया: संपीड़ित हवा को पारंपरिक पिस्टन के माध्यम से ज्वालामुखी चैम्बर (ज्वालामुखी) में प्रदान किया जाता है, और उत्पन्न हाई-टेम्परेचर गैस का उपयोग उड़ान के लिए सीधे किया जाता है, जिसे प्रोपेलर इंजन प्लस ज्वालामुखी चैम्बर डिज़ाइन के रूप में माना जा सकता है। बाद की शोध परियोजनाओं में, उन्होंने भारी और अकुशल पिस्टन का उपयोग करने की विचार को छोड़ दिया और ज्वालामुखी चैम्बर के लिए संपीड़ित हवा प्रदान करने के लिए टर्बाइन (टर्बाइन) का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा, और टर्बाइन की शक्ति को उच्च-टेम्परेचर वायु निकासी गैस से प्राप्त की गई। १९३० में, व्हिटले ने एक पेटेंट के लिए आवेदन किया, और १९३७ में, उन्होंने दुनिया का पहला केंद्रीय टर्बाइन जेट इंजन विकसित किया, जिसे १९४१ में ऑफिशियल रूप से ग्लोस्टर E.28/39 विमान में उपयोग किया गया। इसके बाद, गैस टर्बाइन इंजन ने विमानन की शक्ति को अधिकृत कर लिया और यह एक देश के वैज्ञानिक और प्रौद्योगिकी उद्योग के स्तर और समग्र राष्ट्रीय शक्ति का महत्वपूर्ण प्रतीक है।

विमानों के इंजनों को उनके उपयोग और संरचना विशेषताओं के अनुसार चार मूल तरीकों में विभाजित किया जा सकता है: टर्बोजेट इंजन, टर्बोफ़ैन इंजन, टर्बोशाफ़्ट इंजन, और टर्बोप्रॉप इंजन:

एविएशन गैस टर्बाइन इंजन को टर्बोजेट इंजन कहा जाता है, जो प्रयोग किए गए सबसे पहले गैस टर्बाइन इंजन है। धक्का की उत्पत्ति के तरीके के दृष्टिकोण से, टर्बोजेट इंजन सबसे सरल और सीधे इंजन है। तर्क वृत्ताकार धारा के उच्च-गति वाले निर्गम के द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रिया बल पर निर्भर करता है। हालांकि, उच्च-गति वाली हवा एक साथ बहुत सारी गर्मी और गतिज ऊर्जा भी ले जाती है, जिससे बड़ी ऊर्जा की हानि होती है।

टर्बोफ़ैन इंजन इंजन में प्रवाहित होने वाली हवा को दो मार्गों में विभाजित करता है: आंतरिक डक्ट और बाहरी डक्ट, जिससे कुल हवा का प्रवाह बढ़ता है और आंतरिक डक्ट हवा की निकासी के तापमान और गति में कमी आती है।

टर्बोशाफ्ट और टर्बोप्रॉप इंजन हवा प्रवाह इंजेक्शन द्वारा धक्का नहीं उत्पन्न करते हैं, इसलिए अपशिष्ट तापमान और गति में बहुत कमी आती है, ऊष्मीय कार्यक्षमता अपेक्षाकृत अधिक होती है, और इंजन की ईंधन खपत दर कम होती है, जो लंबी दूरी के विमानों के लिए उपयुक्त है। प्रोपेलर की गति आमतौर पर नहीं बदलती है, और विभिन्न धक्काओं को प्राप्त करने के लिए प्रोपेलर के ब्लेड कोण को समायोजित किया जाता है।

प्रोपफ़ैन इंजन टर्बोप्रॉप और टर्बोफ़ैन इंजन के बीच का इंजन है। इसे डक्टेड प्रोपेलर केस वाले प्रोपफ़ैन इंजन और डक्टेड प्रोपेलर केस वाले प्रोपफ़ैन इंजन में विभाजित किया जा सकता है। प्रोपफ़ैन इंजन उपस्वर (subsonic) उड़ान के लिए उपयुक्त सबसे प्रतिस्पर्धी नए ऊर्जा-बचाव इंजन है।

नागरिक विमानोत्तरी इंजनों ने अपने विकास में सौ से अधिक वर्षों की यात्रा पूरी की है। इंजन की संरचना पहले केंद्रीय बल टर्बाइन इंजन से एकल-चक्री अक्षीय प्रवाह इंजन, दो-चक्री टर्बोजेट इंजन से कम बायपास अनुपात वाले टर्बोफ़ैन इंजन, और फिर उच्च बायपास अनुपात वाले टर्बोफ़ैन इंजन तक बदली है। कुशलता और विश्वसनीयता की ओर बढ़ने के साथ संरचना लगातार बेहतर की गई है। 1940 और 1950 के दशक के पहले टर्बोजेट इंजनों में टर्बाइन प्रवेश तापमान केवल 1200-1300K था। यह हर विमान अपग्रेड के साथ लगभग 200K बढ़ा। 1980 के दशक तक, चौथी पीढ़ी के अग्रणी लड़ाकू विमानों के टर्बाइन प्रवेश तापमान 1800-2000K [1] तक पहुंच गया।

केंद्रगामी हवा संपीड़क का सिद्धांत यह है कि प्रणोदक गैस को उच्च गति से घुमाता है, जिससे गैस में केंद्रगामी बल उत्पन्न होता है। प्रणोदक में गैस के विस्तार के कारण दबाव प्रवाह होता है, जिससे गैस को प्रणोदक से गुजरने के बाद इसका प्रवाह और दबाव बढ़ जाता है और निरंतर संपीड़ित हवा उत्पन्न होती है। इसमें छोटी अक्षीय आयाम होती है और एकल-स्तरीय दबाव अनुपात उच्च होता है। अक्षीय प्रवाह हवा संपीड़क ऐसा संपीड़क है जिसमें हवा का प्रवाह मूल रूप से घूर्णन प्रणोदक के अक्ष के समानांतर होता है। अक्षीय प्रवाह संपीड़क में कई स्तर होते हैं, प्रत्येक स्तर में रोटर पत्तियों की एक पंक्ति और फिर स्टेटर पत्तियों की एक पंक्ति होती है। रोटर कार्यात्मक पत्तियाँ और चक्र है, और स्टेटर मार्गनिर्देशक है। हवा को पहले रोटर पत्तियों द्वारा त्वरित किया जाता है, फिर स्टेटर पत्तियों के मार्ग में धीमा कर दबाव बढ़ाया जाता है, और बहु-स्तरीय पत्तियों में यह प्रक्रिया कई बार दोहराई जाती है जब तक कि कुल दबाव अनुपात आवश्यक स्तर तक न पहुंच जाए। अक्षीय प्रवाह संपीड़क में छोटा व्यास होता है, जिससे इसे बहु-स्तरीय जोड़ने के लिए सुविधाजनक होता है ताकि उच्च दबाव अनुपात प्राप्त किया जा सके।   

टर्बोफ़ैन इंजन सामान्यतः बायपास अनुपात, इंजन दबाव अनुपात, टर्बाइन प्रवेश तापमान और फ़ैन दबाव अनुपात को डिज़ाइन पैरामीटर के रूप में उपयोग करते हैं:

बायपास अनुपात (BPR): इंजन में बाहरी डक्ट्स से गुज़रने वाली गैस के द्रव्यमान का आंतरिक डक्ट्स से गुज़रने वाली गैस के द्रव्यमान से अनुपात। टर्बोजेट इंजन के अगले हिस्से पर चालक आमतौर पर कम-दबाव संपीड़क कहा जाता है, और टर्बोफ़ैन इंजन के अगले हिस्से पर चालक आमतौर पर फ़ैन कहा जाता है। कम-दबाव संपीड़क से गुज़रने वाली दबाव युक्त गैस टर्बोजेट इंजन के सभी हिस्सों से गुज़रती है; फ़ैन से गुज़रने वाली गैस को आंतरिक और बाहरी डक्ट्स में विभाजित किया जाता है। टर्बोफ़ैन इंजन के उदय के बाद से BPR बढ़ रहा है, और यह रुझान विशेष रूप से नागरिक टर्बोफ़ैन इंजनों में स्पष्ट है।

इंजन दबाव अनुपात (EPR): नॉज़ल प्रसारण मुख्य से कुल दबाव का संपीड़क प्रवेश पर कुल दबाव से अनुपात।

टर्बाइन इनलेट तापमान: जब यह टर्बाइन में प्रवेश करता है, तो दहन कक्ष के उत्सर्जन का तापमान।

फ़ैन संपीड़िता अनुपात: संपीड़क आउटलेट पर गैस के दबाव का इनलेट पर गैस के दबाव से अनुपात, जिसे संपीड़िता अनुपात के रूप में भी जाना जाता है।

दो कार्यक्षमताएँ:

थर्मल कार्यक्षमता: यह एक माप है कि एक इंजन दहन से उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा को कितनी कुशलता से यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

प्रणोदन कार्यक्षमता: यह इंजन द्वारा उत्पन्न यांत्रिक ऊर्जा के कितने हिस्से का माप है जो विमान को आगे बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है।

2 टर्बाइन ब्लेड विकास

इतरेटिव विकास

टर्बोफैन इंजन को उदाहरण के रूप में लेते हुए, पलकों का मूल्य 35% तक हो सकता है, और वे हवाई जहाज़ों की इंजन निर्माण में एक महत्वपूर्ण घटक है। एक इंजन में 3,000 से 4,000 विमान पलकें होती हैं, जिन्हें तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: फ़ैन पलकें, कम्प्रेसर पलकें और टर्बाइन पलकें। टर्बाइन पलकों का मूल्य सबसे अधिक होता है, जो 63% तक पहुंच सकता है। इसी समय, वे टर्बोफैन इंजनों में निर्माण कठिनता और निर्माण लागत के साथ सबसे कठिन पलकें भी हैं [2]।

1970 के दशक में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने सैन्य और नागरिक विमान इंजनों में PWA1422 दिशा निर्धारण ठहराव पलकों का पहले से उपयोग किया।

1980 के दशक के बाद, तीसरी पीढ़ी के इंजन के थ्रʌस्ट-टू-वेट अनुपात में 8 से अधिक वृद्धि हुई, और टर्बाइन ब्लेडों ने पहली पीढ़ी SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 और चीन के DD3 का उपयोग शुरू किया। इसकी तापमान धारण क्षमता दिशा-निर्धारित ठसाव ढालने वाले उच्च-तापमान एल्यूम जैसे सबसे अच्छे PWA1422 से 80K अधिक है। फिल्म ठंडक वाली एकल-पथ खोखली प्रौद्योगिकी के साथ, टर्बाइन ब्लेडों का संचालन तापमान 1600-1750K पर पहुंच गया।

चौथी पीढ़ी के टर्बोफ़ैन इंजन में दूसरी पीढ़ी SX PWA1484, RenéN5, CMSX-4, और DD6 का उपयोग किया गया। Re तत्वों को जोड़कर और बहु-पथ उच्च-दबाव हवा की ठंडक प्रौद्योगिकी के साथ, टर्बाइन ब्लेडों का संचालन तापमान 1800K-2000K पर पहुंच गया। 2000K और 100h की अवधि में, अवशिष्ट बल 140MPa पर पहुंच जाता है।

1990 के दशक के बाद विकसित हुआ तीसरा-पीढ़ी SX, जिसमें RenéN6, CMRX-10 और DD9 शामिल हैं, जो दूसरी-पीढ़ी SX की तुलना में बहुत स्पष्ट रूप से धीमी प्रवणता (creep strength) के फायदे रखते हैं। जटिल ठंडे चैनलों और ऊष्मा बाधक कोटिंग की सुरक्षा के तहत, इसके टर्बाइन प्रवेश तापमान 3000K तक पहुंच जाता है। पंखों में उपयोग की जाने वाली धातु-अंतर्गत संयुक्त धातु (intermetallic compound alloy) 2200K तक पहुंचती है, और 100h की अवधि की मजबूती 100MPa तक पहुंच जाती है।

वर्तमान में विकास में चौथी पीढ़ी SX पर काम किया जा रहा है, जिसमें MC-NG[4], TMS-138 आदि शामिल हैं, और पांचवीं पीढ़ी SX, जिसमें TMS-162 आदि शामिल हैं। इसकी रासायनिक संरचना नए दुर्लभ पृथ्वी तत्वों जैसे Ru और Pt के जोड़ से चिह्नित है, जो SX की उच्च-तापमान धीमी प्रवणता (high-temperature creep performance) को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है। पांचवीं पीढ़ी उच्च-तापमान धातु का कार्यात्मक तापमान 1150°C तक पहुंच गया है, जो 1226°C के सैद्धांतिक सीमा कार्यात्मक तापमान के करीब है।

निकेल-आधारित एकल क्रिस्टल सुपरधातुओं का विकास

3.1 निकेल-आधारित एकल क्रिस्टल सुपरएलोइज़ की संघटना विशेषताएँ और फेज़ संghटन

मैट्रिक्स तत्वों के प्रकार के अनुसार, उच्च-तापमान एलोइज़ को लोहे-आधारित, निकेल-आधारित और कोबाल्ट-आधारित में विभाजित किया जा सकता है, और इसे पिघलाया हुआ, ढाला हुआ और पाउडर मेटलर्गी मacrostructures में आगे विभाजित किया जा सकता है। निकेल-आधारित एलोइज़ का उच्च-तापमान प्रदर्शन अन्य दो प्रकार के उच्च-तापमान एलोइज़ से बेहतर होता है और यह कठिन उच्च-तापमान परिवेशों में लंबे समय तक काम कर सकता है।

निकल-आधारित उच्च-तापमान सैंड्रस में कम से कम 50% निकल होता है। इनकी FCC संरचना कुछ मिश्रण तत्वों के साथ अत्यधिक संगति प्रदान करती है। डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान जोड़े गए मिश्रण तत्वों की संख्या अक्सर 10 से अधिक हो जाती है। जोड़े गए मिश्रण तत्वों की सामान्यता निम्न रूप से वर्गीकृत की जाती है: (1) निकल, कोबाल्ट, फेरो, क्रोमियम, रुथेनियम, रेडियम, मोलिब्डेन और टंगस्टन पहले वर्ग के तत्व हैं, जो ऑस्टेनाइट स्थिरीकरण तत्व के रूप में कार्य करते हैं; (2) एल्यूमिनियम, टिटेनियम, टैंटेलम और नियोबियम बड़े परमाणु त्रिज्या वाले होते हैं, जो मजबूती पहलुओं जैसे चक्रव्यूह Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) के गठन को बढ़ावा देते हैं, और वे दूसरे वर्ग के तत्व हैं; (3) बोरन, कार्बन और जिर्कोनियम तीसरे वर्ग के तत्व हैं। उनका परमाणु आकार निकल परमाणुओं की तुलना में बहुत छोटा होता है, और वे γ चरण की अणु सीमाओं पर आसानी से विभाजित हो जाते हैं, जिससे अणु सीमा मजबूती में योगदान देते हैं [14]।

निकल-आधारित एकल क्रिस्टल उच्च-तापमान सैंड्रस के चरण मुख्य रूप से ये हैं: γ चरण, γ' चरण, कार्बाइड चरण, और टॉपोलॉजिकल क्लोस-पैक्ड चरण (TCP चरण)।

गामा फ़ेज: गामा फ़ेज एक ऑस्टेनाइट फ़ेज है जिसकी क्रिस्टल संरचना FCC होती है, जो Cr, Mo, Co, W, और Re जैसे तत्वों के घुलनशील रूप में निकेल में बनती है।

गामा' फ़ेज: गामा' फ़ेज एक Ni3(Al, Ti) अंतरधातु संयोजक है जो FCC के रूप में बनती है, जो प्रतिस्थापन फ़ेज के रूप में बनती है और मैट्रिक्स फ़ेज के साथ निश्चित समझदारी और असमानता बनाए रखती है, और Al, Ti, Ta और अन्य तत्वों से भरी होती है।

कार्बाइड फ़ेज: दूसरी पीढ़ी के निकेल-आधारित SX से शुरू, छोटी मात्रा में C जोड़ा जाता है, जिसके कारण कार्बाइड का उदय होता है। छोटी मात्रा में कार्बाइड मैट्रिक्स में फ़ैले होते हैं, जो धातु की उच्च-तापमान प्रदर्शन को कुछ हद तक सुधारते हैं। इसे आमतौर पर तीन प्रकारों में विभाजित किया जाता है: MC, M23C6, और M6C।

टीसीपी फ़ेज़: सेवा जरायु के मामले में, अतिरिक्त प्रतिरक्षी तत्वों जैसे क्रोमियम (Cr), मोलिब्डेनम (Mo), टंगस्टन (W) और रेनियम (Re) के कारण टीसीपी फ़ेज़ के प्रस्फूटन को बढ़ावा मिलता है। टीसीपी आमतौर पर एक प्लेट के रूप में बनता है। प्लेट संरचना रूपांतरण, धीमी चाल, और थकान गुणों पर नकारात्मक प्रभाव डालती है। टीसीपी फ़ेज़ धीमी चाल के फटने के एक खंडन का स्रोत है।

प्रबलता की कार्यविधि

निकेल-आधारित सुपरएलायझ़ की प्रबलता कई प्रकार की प्रबलता कार्यविधियों, जिनमें ठोस-विलयन प्रबलता, प्रस्फूटन प्रबलता और उष्मा उपचार शामिल है, जिससे डिस्लोकेशन घनत्व बढ़ाने और डिस्लोकेशन उप-संरचना को विकसित करने के लिए प्रबलता प्रदान की जाती है।

ठोस-विलयन प्रबलता विभिन्न विलेय तत्वों को जोड़कर मूल प्रबलता में सुधार करती है, जिनमें क्रोमियम (Cr), टंगस्टन (W), कोबाल्ट (Co), मोलिब्डेनम (Mo), रेनियम (Re) और रूथेनियम (Ru) शामिल हैं।

विभिन्न परमाणु त्रिज्या के कारण परमाणु जालीका में एक निश्चित डिस्टोर्शन होता है, जो डिस्लोकेशन गति को रोकता है। ठोस-विलयन प्रबलता परमाणु आकार के अंतर के साथ बढ़ती है।

ठोस समाधान मजबूती देने का प्रभाव स्टैकिंग फ़ॉल्ट ऊर्जा (SFE) को कम करने पर भी पड़ता है, जो मुख्य रूप से गलतफ़हमी क्रॉस स्लिप को रोकता है, जो अधिक तापमान पर गैर-आदर्श क्रिस्टल का मुख्य विकृति ढंग है।

परमाणु समूह या छोटे-दूरी की क्रमबद्धता की रचनाएँ ठोस समाधान के माध्यम से मजबूती प्राप्त करने में मदद करने वाली एक और कारण हैं। Re परमाणु SX में γ/γ’ इंटरफ़ेस पर डिसलोकेशन कोर के खिंचाव तनाव क्षेत्र में विभाजित होते हैं, जो एक 'कॉट्रेल वातावरण' बनाते हैं, जो डिसलोकेशन चलन और फटलेने के प्रसार को प्रभावी रूप से रोकता है। (विलयन परमाणु बजावट डिसलोकेशन के तनाव क्षेत्र में सांद्रित होते हैं, जो जालक विकृति को कम करते हैं, एक कोरियोलिस गैस संरचना बनाते हैं, और मजबूत ठोस समाधान मजबूती प्रभाव उत्पन्न करते हैं। यह प्रभाव विलयन परमाणु सांद्रता और आकार के अंतर के साथ बढ़ता है)

री, डब्लू, मो, रू, क्र, और को गामा फेज़ को प्रभावी रूप से मजबूत करते हैं। गामा मेट्रिक्स का ठोस-विलयन मजबूतीकरण निकेल-आधारित उच्च-तापमान धातुओं की क्रीप शक्ति में अत्यधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

वर्षा के ठोसीकरण प्रभाव को γ' फेज़ के आयतन भिन्न और आकार से प्रभावित किया जाता है। उच्च-तापमान धातुओं के संघटन को बेहतर बनाने का मुख्य उद्देश्य γ' फेज़ के आयतन भिन्न को बढ़ाना है और यांत्रिक गुणों को सुधारना। SX उच्च-तापमान धातुएं γ' फेज़ के 65% से 75% तक के आयतन भिन्न को धारण कर सकती हैं, जिससे अच्छी रिप कठिनता (creep strength) प्राप्त होती है। यह γ/γ' इंटरफ़ेस के ठोसीकरण प्रभाव का उपयोगी अधिकतम मान प्रतिनिधित्व करता है, और इसे बढ़ाने पर बल में महत्वपूर्ण कमी आ सकती है। उच्च γ' फेज़ आयतन भिन्न वाली उच्च-तापमान धातुओं की रिप कठिनता γ' फेज़ कणों के आकार से प्रभावित होती है। जब γ' फेज़ का आकार छोटा होता है, तो विकृतियाँ इसके चारों ओर चढ़ने की प्रवृत्ति करती हैं, जिससे रिप कठिनता में कमी आती है। जब विकृतियों को γ' फेज़ को काटना पड़ता है, तो रिप कठिनता अपने अधिकतम पर पहुँच जाती है। γ' फेज़ कणों के आकार में बढ़ोतरी होने पर, विकृतियाँ उनके बीच में झुकने की प्रवृत्ति करती हैं, जिससे रिप कठिनता में कमी आती है [14]।

तीन मुख्य प्रासंगिक तीव्री करण युक्तियाँ हैं:

जालीकरण असमानता मजबूती: γ’ चरण γ चरण मैट्रिक्स में संवेदनशील रूप से फ़ैला हुआ है। दोनों FCC संरचनाएँ हैं। जालीकरण असमानता दोनों चरणों के बीच संगत इंटरफ़ेस की स्थिरता और तनाव अवस्था को दर्शाती है। सबसे अच्छा मामला यह है कि मैट्रिक्स और प्रासंगिक चरण की समान क्रिस्टल संरचना और ज्यामितीय रूप से समान जालीकरण पैरामीटर हों, ताकि γ चरण में अधिक प्रासंगिक चरण भर सकें। निकेल-आधारित उच्च-तापमान यौगिकों की असमानता की सीमा 0~±1% है। Re और Ru γ चरण के साथ स्पष्ट रूप से विभाजित हैं। Re और Ru की वृद्धि जालीकरण असमानता में वृद्धि करती है।

क्रम मजबूती: डिसलोकेशन कटिंग मैट्रिक्स और प्रासंगिक चरण के बीच अक्रम को उत्पन्न करता है, जिसे अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है

डिसलोकेशन बायपास मैकेनिज़्म: इसे ओरोवान मैकेनिज़्म (ओरोवान बोइंग) कहा जाता है, यह एक स्ट्रेंग्थनिंग मैकेनिज़्म है जिसमें धातु मैट्रिक्स में अवक्षेपित फेज़ गतिमान डिसलोकेशन को रोकती है। मूल तत्व: जब गतिमान डिसलोकेशन एक कण से सामना करती है, वह इसे पार नहीं कर सकती है, जिसके परिणामस्वरूप बायपास की व्यवहार, डिसलोकेशन लाइन की वृद्धि और आवश्यक चालक बल बढ़ जाता है, जिससे स्ट्रेंग्थनिंग प्रभाव होता है।

3.3 उच्च-तापमान एल्यूम कास्टिंग विधियों का विकास

उच्च तापमान वातावरण में प्रयोग किया जाने वाला सबसे पुराना मिश्र धातु 1906 में निक्रोम के आविष्कार का पता लगाया जा सकता है। टर्बो कंप्रेसर और गैस टरबाइन इंजनों के उद्भव ने उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं के विकास को प्रोत्साहित किया। पहली पीढ़ी के गैस टरबाइन इंजनों के ब्लेडों का उत्पादन एक्सट्रूज़न और फोर्जिंग के द्वारा किया जाता था, जो कि समय की सीमाओं के साथ स्पष्ट रूप से था। वर्तमान में उच्च तापमान वाले मिश्र धातु टरबाइन ब्लेड ज्यादातर निवेश कास्टिंग, विशेष रूप से दिशात्मक कठोरता (डीएस) द्वारा बनाए जाते हैं। डीएस विधि का आविष्कार 1970 के दशक में संयुक्त राज्य अमेरिका में प्रैट एंड व्हिटनी की वर्स्नाइडर टीम द्वारा किया गया था। विकास के दशकों में, टरबाइन ब्लेड के लिए पसंदीदा सामग्री को समवर्ती क्रिस्टल से स्तंभ क्रिस्टल में बदल दिया गया है, और फिर एकल क्रिस्टल उच्च तापमान मिश्र धातु सामग्री के लिए अनुकूलित किया गया है।

DS प्रौद्योगिकी का उपयोग किस्तरीय मुख्यांश सैक्स (SX) घटकों के उत्पादन के लिए किया जाता है, जो उच्च-तापमान धातुओं की टेढ़े पड़ने और तापीय आघात प्रतिरोध को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है। DS प्रौद्योगिकी यह सुनिश्चित करती है कि उत्पादित किस्तरीय क्रिस्टल का [001] अक्ष होता है, जो भाग के मुख्य तनाव अक्ष के समानांतर होता है, बजाय यादृच्छिक क्रिस्टल अक्ष। सिद्धांततः, DS यह सुनिश्चित करने के लिए है कि लोहे के पिघले हुए धातु के ठसने की प्रक्रिया ऐसे रूप में होती है कि तरल धातु हमेशा ठीक ठसे हुए अवस्था में रहती है।

किस्तरीय क्रिस्टल के ढालने को दो शर्तों का पालन करना पड़ता है: (1) एकदिशा ऊष्मा प्रवाह यह सुनिश्चित करता है कि अणु के विकास बिंदु पर ठोस-तरल सीमा एक दिशा में चलती है; (2) ठोस-तरल सीमा के चलने की दिशा के सामने कोई न्यूक्लिएशन नहीं होना चाहिए।

चूंकि ब्लेड का टूटना आमतौर पर अनाज सीमा के उच्च तापमान कमजोर संरचना में होता है, अनाज सीमा को समाप्त करने के लिए, एक "अनाज चयनकर्ता" संरचना के साथ एक सख्त मोल्ड का उपयोग दिशागत सख्त प्रक्रिया के दौरान किया जाता है। इस संरचना का अनुप्रस्थ आकार अनाज के आकार के करीब है, ताकि केवल एक एकल अनुकूलित रूप से विकसित अनाज ही कास्टिंग की मोल्ड गुहा में प्रवेश करे, और फिर एक एकल क्रिस्टल के रूप में तब तक बढ़ता रहे जब तक कि पूरा ब्लेड केवल एक अनाज से बना न हो।

क्रिस्टल चयनकर्ता को दो भागों में विभाजित किया जा सकता हैः स्टार्ट ब्लॉक और सर्पिलः

DS प्रक्रिया की शुरुआत में, अनाज के कण आरंभिक ब्लॉक के नीचे न्यूक्लिएट करना शुरू करते हैं। अनाज के विकास की शुरुआती चरण में, संख्या बड़ी होती है, आकार छोटा होता है, और दिशा का अंतर बड़ा होता है। अनाज के बीच की प्रतिस्पर्धी विकास व्यवहार को प्रमुखता प्राप्त है, और पार्श्व दीवार का ज्यामितीय रोकथाम प्रभाव कमजोर है। इस समय, दिशा का अनुकूलन प्रभाव स्पष्ट है; जब आरंभिक ब्लॉक में अनाज की ऊंचाई बढ़ती है, तो अनाज की संख्या कम होती है, आकार बढ़ता है, और दिशा निकटतम होती है। अनाज के बीच की प्रतिस्पर्धी विकास व्यवहार कम होती है, और पार्श्व दीवार का ज्यामितीय रोकथाम प्रभाव प्रमुखता प्राप्त करता है, जिससे यह सुनिश्चित करता है कि क्रिस्टल दिशा को लगातार अनुकूलित किया जा सके, लेकिन दिशा का अनुकूलन प्रभाव कमजोर हो जाता है। आरंभिक ब्लॉक की त्रिज्या को कम करके और आरंभिक ब्लॉक की ऊंचाई को बढ़ाकर, गुलाबी खंड में प्रवेश करने वाले अनाज की दिशा को प्रभावी रूप से अनुकूलित किया जा सकता है। हालांकि, आरंभिक ब्लॉक की लंबाई को बढ़ाने से ढाल के प्रभावी विकास स्थान कम हो जाएगा, और आपको उत्पादन चक्र और तैयारी की लागत पड़ेगी। इसलिए, उपभोक्ता की ज्यामितीय संरचना को सensibly डिज़ाइन करना आवश्यक है।

स्पायरल का मुख्य कार्य एकल क्रिस्टल को अधिक से अधिक कुशलता से चयनित करना है, और अणुओं की दिशा को बेहतर बनाने की क्षमता कमजोर है। जब DS प्रक्रिया स्पायरल में की जाती है, घुमावदार पथ डेंड्राइटिक शाखा के विकास के लिए स्थान प्रदान करता है, और अणुओं की द्वितीय डेंड्राइट्स तरल रेखा की दिशा में आगे बढ़ती हैं। अणुओं में बहुत मजबूत पार्श्व विकास की प्रवृत्ति होती है, और अणुओं की दिशा उप-और-नीचे की स्थिति में होती है, जिससे दिशा का बेहतरीन प्रभाव कमजोर होता है। इसलिए, स्पायरल में अणुओं का चयन अधिकतर उन अणुओं के ज्यामितीय प्रतिबंध फायदे, प्रतिस्पर्धी विकास फायदे, और स्थानिक विस्तार फायदे पर निर्भर करता है [7], बल्कि अणुओं की पसंदीदा दिशा के विकास फायदे पर नहीं, जो बहुत यादृच्छिक है [6]। इसलिए, क्रिस्टल चयन की विफलता का मुख्य कारण यह है कि स्पायरल एकल क्रिस्टल चयन का काम नहीं करता है। स्पायरल के बाहरी व्यास को बढ़ाने, पिच को कम करने, स्पायरल सतह का व्यास कम करने, और शुरुआती कोण को कम करने से क्रिस्टल चयन का प्रभाव बहुत मजबूत हो सकता है।

खोखली एकल क्रिस्टल टर्बाइन ब्लेड के तैयारी के लिए दस से अधिक चरणों की आवश्यकता होती है (मास्टर एलोइ का पिघलाना, एकल क्रिस्टल मेमब्रेन शेल की तैयारी, जटिल विन्यास वाले सिरामिक कोर की तैयारी, पिघली हुई धातु का ढालना, दिशानुसारी ठोस होना, गर्मी का उपचार, सतह का उपचार, थर्मल बैरियर कोटिंग की तैयारी, आदि)। यह जटिल प्रक्रिया विभिन्न खराबीओं के लिए प्रवण है, जैसे कि भटकी हुई धानियाँ, फ्रेकल्स, छोटे कोण की धानी सीमाएँ, छापी हुई क्रिस्टल, दिशा से विचलन, पुनर्जीवन, बड़े कोण की धानी सीमाएँ, और क्रिस्टल चयन का विफल होना।