Egyetlen kристалlos turbinaszárnyak: technológiai áttörés, amely felülmúlja a magas hőmérsékletű korlátokat

1 A repülő gépgyártás fejlesztése

Ahogy a szállítási, hadiközi, gyártási és más célokra szolgáló repülőgépek teljesítményszükségletei növekedtek, az első pistonmotorok már nem tudtak kielégíteni a magas sebességű repülés igényeit. Ezért 1950-es évek óta a gázgyúr-motorok fokozatosan főárammá váltak.

1928-ban a Egyesült Királyság Frank Whittle sir címzettje a hadikar akadémián tanulmányozva az „A repülőgépek tervezésének jövője” című diplomamunkójában kimondta, hogy az akkori technikai ismeretek alapján a jövőben a héjakerek nem felelnek meg a magas altitudók vagy az 800 km/h-nál gyorsabb repülési sebességek igényeinek. Elsőként felvetette azt a fogalmat, amit ma régiómotornak (motor motor) nevezzük: a tömörített levegőt egy hagyományos pisztont használó égéskammerré szállítják, és az így keletkező magas hőfokú gáz közvetlenül használatos repülésre való kiváltásra, ami egy héjakerekhez csatolt égéskammeres tervezetként tekinthető. A későbbi kutatások során elhagyta a nehéz és hatélgéptelen pisztont, és ajánlotta, hogy turbinát (turbin) használjanak az égéskammerébe szállítandó tömörített levegőhez, melynek erőforrása a magas hőfokú kifutó gáz lesz. 1930-ban Whittle szabadalomra vette, és 1937-ben kidolgozta a világ első centrifugális turbórégiót, amelyet 1941-ben hivatalosan alkalmaztak a Gloster E.28/39 típusú repülőgépen. Így a gázturbina motortípusok uralkodni kezdtek a légijármű-motorok területén, és fontos szimbólumaként szolgálnak egy ország tudományos és ipari szintjének valamint a nemzeti hatalomosság teljes körű képességének.

Az repülőgép motorképek négy alapvető típusra oszthatók a használatuk és szerkezetük jellemzői szerint: turbojet motorok, turbofan motorok, turbószerelvényes motorok és turbopropeller motorok.

A légijárásos gázturbinamotorokat turbojet motoroknak nevezzük, amelyek a legkorábban használt gázturbinamotorok. A hajtás kialakításának módjából a turbojet motorok a legegyszerűbb és legközvetlenebb motorok. Az érvelés az áramló magas sebességű fúvó reakcióereje alapján történik. Azonban a magas sebességű légcsatorna sok hő- és mozgásterméket visz el egyszerre, ami nagy energiaveszteséget okoz.

A turbofan motor két útvonalra osztja az azt áramló levegőt: belső és külső csatornára, ami növeli az összes légcsatorna áramlási sebességét és csökkenti a belső csatorna kiválasztott légcsomag hőmérsékletét és sebességét.

A turbószeles és turbohéjjal ellátott motorok nem termelnek nyomás differenciát légiáramlás befúrása révén, ezért az kifutási hőmérséklet és sebesség jelentősen csökkent, a hőhatékonyság viszont viszonylag magas, és a motor üzemanyagfogyasztása alacsony, ami alkalmas távoli repülőgépekhez. A szófúnyó sebessége általában nem változik, és különböző nyomásokat a lappszög módosításával kapjuk meg.

A propfan motor egy olyan motor, amely a turbohéj és a turbószeles motor között helyezkedik el. Két típusú lehet: csatornázott szófúnyójú propfan motor és nem csatornázott szófúnyójú propfan motor. A propfan motor a legversenyképesebb új energiatakarékos motor, amely alkalmas alulhangsúri repüléshez.

A polgári repülőgép motorok több mint fél évszázada fejlődnek. A motor szerkezete evolúcióval alakult, kezdve az korai centrífugus turbinamotorral, átmenettel az egyrotoros axiális folyású motortól, a kétrotoros turbogéptől a kis áteresedésű turbofan-motorra, és végül a nagy áteresedésű turbofan-motorra. Folyamatosan optimalizálták a szerkezetet a hatékonyság és megbízhatóság igényeire. Az első generáció turbogépek belső turbina-hőmérséklete 1940-as és 1950-es években csak 1200–1300K volt. Mindegyik repülőfrissítéssel kb. 200K-rel nőtt. Az 1980-as évekig a negyedik generáció haladó harcirepülők turbina-belső hőmérséklete 1800–2000K-re emelkedett [1].

A centrifuális levegőszorító elve, hogy az impeller magas sebességgel megforgatja a gázokat, amelyek centrifugális erőt fejtenek ki. A gáz bonyolult nyomásfolyamot hoz létre az impellerben, ami növeli a gáz áramlási sebességét és nyomat annak után, ahogy kijár az impellerből, és folyamatosan termel szorított levegőt. Rövid tengelyes dimenziójú, és magas egyetemű nyomatiukarát mutat. Az áramfúvós levegőszorító olyan szorítót jelent, amelyben az légfolyamat alapvetően párhuzamosan halad a forgó impeller tengelyével. Az áramfúvós szorító több szintet tartalmaz, mindegyik szint egy sor forgó lap és egy következő álló lapból áll. A forgó a munkalap és a kerék, míg az álló az útmutató. Az lég elsőnek a forgó lapok gyorsítják, lassul és szorítanak az álló lapcsatornában, és ezt a több szintű lapokon ismétlik meg, amíg a teljes nyomatiukar nem éri el a szükséges szintet. Az áramfúvós szorító kisebb átmérőjű, amely egyszerűsíti a több szintű soros használatot a magasabb nyomatiukar eléréséhez.   

A turbócső motorok általában a környezetesszám, a motor nyomásaránya, a turbinabemeneti hőmérséklet és a fanyomásarányt használják tervezési paraméterként:

Környezetesszám (BPR): A gáz tömegének aránya, amely az outer ductokon halad el, és a gáz tömegének aránya, amely a belső ductokon halad el a motorban. A turbójét motor elején lévő rotor általában alacsony nyomású szivattyúnak nevezik, míg a turbófan motor elején lévő rotort általában fan-neven hívjuk. A low-pressure szivattyú által nyomás alatt tartott gáz áthalad minden részen a turbójét motorn; a fan által áramló gáz osztva van belső és külső ductok között. A turbófan motorok megjelenése óta a BPR folyamatosan növekszik, és ez a trend különösen észrevehető a civil turbófan motoroknál.

Motor nyomásarány (EPR): A zuhanócső kimeneti teljes nyomás és a szivattyú bemeneti teljes nyomás aránya.

Turbina bemeneti hőmérséklet: A középgaz motor kifúvója által elért hőmérséklet, amikor az a turbinába lép.

Gépkerék tömörítési arány: Más néven tömörítési arány, a tömörítő kijárati gáznyomás és a bemeneti gáznyomás aránya.

Két hatékonyság:

Hőhatékonyság: Mérőszám arra, hogy milyen hatékonyan konvertál egy motor a középgaz égetéséből származó hőenergiát mechanikai energiává.

Járműhatékonyság: Mérőszám arra, hogy mennyi a motor által generált mechanikai energia hasznos része szolgálja a repülőgép haladását.

2 Turbinaszerkezeti fejlesztés

Iteratív fejlesztés

Turbofan motort veszünk példaként, a lapok értéke addig nőhet, hogy 35%-ot tesz ki, és fontos komponens az repülőgép-motorok gyártásában. Egy motorban 3 000-4 000 repülőgépi lappal rendelkeznek, amelyek három kategóriába oszthatók: ventilátorlapok, tömörítőlapok és turbinálapok. A turbinálapok értéke a legmagasabb, elérve 63%. Egyszerre ezek a legegyszerűbbek nem azok, hanem a turbofan-motorok legsövedesebb és legdrágább teremtményei [2].

A 70-es években az Egyesült Államok volt az első, aki irányított fagyasztási lapokat (PWA1422) használt a katonai és civil repülőgép-motorokban.

1980-as évek után a harmadik generációentariosú-tömeg aránya meghaladta az 8-ast, és a turbinaszárak elkezdtek használni az első generációs SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 és Kína DD3 típusait. A hőmérsékleti viselkedésük 80K-rel magasabb, mint a legjobb irányított szilárdulásos öntetéses magas hőmérsékletű fémliga (PWA1422). Előnyökkel. A filmhűvösítéses egycsatornás üres technológia alkalmazásával a turbinaszárok működési hőmérséklete 1600-1750K közöttiértéket ér el.

A negyedik generáció turbofan motor a második generációs SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 és DD6-t használja. Rhenium elemek hozzáadásával és többcsatornás magas nyomású levegőhűtéses technológiával a turbinaszárok működési hőmérséklete 1800K-2000K között van. 2000K-nál és 100 órán át a tartós erő 140MPa.

A 90-es évek utáni harmadik generációs SX, amelybe tartozik a RenéN6, a CMRX-10 és a DD9, jelentősen nagyobb kripterősség-előnyt mutat a második generációs SX-hez képest. Bonyolult hűtőcsatornák és hőálló fedőanyagok védelmében elérheti a turbin-bejárat hőmérséklete, amelyet bír elviselni, 3000K-ra emelkedik. A léczekben használt intermetallikus ötvözött fémből készült anyag eléri a 2200K-t, és a 100 órás tartós erő 100MPa-ra ér.

Jelenleg fejlesztés alatt vannak a negyedik generációs SX-k, mint például az MC-NG[4], a TMS-138 stb., valamint az ötödik generációs SX-k, mint például a TMS-162 stb. Összetételükben új ritkaföldanyagok, mint például a rúd és a platinum hozzáadása jellemzi, ami jelentősen javítja az SX magas hőmérsékletű kriptelési tulajdonságait. Az ötödik generáció magas hőmérsékletű ötvözött fémből készült munkahőmérséklet elérte a 1150°C-t, amely közel van a 1226°C-os elméleti határértékhez.

3 A nikkelalapú egyetlen kristytúra-szuperalloys fejlődése

3.1 A níkelalapú egyfázisú kristály-szuperhõanyagok összetevõ jellemzői és fázisösszetége

A mátrixelemek típusa szerint a magas-hőmérsékletű anyagokat választhatjuk négyszögletes, níkelalapú és kobaltalapú anyagokká, amelyek tovább részletesebben oszthatók keresztbeolvasztott, gyújtott és pormetallurgia makrostruktúrákká. A níkelalapú anyagoknál jobb a magas-hőmérsékletű tulajdonságuk mint a más két típusú magas-hőmérsékletű anyagnál, és hosszabb ideig működhetnek kemény magas-hőmérsékletű környezetben.

A nikkelalapú magas-hőmérsékletű legek legalább 50%-ot nikkel tartalmaznak. Az FCC szerkezetük nagyon kompatibilis néhány hozzáadott elemmel. A tervezési folyamat során hozzáadott műanyagolóelemek száma gyakran 10-nél is több. A hozzáadott műanyagolóelemek közös tulajdonságai a következőképpen osztályozhatók: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo és W első osztályú elemek, amelyek austenit stabilizáló elemek; (2) Al, Ti, Ta és Nb nagyobb atomi sugarakkal rendelkeznek, amelyek segítségével megalkossza a erősítő fázisokat, például az Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) összetevőket, és második osztályú elemek; (3) B, C és Zr harmadik osztályú elemek. Atomjuk mérete sokkal kisebb, mint a nikkel-atomoké, és könnyedén eloszlanak a γ fázis csomópontjaira, ahol részvételük a csomópontok erősítésében [14].

A nikkelalapú egyetlen kristály magas-hőmérsékletű legek fázisaiban a legfontosabbak a következők: γ fázis, γ' fázis, karbidszint és topológiai zárócsomófázis (TCP fázis).

γ fázis: a γ fázis egy austenit fázis, amelynek a kristálystruktúrája FCC, és egy olyan szilárd oldat, amelyet olyan elemek, mint a Cr, Mo, Co, W és Re oldottak nickelben.

γ' fázis: a γ' fázis egy Ni3(Al, Ti) intermetallikus összetevő FCC szerkezettel, amely egy konzisztenciafázisnak tekintve kristályosul ki, és bizonyos koherenciát és nemegyezmést tart meg a mátrixfázissal, és gazdagított Al, Ti, Ta és más elemekkel.

Kárbid fázis: a második generáció nickelek alapján SX-tól kezdve kisebb mennyiségű C van hozzáadva, ami kárbidok jelentősége érdekében jelenik meg. Kisebb mennyiségű kárbidok szóródnak a mátrixban, ami bizonyos mértékig javítja az allow hőmérsékleti tulajdonságait. Általában három típusra oszthatók: MC, M23C6 és M6C.

TCP fázis: A szolgáltatás öregsége esetén a túlzott ellenálló elemek, mint például a Cr, Mo, W és Re, megkönnyítik a TCP fázis kristallizálódását. A TCP általában lapos struktúrájúként alakul ki. A lapos szerkezet negatív hatással van a nyerésesség, a kihullás és a feszültség tulajdonságaira. A TCP fázis egyik forrása a kihullási törésnek.

Erősségi mechanizmus

A nikkelalapú ultrahős ligaturák erőssége több erősségelő mechanizmus összekapcsolódásából ered, beleértve a szilárdoldalom erősséget, a kiszivárgási erősséget és a hőkezelést, amely növeli a diszlokáció sűrűségét és fejleszti a diszlokációs részstruktúrát az erősség biztosítására.

A szilárdoldalom erőssége különböző oldható elemek hozzáadásával javul, beleértve a Cr-t, W-t, Co-t, Mo-t, Re-t és Ru-t.

Az eltérő atomi sugarak bizonyos mértékű atomi rács deformációjához vezetnek, amely megakadályozza a diszlokáció mozgását. A szilárdoldalom erőssége növekszik az atomi méretkülönbség növekedéssel.

A szilárd megoldás erőssítése még csökkenti a veremhiba-energiát (SFE), főként megakadályozza a diszlokációk keresztmenetű áramlását, amely a nem ideális krystallek fő deformációs módja magas hőmérsékleten.

Atomos fürthöz tartozó vagy rövid távolságú rendezettségű szerkezetek egy másik mechanizmus, amely segít a szilárd megoldás erőssítésében. Az Re-atomok a SX-ben szegregálnak a húzóterhelési régióba a diszlokációmag közvetlenül a γ/γ’ felületén, amely egy „Cottrell-légbuborékt” alkotása, hatékonyan megakadályozva a diszlokáció mozgását és a törés terjedését. (A oldóatomok koncentrálódnak a húzóterhelési területén az él-diszlokációknál, csökkentve a rács torzulását, amely egy Coriolis-gáz szerkezetet alkot, és erős szilárd megoldás erőssítési hatást termel. Az effektus növekszik a oldóatommagok koncentrációval és a méretkülönbség növekedésével.)

A Re, W, Mo, Ru, Cr és Co hatékonyan erősíti a γ fázist. A γ mátrixszolidoldat erősítése alapvető szerepet játszik a níkelalapú magas-hőmérsékletű legereszek lógószerkezeti erősségében.

A szivtehetetlenségi erősséget befolyásolja a γ' fázis térfogati aránya és mérete. A magas-hőmérsékletű hengerek összetételének optimalizálásának célja főként a γ' fázis térfogati arányának növelése és a mechanikai tulajdonságok javítása. Az SX magas-hőmérsékletű hengerek 65%-75% γ' fázist tartalmazhatnak, ami jó kihajtósági erősséget eredményez. Ez képviseli a γ/γ' felület erősségi hatás hasznos maximumát, és további növekedés esetén jelentős csökkenést érhetünk el az erősségben. A magas γ’ fázis térfogati arányú magas-hőmérsékletű hengerek kihajtósági erőssége befolyásolható a γ’ fázis részecskék méretével. Amikor a γ’ fázis mérete kicsi, a deformációs vonalak inkább körüljárják azt, ami csökkenti a kihajtósági erősséget. Amikor a deformációs vonalak kényszerűen átmetszik a γ’ fázist, akkor a kihajtósági erősség maximális lesz. Ahogy a γ’ fázis részecskék növekszenek, a deformációs vonalak inkább közöttük görbülnek, ami is csökkenti a kihajtósági erősséget [14].

Három fő esőszagú erősítési mechanizmus van:

Rácselőhetetlenségi erősítés: a γ’ fázis kohézív módon szórva és kristallizálva van a γ fázis mátrixban. Mindkettő FCC szerkezetű. A rács elterjedése megjeleníti a stabilitást és a stressz állapotot a két fázis közötti kohézív felületen. A legjobb eset, ha a mátrix és a kristallizált fázis ugyanazt a krystalliciós szerkezetet és rácsparamétereket használja ugyanabban a geometriában, hogy több kristallizált fázist lehetne betölteni a γ fázisba. A nikelalapú magas hőmérsékletű ötvökhöz tartozó elterjedési tartomány 0~±1%. A Re és Ru nyilvánvalóan szegregálódik a γ fázissal. A Re és Ru növekedése növeli a rács elterjedését.

Rendes erősítés: A diszlokáció vágása zavarokat okoz a mátrix és a kristallizált fázis között, amire több energiát igényel.

Elhelyezkedési kikerülési mechanizmus: az Orowan-mechanizmus (Orowan bowing), amely egy erősségi mechanizmus, aminél a metálmátrixban található kiakadási fázis megakadályozza a mozgásban lévő elhelyezkedést tovább haladni. Alapelve: Amikor a mozgó elhelyezkedés egy részecskét talál, nem tud átmenetet végezni, így kikerülési viselkedést mutat, növekszik az elhelyezkedési vonal, és növelkedik a szükséges hajtóerő, ami erősítő hatást eredményez.

3.3 Magas-hőmérsékletű ötvizsgyúrás fejlesztése

A legkorábban használt hőmérsékleti környezetekben alkalmazott ötvözet nyomán a Nichrome 1906-os feltalálásáig követhető vissza. A turbocompresszorok és a gázgerendmotorok megjelenése elindította a hőötvözetek jelentős fejlődését. Az első generációú gázgerendmotorok lógójainak gyártása extrúzióval és ütéses formálással történt, amely nyilvánvalóan az idők korlátait tükrözte. Jelenleg a hőötvözetes turbinlók többsége befektetéses öntéssel készül, specifikusan irányított megszilárdulással (DS). A DS módszeret az Amerikai Pratt & Whitney Versnyder csapata eredetileg feltalálta a 70-es években [3]. A fejlődés évtizedei alatt a turbinlók anyaga változott egyenlő méretű kristallekről oszlopkristallekre, majd optimalizálva single-kristályos hőötvözetes anyagokká.

A DS technológia használatos oszlopcsempés anyagú SX komponensek gyártására, amely jelentősen növeli a magas-hőmérsékletű ötvizek nyerési tulajdonságait és hőcsapási ellenállását. A DS technológia biztosítja, hogy az elkészített oszlopcsempés kристалlok [001] irányban legyenek orientálva, ami párhuzamos a rész szöri tengelyével, nem pedig véletlenszerű kristalyorientációval. Elvileg a DS annyit tesz, hogy a forma fémfolyadék megyújtása mindig éppen meggyulladott állapotban maradjon a fémfolyadék konzolidációjának során.

Az oszlopcsempés kristályok formálásának két feltételnek kell eleget tennie: (1) Egyirányú hőáram biztosítja azt, hogy a növekedési ponton lévő szilárd-folyékony felület egyirányúan mozduljon; (2) A növekedési irány előtt nem történhet kristálymag keletkezése.

Mivel a varázszelet tömegesen a gyermekhatár magas hőmérsékletű, gyenge szerkezetében történik, ezért a haladó szilárdulás során egy olyan szilárdító formát használnak, amelynek van egy „kristyenselekció” szerkezete. Ennek a szerkezetnek a keretszám nagysága közel van a gyermekszerkezet méretéhez, hogy csak egyetlen optimálisan növő gyermekkerüljön el a válogató formabomlójába, majd tovább nő egyedüli kristallként, amíg a teljes varázszelet nem áll össze egyetlen gyermekből.

A kristyenselekciót két részre osztjuk: az indítótestet és a spirált:

A DS folyamat elején a csigák kezdenek kristályként alakulni a kiindulási blokk alsó részén. A csiga növekedésének korai szakaszában a számuk nagy, a méretük kicsi és az orientációs különbség nagy. A csigák közötti versenyes növekedési viselkedés uralkodik, míg a fal oldali geometriai blokkoló hatás gyenge. Ebben az időpontban az orientáció optimalizálása nyilvánvaló; amikor a csigák magassága a kiindulási blokkban növekszik, a számuk csökken, a méretük nő és az orientáció közeledik egymáshoz. A csigák közötti versenyes növekedési viselkedés csökken, míg a fal oldali geometriai blokkoló hatás dominál, amely biztosítja, hogy a krystályirány folyamatosan optimalizálódjon, de az orientáció optimalizálása gyengébb lesz. A kiindulási blokk sugárjának csökkentésével és a kiindulási blokk magasságának növelésével a csigák orientációja hatékonyan optimalizálható a spirális szakaszba való belépéskor. Azonban a kiindulási blokk hosszúságának növelése rövidíti a lábas növekedési térét, továbbá növeli a termelési ciklust és a előkészítési költségeket. Ezért szükséges megfelelően tervezni a substrátum geometriai szerkezetét.

A spirális fő funkciója az egyetlen kristallok hatékony kiválasztása, és a gyorsulás optimalizálása gyenge. Amikor a DS folyamatot spirálisan végezzük el, a görbült csatorna teret ad a dendritiágok növekedéséhez, és a másodlagos dendriták a gyümölcsvonal irányában haladnak előre. A gyümölcsöknek erős oldali fejlődési tendenciájuk van, és a gyümölcsök orientációja ingadozó állapotban van, gyenge az optimalizálási hatás. Ezért a gyümölcsök kiválasztása a spirális szakaszban inkább a geometriai korlátozás előnyeire, a versenyes növekedés előnyeire és a térbeli bővítés előnyeire támaszkodik [7], nem pedig a preferált orientáció növekedési előnyére, ami nagyobb véletlenséggel jár [6]. Ezért a kristalkiválasztás sikertelenségének fő oka, hogy a spirális nem játssza meg az egyetlen kristall kiválasztásának szerepét. A spirális külső átmérőjének növelésével, a pitch csökkentésével, a spirális felület átmérőjének csökkentésével és a kezdőszög csökkentésével jelentősen javítható a kristalkiválasztási hatás.

A üres egyetemes kristályturbínalapok előkészítése tölzésnél sok lépést igényel (mesterötvös ágyúzás, egyetemes membránhéj előkészítés, bonyolult konfigurációju kerámia mag készítése, olvadékból történő ágyúzás, irányított szilárdulás, hőkezelés, felületi kezelés, hőálló takaró előkészítése stb.). A bonyolult folyamat könnyen hibákat okozhat, például idegen kristályságot, foltosodást, kis szögju kristályhatárokat, sáv kristályokat, orientációs eltérést, újraszerveződést, nagy szögju kristályhatárokat és kristályválasztási hibákat.