Lamelle turbine a cristallo singolo: un passo avanti tecnologico che supera i limiti di alta temperatura

1 Sviluppo dei motori a gas turbine per l'aviazione

Al crescere delle esigenze di prestazioni per gli aerei, sia per il trasporto, che per scopi militari, produttivi ed altri, i primi motori a pistoni non erano più in grado di soddisfare le esigenze del volo ad alta velocità. Pertanto, dal decennio del 1950, i motori a gas turbine hanno gradualmente preso il sopravvento.

Nel 1928, Sir Frank Whittle del Regno Unito affermò nella sua tesi di laurea "Futuro sviluppo nello studio della progettazione degli aerei", mentre studiava nell'Accademia militare, che con le conoscenze tecniche dell'epoca, lo sviluppo futuro dei motori a elica non sarebbe stato in grado di soddisfare le esigenze per l'altezza o velocità di volo superiori a 800 km/h. Egli propose per la prima volta il concetto di ciò che oggi viene chiamato motore a reazione (motor engine): aria compressa viene fornita alla camera di combustione (combustione) attraverso un tradizionale pistone, e i gas ad alta temperatura generati vengono utilizzati direttamente per propellere il volo, il che può essere considerato come un motore a elica più una camera di combustione. In ricerche successive, abbandonò l'idea di utilizzare un pesante e inefficiente pistone e propose l'utilizzo di un turbine (turbine) per fornire aria compressa alla camera di combustione, e la potenza della turbine veniva ottenuta dai gas di scarico ad alta temperatura. Nel 1930, Whittle depositò un brevetto, e nel 1937, sviluppò il primo motore a turbogetto centrifugo al mondo, che fu ufficialmente utilizzato sull'aereo Gloster E.28/39 nel 1941. Da allora, i motori a turbina a gas hanno dominato la propulsione aeronautica ed è un simbolo importante del livello tecnologico industriale e della forza complessiva di una nazione.

I motori aerei possono essere suddivisi in quattro tipi di base in base ai loro utilizzi e caratteristiche strutturali: motori a getto turbogetto, motori a ventola turbinata, motori turboshafts e motori a elica turbinata.

I motori a gas per l'aviazione sono chiamati motori turbogetto, che sono i primi motori a gas turbine utilizzati. Dal punto di vista del modo in cui viene generata la spinta, i motori turbogetto sono i motori più semplici e diretti. Il ragionamento si basa sulla forza di reazione generata dall'iniezione ad alta velocità del vortice. Tuttavia, il flusso d'aria ad alta velocità porta via molta energia termica e cinetica nello stesso tempo, causando una grande perdita di energia.

Il motore a ventola turbinata divide l'aria che entra nel motore in due percorsi: il condotto interno e il condotto esterno, il che aumenta il flusso totale d'aria e riduce la temperatura e la velocità di scarico dell'aria nel condotto interno.

I motori a turbina e i motori a elica non generano spinta tramite l'iniezione del flusso d'aria, quindi la temperatura e la velocità degli scarichi sono ridotte notevolmente, l'efficienza termica è relativamente alta e il consumo di carburante del motore è basso, il che li rende adatti per velivoli a lungo raggio. La velocità dell'elica generalmente non cambia, e si ottengono spinte diverse regolando l'angolo delle pale.

Il motore propfan è un motore intermedio tra quelli a elica e quelli a turboventola. Può essere diviso in motori propfan con carenatura dell'elica e motori propfan senza carenatura dell'elica. Il motore propfan è il motore più competitivo e risparmiatore di energia adatto al volo subsonico.

I motori aereospaziali civili hanno attraversato più di mezzo secolo di sviluppo. La struttura del motore è evoluta dagli antichi motori a turbine centrifuga agli motori a flusso assiale monorotore, dai motori a doppio rotore a reazione ai motori a turboventola con rapporto di derivazione basso, per poi arrivare ai motori a turboventola con rapporto di derivazione alto. La struttura è stata continuamente ottimizzata nella ricerca di efficienza e affidabilità. La temperatura di ingresso alla turbina era solo di 1200-1300K nella prima generazione di motori a reazione negli anni '40 e '50. Essa è aumentata di circa 200K con ogni aggiornamento dell'aeromobile. Entro gli anni '80, la temperatura di ingresso alla turbina degli aerei da caccia avanzati della quarta generazione ha raggiunto 1800-2000K[1].

Il principio del compressore d'aria centrifugo è che l'impeller spinge il gas a ruotare ad alta velocità, in modo che il gas generi forza centrifughe. A causa del flusso di pressione di espansione del gas nella girante, il flusso e la pressione del gas dopo aver attraversato la girante sono aumentati e l'aria compressa viene continuamente prodotta. Ha una corta dimensione assiale e un elevato rapporto di pressione in una fase. Il compressore ad aria a flusso assiale è un compressore in cui il flusso d'aria scorre in sostanza parallelo all'asse della girante. Il compressore a flusso assiale è composto da più stadi, ciascuno dei quali contiene una fila di pale del rotore e una successiva fila di pale dello statore. Il rotore è la lama di lavoro e la ruota, e lo statore è la guida. L'aria viene prima accelerata dalle pale del rotore, decelerata e compressa nel canale della pale dello statore e ripetuta nelle pale a più stadi fino a quando il rapporto di pressione totale raggiunge il livello richiesto. Il compressore a flusso assiale ha un diametro ridotto, che è conveniente per l'uso in tandem in più fasi per ottenere un rapporto di pressione più elevato.   

I motori a turboventola utilizzano di solito il rapporto di derivazione, il rapporto di pressione del motore, la temperatura di ingresso della turbina e il rapporto di pressione del ventilatore come parametri di progettazione:

Rapporto di derivazione (BPR): Il rapporto tra la massa di gas che scorre nei condotti di uscita e la massa di gas che scorre nei condotti interni del motore. Il rotore all'inizio di un motore a getto turboalimentato viene di solito chiamato compressore a bassa pressione, mentre il rotore all'inizio di un motore a turboventola viene di solito chiamato ventilatore. Il gas compresso che passa attraverso il compressore a bassa pressione passa attraverso tutte le parti del motore a getto turboalimentato; il gas che passa attraverso il ventilatore viene diviso nei condotti interni ed esterni. Dal momento dell' introduzione dei motori a turboventola, il BPR è aumentato costantemente, e questa tendenza è particolarmente evidente nei motori a turboventola civili.

Rapporto di pressione del motore (EPR): Il rapporto tra la pressione totale all'uscita del nozzolino e la pressione totale all'ingresso del compressore.

Temperatura dell'ingresso della turbina: La temperatura degli scarichi della camera di combustione quando entra nella turbina.

Rapporto di compressione del ventilatore: Anche detto rapporto di compressione, il rapporto tra la pressione del gas all'uscita del compressore e la pressione del gas all'ingresso.

Due efficienze:

Efficienza termica: Una misura di quanto un motore converte efficacemente l'energia termica generata dalla combustione in energia meccanica.

Efficienza di propulsione: Una misura della proporzione dell'energia meccanica generata dal motore che viene utilizzata per spingere l'aeromobile.

Sviluppo della lama della turbina 2

Sviluppo iterativo

Prendendo un motore a turboventola come esempio, il valore delle pale rappresenta fino al 35%, e sono un componente critico nella produzione dei motori aerei. In un motore, ci sono da 3.000 a 4.000 pale aeronautiche, che possono essere divise in tre categorie: pale dell'elica, pale del compressore e pale del turbine. Il valore delle pale del turbine è il più alto, raggiungendo il 63%. Allo stesso tempo, esse sono anche le pale con la maggiore difficoltà di produzione e costo di fabbricazione nei motori a turboventola [2].

Negli anni '70, gli Stati Uniti furono i primi a utilizzare le pale di solidificazione direzionale PWA1422 nei motori degli aerei militari e civili.

Dopo gli anni '80, il rapporto spinta-peso del motore di terza generazione è aumentato a più di 8, e le pale del turbine hanno iniziato ad utilizzare la prima generazione di SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 e quello cinese DD3. La loro capacità di resistere al calore è di 80K superiore rispetto alla migliore lega termica ottenuta con colata direzionale, ovvero il PWA1422. Con l'aggiunta della tecnologia di raffreddamento a film con canale vuoto singolo, la temperatura operativa delle pale del turbine raggiunge 1600-1750K.

Il motore turbofan di quarta generazione utilizza la seconda generazione di SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 e DD6. Aggiungendo elementi Re e la tecnologia di raffreddamento ad alta pressione multi-canale, la temperatura operativa delle pale del turbine raggiunge 1800K-2000K. A 2000K e dopo 100 ore, la resistenza duratura è di 140MPa.

La terza generazione di SX, sviluppata dopo gli anni '90, include RenéN6, CMRX-10 e DD9, che hanno evidenti vantaggi in termini di resistenza allo strisciamento rispetto alla seconda generazione di SX. Grazie alla protezione di complesse canalizzazioni di raffreddamento e rivestimenti a barriera termica, la temperatura di ingresso al turbine che può tollerare raggiunge i 3000K. La lega a composto intermetallico utilizzata nelle pale arriva a 2200K, e la resistenza a 100 ore raggiunge i 100MPa.

Attualmente in fase di sviluppo ci sono la quarta generazione di SX rappresentata da MC-NG[4], TMS-138, ecc., e la quinta generazione di SX rappresentata da TMS-162, ecc. La loro composizione è caratterizzata dall'aggiunta di nuovi elementi rare terra come Ru e Pt, che migliorano significativamente le prestazioni ad alta temperatura contro lo strisciamento delle SX. La temperatura operativa della quinta generazione di leghe resistenti al calore ha raggiunto i 1150°C, avvicinandosi al limite teorico di temperatura operativa di 1226°C.

3 Sviluppo delle superleghe a singolo cristallo nichel-based

3.1 Caratteristiche di composizione e composizione di fase degli superleghe a cristalli singoli a base di nichel

In base al tipo di elementi di matrice, le leghe ad alte temperature possono essere divise in ferro-base, nichel-base e cobalto-base, e ulteriormente suddivise in macrostrutture di fusione, forgiatura e metallurgia in polvere. Le leghe a base di nichel hanno prestazioni migliori ad alta temperatura rispetto alle altre due tipologie di leghe ad alte temperature e possono funzionare a lungo in ambienti ad alta temperatura difficoltosi.

Gli acciai ad alta temperatura a base di nichel contengono almeno il 50% di Ni. La loro struttura FCC li rende altamente compatibili con alcuni elementi di lega. Il numero di elementi di lega aggiunti durante il processo di progettazione spesso supera i 10. Gli elementi di lega aggiunti sono classificati come segue: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo e W sono elementi di prima classe, che fungono da stabilizzatori di austenite; (2) Al, Ti, Ta e Nb hanno raggi atomici più grandi, che promuovono la formazione di fasi di rafforzamento come il composto Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), ed è quindi considerato un elemento di seconda classe; (3) B, C e Zr sono elementi di terza classe. La loro dimensione atomica è molto più piccola di quella degli atomi di Ni, e si segregano facilmente ai confini dei grani della fase γ, svolgendo un ruolo nel rafforzamento dei confini dei grani [14].

Le fasi degli acciai ad alta temperatura a base di nichel in cristallo singolo sono principalmente: fase γ, fase γ', fase carburo e fase topologicamente compatta (fase TCP).

Fase γ: la fase γ è una fase di austenite con una struttura cristallina FCC, che è una soluzione solida formata dagli elementi come Cr, Mo, Co, W e Re dissolti nel nichel.

Fase γ': la fase γ' è un composto intermetallico Ni3(Al, Ti) di FCC, che si forma come fase di precipitazione e mantiene una certa coerenza e discrepanza con la fase matrice, ed è ricca di elementi come Al, Ti, Ta e altri.

Fase carburo: a partire dalla seconda generazione dei superallegati al nichel SX, viene aggiunta una piccola quantità di carbonio, il che porta all'apparizione dei carburi. Una piccola quantità di carburi è dispersa nella matrice, migliorando in parte le prestazioni ad alta temperatura dell'allegato. In genere vengono divisi in tre tipi: MC, M23C6 e M6C.

Fase TCP: Nel caso di invecchiamento del servizio, elementi refrattari eccessivi come Cr, Mo, W e Re promuovono la precipitazione della fase TCP. La TCP si forma generalmente sotto forma di piastre. La struttura a piastre ha un impatto negativo sull'elasticità, il crepaggio e le proprietà di stanchezza. La fase TCP è una delle fonti di crepe per il crepaggio.

Meccanismo di rafforzamento

La resistenza degli alligati superalloy a base di nichel deriva dall'accoppiamento di più meccanismi di indurimento, inclusi l'indurimento per soluzione solida, l'indurimento per precipitazione e il trattamento termico per aumentare la densità di dislocazione e sviluppare una sottostruzione di dislocazione per fornire rafforzamento.

L'indurimento per soluzione solida consiste nell'aumentare la resistenza di base aggiungendo diversi elementi solubili, tra cui Cr, W, Co, Mo, Re e Ru.

I differenti raggi atomici causano una certa distorsione della griglia atomica, che inibisce il movimento delle dislocazioni. L'indurimento per soluzione solida aumenta con l'aumentare della differenza di dimensione atomica.

L'incorporazione in soluzione solidale ha anche l'effetto di ridurre l'energia dei difetti a strato (SFE), inibendo principalmente lo scorrimento incrociato delle dislocazioni, che è la modalità principale di deformazione dei cristalli non ideali a temperature elevate.

Gli ammassi atomici o le microstrutture con ordine a breve raggio sono un altro meccanismo che aiuta ad ottenere l'indurimento attraverso la soluzione solidale. Gli atomi Re in SX si segregano nella regione di sollecitazione tensile del nucleo della dislocazione all'interfaccia γ/γ’, formando una "atmosfera di Cottrell", che blocca efficacemente il movimento delle dislocazioni e la propagazione delle crepe. (Gli atomi soluti sono concentrati nell'area di sollecitazione tensile delle dislocazioni a bordo, riducendo la distorsione della griglia, formando una struttura di gas di Coriolis e producendo un forte effetto di indurimento per soluzione solidale. L'effetto aumenta con l'aumento della concentrazione di atomi soluti e con l'aumento della differenza di dimensioni)

Re, W, Mo, Ru, Cr e Co rafforzano efficacemente la fase γ. Il rafforzamento per soluzione solidale della matrice γ ha un ruolo estremamente importante nella resistenza alla crepa dei legaggi a base di nichel per alte temperature.

L'effetto di indurimento per precipitazione è influenzato dalla frazione di volume e dalla dimensione della fase γ'. Lo scopo dell'ottimizzazione della composizione degli alleghi ad alta temperatura è principalmente quello di aumentare la frazione di volume della fase γ' e migliorare le proprietà meccaniche. Gli allieghi ad alta temperatura SX possono contenere dal 65% al 75% di fase γ', il che determina una buona resistenza alla crepa. Ciò rappresenta il valore massimo utile dell'effetto di indurimento dell'interfaccia γ/γ', e un ulteriore aumento porterà a una riduzione significativa della resistenza. La resistenza alla crepa degli alleghi ad alta temperatura con una alta frazione di volume della fase γ’ è influenzata dalle dimensioni delle particelle della fase γ’. Quando la dimensione della fase γ’ è piccola, le dislocazioni tendono a circumnavigarla, causando una diminuzione della resistenza alla crepa. Quando le dislocazioni sono costrette a tagliare la fase γ’, la resistenza alla crepa raggiunge il suo massimo. Man mano che le particelle della fase γ’ aumentano di dimensione, le dislocazioni tendono a curvarsi tra di esse, causando una diminuzione della resistenza alla crepa [14].

Ci sono tre meccanismi principali di rafforzamento per precipitazione:

Rafforzamento per scarto reticolare: la fase γ’ è dispersa e precipitata nella matrice della fase γ in modo coerente. Entrambe hanno strutture FCC. Lo scarto reticolare riflette la stabilità e lo stato di sollecitazione dell'interfaccia coerente tra le due fasi. Il caso migliore è che la matrice e la fase precipitata abbiano la stessa struttura cristallina e parametri reticolari della stessa geometria, in modo da poter inserire più fasi precipitate nella fase γ. Lo scarto reticolare degli alleghi a base di nichel ad alta temperatura è 0~±1%. Re e Ru sono chiaramente segregati con la fase γ. L'aumento di Re e Ru aumenta lo scarto reticolare.

Rafforzamento per ordinamento: il taglio da parte delle dislocazioni causa una disordinanza tra la matrice e la fase precipitata, richiedendo più energia

Meccanismo di bypass delle dislocazioni: chiamato meccanismo Orowan (Orowan bowing), è un meccanismo di rafforzamento in cui la fase precipitata nella matrice metallica ostacola la dislocazione in movimento impedendole di continuare a spostarsi. Principio base: Quando la dislocazione in movimento incontra una particella, non riesce a passarci attraverso, il che comporta un comportamento di aggiramento, una crescita della linea di dislocazione e un aumento della forza motrice richiesta, causando un effetto di rafforzamento.

3.3 Sviluppo dei metodi di fusione degli alleghi ad alta temperatura

L'antico lega utilizzata in ambienti ad alta temperatura può essere fatta risalire all'invenzione del Nichrome nel 1906. L'emergere di compressor a turbo e motori a turbina a gas ha stimolato lo sviluppo sostanziale delle leghe ad alte temperature. Le pale della prima generazione dei motori a turbina a gas venivano prodotte con estrusione e forgiatura, il che ovviamente presentava le limitazioni dell'epoca. Attualmente, le pale delle turbine in lega ad alta temperatura sono perlopiù realizzate con gettito sotto vuoto, specificamente solidificazione direzionale (DS). Il metodo DS è stato inventato per la prima volta dal team di Versnyder di Pratt & Whitney negli Stati Uniti negli anni '70 [3]. Nel corso degli anni di sviluppo, il materiale preferito per le pale delle turbine è cambiato dalle cristallizzazioni equiaxed alle cristallizzazioni colonna, e poi ottimizzato per materiali di lega ad alta temperatura a singolo cristallo.

La tecnologia DS viene utilizzata per produrre componenti di lega colonna SX, il che migliora significativamente la tenuta a trazione e la resistenza agli shock termici delle leghe ad alte temperature. La tecnologia DS garantisce che i cristalli colonna prodotti abbiano un'orientazione [001], parallela all'asse principale di sollecitazione della parte, piuttosto che un'orientazione cristallina casuale. In linea di principio, DS deve garantire che la solidificazione del metallo fuso durante la fusione avvenga mantenendo il metallo di alimentazione liquida sempre in uno stato appena solidificato.

La fusione dei cristalli colonna deve soddisfare due condizioni: (1) Il flusso di calore unidirezionale garantisce che l'interfaccia solido-liquido al punto di crescita del grano si muova in una sola direzione; (2) Non deve esserci nucleazione davanti alla direzione di movimento dell'interfaccia solido-liquido.

Poiché la frattura della lama avviene generalmente nella struttura debole a alta temperatura al limite del grano, per eliminare il limite del grano viene utilizzato un modello di solidificazione con una struttura "selettore di grani" durante il processo di solidificazione direzionale. La dimensione sezione trasversale di questa struttura è simile alla dimensione del grano, in modo che solo un singolo grano ottimamente sviluppato entri nella cavità del modello della colata, e poi continui a crescere sotto forma di cristallo singolo fino a quando l'intera lama è composta da un solo grano.

Il selettore di cristalli può essere diviso in due parti: il blocco iniziale e la spirale:

All'inizio del processo DS, i granuli iniziano a nuclearsi sul fondo del blocco iniziale. Nella fase iniziale di crescita dei granuli, il numero è grande, la dimensione è piccola e la differenza di orientamento è elevata. Il comportamento di crescita competitiva tra i granuli prevale, mentre l'effetto di blocco geometrico del muro laterale è debole. In questo momento, l'effetto di ottimizzazione dell'orientamento è evidente; quando l'altezza dei granuli nel blocco iniziale aumenta, il numero di granuli diminuisce, la dimensione aumenta e l'orientamento si avvicina. Il comportamento di crescita competitiva tra i granuli diminuisce, e l'effetto di blocco geometrico del muro laterale prevale, garantendo che la direzione cristallina possa essere continuamente ottimizzata, ma l'effetto di ottimizzazione dell'orientamento si attenua. Riducendo il raggio del blocco iniziale e aumentandone l'altezza, è possibile ottimizzare efficacemente l'orientamento dei granuli che entrano nella sezione elicoidale. Tuttavia, aumentare la lunghezza del blocco iniziale ridurrà lo spazio di crescita effettivo del getto, e vi sarà un aumento del ciclo produttivo e del costo di preparazione. Pertanto, è necessario progettare razionalmente la struttura geometrica del substrato.

La funzione principale della spirale è quella di selezionare in modo efficiente i cristalli singoli, e la capacità di ottimizzare l'orientamento dei granuli è debole. Quando il processo DS viene eseguito in una spirale, il canale curvo fornisce spazio per la crescita delle ramificazioni dendritiche, e le dendrite secondarie dei granuli avanzano nella direzione della linea del liquido. I granuli hanno una forte tendenza allo sviluppo laterale, e l'orientamento dei granuli è in uno stato di fluttuazione, con un effetto di ottimizzazione debole. Pertanto, la selezione dei granuli nella spirale dipende principalmente dal vantaggio geometrico di restrizione, dal vantaggio di crescita competitiva e dal vantaggio di espansione spaziale dei granuli nel segmento a spirale [7], piuttosto che dal vantaggio di crescita preferenziale dell'orientamento dei granuli, che ha una forte casualità [6]. Quindi, la ragione principale del fallimento della selezione cristallina è che la spirale non svolge il ruolo di selezione dei cristalli singoli. Aumentando il diametro esterno della spirale, riducendo il passo e il diametro della superficie della spirale, e riducendo l'angolo iniziale, l'effetto di selezione cristallina può essere migliorato significativamente.

La preparazione di pale turbine a cristallo unico cavo richiede più di una dozzina di passaggi (fusione dell' lega principale, preparazione della membrana a singolo cristallo, preparazione del nucleo ceramico a configurazione complessa, colata fusa, solidificazione direzionale, trattamento termico, trattamento superficiale, preparazione del rivestimento a barriera termica, ecc.). Il processo complesso è soggetto a vari difetti, come granuli erranti, macchie, confini di grano a piccolo angolo, cristalli a strisce, deviazione di orientamento, ricristallizzazione, confini di grano a grande angolo e fallimento nella selezione dei cristalli.