להבי טורבינת גביש בודדים: פריצת דרך טכנולוגית הפורצת את גבולות הטמפרטורה הגבוהים יִשְׂרָאֵל

1 פיתוח מנועי טורבינת גז תעופה

ככל שדרישות הביצועים של מטוסים למטרות תחבורה, צבאיות, ייצור ואחרות עלו, מנועי הבוכנה המוקדמים ביותר לא יכלו עוד לענות על הצרכים של טיסה מהירה. לכן, מאז שנות ה-1950, מנועי טורבינת גז הפכו בהדרגה למיינסטרים.

בשנת 1928, סר פרנק וויטל מהממלכה המאוחדת הצביע בעבודת הגמר שלו "פיתוח עתידי בעיצוב מטוסים" בזמן שלמד באקדמיה הצבאית שתחת הידע הטכני באותה תקופה, הפיתוח העתידי של מנועי מדחף לא יכול להתאים לצרכים. בגובה רב או במהירויות טיסה העולה על 800 קמ"ש. הוא הציע לראשונה את הרעיון של מה שנקרא כיום מנוע סילון (מנוע מנוע): אוויר דחוס מסופק לתא הבעירה (בעירה) דרך בוכנה מסורתית, והגז בטמפרטורה גבוהה שנוצר משמש ישירות להנעת טיסה, שיכולה להיחשב כמנוע מדחף בתוספת עיצוב של תא בעירה. במחקר שלאחר מכן, הוא זנח את הרעיון של שימוש בבוכנה כבדה ולא יעילה והציע להשתמש בטורבינה (טורבינה) כדי לספק אוויר דחוס לתא הבעירה, והכוח של הטורבינה התקבל מגז הפליטה בטמפרטורה גבוהה. בשנת 1930 הגיש ויטל בקשה לפטנט, ובשנת 1937 פיתח את מנוע הטורבו-סילון הצנטריפוגלי הראשון בעולם, ששימש רשמית במטוסי Gloster E.28/39 בשנת 1941. מאז, מנועי טורבינת גז שולטים בכוח התעופה והם סמל חשוב לרמה התעשייתית המדעית והטכנולוגית של המדינה ולכוחה הלאומי המקיף.

ניתן לחלק את מנועי המטוסים לארבעה סוגים בסיסיים לפי השימושים והמאפיינים המבניים שלהם: מנועי טורבו-סילון, מנועי טורבו-פאן, מנועי גל-טורבו ומנועי טורבו-פרופ:

מנועי טורבינת גז תעופה מכונים מנועי טורבו-סילון, שהם מנועי טורבינת הגז המוקדמים ביותר בשימוש. מנקודת המבט של הדרך בה נוצר דחף, מנועי טורבו-סילון הם המנועים הפשוטים והישירים ביותר. ההיגיון מסתמך על כוח התגובה שנוצר מהזרקה המהירה של המערבולת. עם זאת, זרימת האוויר המהירה לוקחת הרבה חום ואנרגיה קינטית בו זמנית, וגורמת לאיבוד אנרגיה גדול.

מנוע הטורבו-פאן מחלק את האוויר הזורם לתוך המנוע לשני נתיבים: הצינור הפנימי והצינור החיצוני, מה שמגדיל את זרימת האוויר הכוללת ומפחית את טמפרטורת הפליטה ומהירות זרימת האוויר של הצינור הפנימי.

מנועי גל טורבו ומנועי טורבו-פרופ אינם יוצרים דחף על ידי הזרקת זרימת אוויר, ולכן טמפרטורת הפליטה ומהירות הפליטה מופחתים מאוד, היעילות התרמית גבוהה יחסית וקצב צריכת הדלק של המנוע נמוך, המתאים למטוסים ארוכי טווח. מהירות המדחף בדרך כלל אינה משתנה, ודחפים שונים מתקבלים על ידי התאמת זווית הלהב.

מנוע הפרופפן הוא מנוע בין מנועי טורבו-פרופ לטורבו-פאן. ניתן לחלק אותו למנועי פרופן עם מארזי פרופלור עם צינורות ולמנועי פרופן ללא מארזי מדחף צינורות. מנוע הפרופפן הוא המנוע החדש והחסכון באנרגיה התחרותי ביותר המתאים לטיסה תת קולית.

מנועי תעופה וחלל אזרחיים עברו יותר מחצי מאה של פיתוח. מבנה המנוע התפתח ממנוע הטורבינה הצנטריפוגלית המוקדם למנוע זרימה צירית חד-רוטור, ממנוע טורבו-סילון כפול רוטורים למנוע טורבו-מאן בעל יחס מעקף נמוך, ולאחר מכן למנוע טורבו-מניע מעקף גבוה. המבנה עבר אופטימיזציה מתמדת תוך שאיפה ליעילות ואמינות. טמפרטורת כניסת הטורבינה הייתה רק 1200-1300K בדור הראשון של מנועי הטורבו סילון בשנות ה-1940 וה-1950. זה גדל בכ-200K עם כל שדרוג מטוס. בשנות ה-1980, טמפרטורת כניסת הטורבינה של מטוסי הקרב המתקדמים מהדור הרביעי הגיעה ל-1800-2000K[1].

העיקרון של מדחס אוויר צנטריפוגלי הוא שהאימפלר מניע את הגז להסתובב במהירות גבוהה, כך שהגז יוצר כוח צנטריפוגלי. בשל זרימת לחץ ההתפשטות של הגז באימפלר, קצב הזרימה והלחץ של הגז לאחר מעבר דרך האימפלר גדלים, ואויר דחוס מופק באופן רציף. יש לו מימד צירי קצר ויחס לחץ חד-שלבי גבוה. מדחס אוויר Axialflow הוא מדחס בו זרימת האוויר זורמת בעצם במקביל לציר האימפלר המסתובב. מדחס הזרימה הצירית מורכב משלבים מרובים, כל שלב מכיל שורה של להבי רוטור ושורה לאחר מכן של להבי סטטור. הרוטור הוא הלהבים הפועלים והגלגל, והסטטור הוא המדריך. האוויר מואץ תחילה על ידי להבי הרוטור, מואט ונדחס בתעלת להבי הסטטור, וחוזר על עצמו בלהבים הרב-שלביים עד שיחס הלחץ הכולל מגיע לרמה הנדרשת. מדחס הזרימה הצירית יש קוטר קטן, אשר נוח לשימוש טנדם רב-שלבי כדי להשיג יחס לחץ גבוה יותר.  

מנועי טורבו-פאן משתמשים בדרך כלל ביחס מעקף, יחס לחץ מנוע, טמפרטורת כניסת טורבינה ויחס לחץ מאוורר כפרמטרים עיצוביים:

יחס מעקף (BPR): היחס בין מסת הגז הזורם דרך תעלות היציאה למסת הגז הזורם דרך התעלות הפנימיות במנוע. הרוטור בקדמת מנוע טורבו-סילון נקרא בדרך כלל מדחס בלחץ נמוך, והרוטור בקדמת מנוע טורבו-פאן נקרא בדרך כלל מאוורר. הגז בלחץ העובר דרך המדחס בלחץ נמוך עובר דרך כל חלקי מנוע הטורבו; הגז העובר דרך המאוורר מחולק לצינורות הפנימיים והחיצוניים. מאז הופעת מנועי הטורבו-פאן, ה-BPR הולך וגדל, ומגמה זו בולטת במיוחד במנועי טורבו-פאן אזרחיים.

יחס לחץ מנוע (EPR): היחס בין הלחץ הכולל ביציאת הזרבובית לבין הלחץ הכולל בכניסת המדחס.

טמפרטורת כניסת הטורבינה: טמפרטורת הפליטה של ​​תא הבעירה כאשר היא נכנסת לטורבינה.

יחס דחיסה של מאוורר: המכונה גם יחס דחיסה, היחס בין לחץ הגז ביציאת המדחס ללחץ הגז בכניסה.

שתי יעילות:

יעילות תרמית: מדד למידת היעילות של מנוע ממיר את אנרגיית החום שנוצרת מבעירה לאנרגיה מכנית.

יעילות הנעה: מדד לשיעור האנרגיה המכנית המופקת מהמנוע המשמשת להנעת המטוס.

2 פיתוח להבי טורבינה

פיתוח איטרטיבי

אם ניקח לדוגמה מנוע טורבו-פאן, ערך הלהבים מהווה לא פחות מ-35%, והם מהווים מרכיב קריטי בייצור מנועי מטוסים. במנוע ישנם 3,000 עד 4,000 להבי תעופה, אותם ניתן לחלק לשלוש קטגוריות: להבי מאוורר, להבי מדחס ולהבי טורבינה. ערכם של להבי טורבינה הוא הגבוה ביותר ומגיע ל-63%. יחד עם זאת, הם גם הלהבים בעלי קושי הייצור ועלות הייצור הגבוהים ביותר במנועי טורבו-פאן [2].    

בשנות ה-1970, ארצות הברית הייתה הראשונה להשתמש בלהבי מיצוק כיווני PWA1422 במנועי מטוסים צבאיים ואזרחיים.

לאחר שנות ה-1980, יחס הדחף למשקל של מנוע הדור השלישי עלה ליותר מ-8, ולהבי הטורבינה החלו להשתמש בדור הראשון של SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ו-DD3 של סין. יכולת נשיאת הטמפרטורה שלו גבוהה ב-80K מזו של סגסוגת PWA1422 של יציקת התמצקות הכיוונית הטובה ביותר בטמפרטורה גבוהה. יתרונות. יחד עם טכנולוגיית קירור הסרט החד-ערוצית החלולה, טמפרטורת הפעולה של להבי הטורבינה מגיעה ל-1600-1750K. .

מנוע הדור הרביעי של טורבו-פאן משתמש בדור השני של SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ו-DD6. על ידי הוספת אלמנטים של Re וטכנולוגיית קירור אוויר בלחץ גבוה רב-ערוצית, טמפרטורת הפעולה של להבי הטורבינה מגיעה ל-1800K-2000K. ב-2000K ו-100h החוזק המתמשך מגיע ל-140MPa.

הדור השלישי של ה-SX שפותח לאחר שנות ה-1990 כולל את RenéN6, CMRX-10 ו-DD9, שיש להם יתרונות חוזק זחילה ברורים מאוד על פני הדור השני של ה-SX. תחת הגנה של תעלות קירור מורכבות וציפוי מחסום תרמי, טמפרטורת כניסת הטורבינה שהיא יכולה לעמוד בה מגיעה ל-3000K. הסגסוגת התרכובת הבין-מתכתית המשמשת בלהבים מגיעה ל-2200K, והחוזק המתמשך של 100 שעות מגיע ל-100MPa.

כרגע בפיתוח הם הדור הרביעי של SX המיוצג על ידי MC-NG[4], TMS-138 וכו', והדור החמישי של SX המיוצג על ידי TMS-162 וכו'. הרכבו מאופיין בהוספת אלמנטים נדירים חדשים כגון כדור הארץ. כמו Ru ו- Pt, מה שמשפר משמעותית את ביצועי הזחילה בטמפרטורה גבוהה של SX. טמפרטורת העבודה של סגסוגת הדור החמישי בטמפרטורה גבוהה הגיעה ל-1150 מעלות צלזיוס, שהיא קרובה לטמפרטורת ההפעלה התיאורטית של 1226 מעלות צלזיוס.

3 פיתוח סגסוגות-על מבוססות ניקל יחיד גביש

3.1 מאפייני ההרכב והרכב הפאזה של סגסוגות-על על בסיס ניקל

על פי סוג האלמנטים המטריציים, ניתן לחלק סגסוגות בטמפרטורה גבוהה למקרו מבנים על בסיס ברזל, על בסיס ניקל ועל בסיס קובלט, ולחלק עוד יותר למבני מאקרו של יציקה, חישול ואבקת מתכות. לסגסוגות המבוססות על ניקל יש ביצועים טובים יותר בטמפרטורה גבוהה משני הסוגים האחרים של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה ויכולות לעבוד לאורך זמן בסביבות קשות של טמפרטורות גבוהות.

סגסוגות בטמפרטורה גבוהה על בסיס ניקל מכילות לפחות 50% Ni. מבנה ה-FCC שלהם הופך אותם לתואמים מאוד עם כמה אלמנטים סגסוגים. מספר רכיבי הסגסוג שנוספו במהלך תהליך התכנון עולה לרוב על 10. המשותף של רכיבי הסגסוג שנוספו מסווג כדלקמן: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ו-W הם אלמנטים מהשורה הראשונה , המשמשים כאלמנטים מייצבים אוסטניטים; (2) ל-Al, Ti, Ta ו-Nb יש רדיוסים אטומיים גדולים יותר, המקדמים היווצרות שלבי חיזוק כגון תרכובת Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), והם יסודות סוג ב'; (3) B, C ו-Zr הם יסודות מחלקה שלישית. הגודל האטומי שלהם קטן בהרבה מזה של אטומי Ni, והם מופרדים בקלות לגבולות התבואה של שלב ה- γ, ומשחקים תפקיד בחיזוק גבול הדגן [14].

השלבים של סגסוגות חד-גבישיות בטמפרטורה גבוהה על בסיס ניקל הם בעיקר: פאזה γ, פאזה γ', פאזה קרביד ופאזה טופולוגית סגורה (שלב TCP).

פאזה γ: פאזה γ היא פאזה אוסטניט עם מבנה גבישי של FCC, שהוא פתרון מוצק שנוצר על ידי אלמנטים כמו Cr, Mo, Co, W ו-Re המומסים בניקל.

שלב γ': שלב γ' הוא תרכובת בין-מתכתית Ni3(Al, Ti) של FCC, שנוצרת כשלב משקעים ושומרת על קוהרנטיות וחוסר התאמה מסוימת עם שלב המטריצה, ועשירה ב-Al, Ti, Ta ועוד. אלמנטים.

שלב קרביד: החל מהדור השני של SX מבוסס ניקל, מתווספת כמות קטנה של C, וכתוצאה מכך הופעת קרבידים. כמות קטנה של קרבידים מפוזרת במטריצה, מה שמשפר את הביצועים בטמפרטורה גבוהה של הסגסוגת במידה מסוימת. זה מחולק בדרך כלל לשלושה סוגים: MC, M23C6 ו-M6C.

שלב TCP: במקרה של הזדקנות שירות, אלמנטים עקשנים מוגזמים כמו Cr, Mo, W ו-Re מקדמים את המשקעים של שלב ה-TCP. TCP נוצר בדרך כלל בצורה של צלחת. למבנה הצלחת יש השפעה שלילית על תכונות משיכות, זחילה ועייפות. שלב ה-TCP הוא אחד ממקורות הסדקים לקרע זחילה.

מנגנון חיזוק

החוזק של סגסוגות-על מבוססות ניקל מגיע מחיבור של מנגנוני התקשות מרובים, כולל חיזוק תמיסה מוצקה, חיזוק משקעים וטיפול בחום כדי להגביר את צפיפות הנקע ולפתח תשתית נקע כדי לספק חיזוק.

התקשות תמיסה מוצקה היא לשפר את החוזק הבסיסי על ידי הוספת אלמנטים מסיסים שונים, כולל Cr, W, Co, Mo, Re ו-Ru.

הרדיוסים האטומיים השונים מובילים לדרגה מסוימת של עיוות סריג אטומי, אשר מעכב את תנועת הנקע. חיזוק תמיסה מוצקה עולה עם הגדלת ההבדל בגודל האטומי.

לחיזוק תמיסה מוצקה יש גם השפעה של הפחתת אנרגיית תקלות הערימה (SFE), בעיקר עיכוב החלקה צולבת של נקע, שהוא מצב העיוות העיקרי של גבישים לא אידיאליים בטמפרטורות גבוהות.

אשכולות אטומיים או מיקרו-מבנים בסדר טווח קצר הם מנגנון נוסף שעוזר להשיג חיזוק באמצעות פתרון מוצק. אטומים מחדש ב-SX נפרדים באזור מתח המתיחה של ליבת הנקע בממשק γ/γ', ויוצרים "אטמוספרת Cottrell", המונעת למעשה תנועת נקע והתפשטות הסדקים. (אטומים מומסים מרוכזים באזור מתח המתיחה של נקעים בקצה, מפחיתים את עיוות הסריג, יוצרים מבנה גז קוריוליס ומייצרים אפקט חזק של חיזוק תמיסה מוצקה. ההשפעה מתגברת עם העלייה בריכוז האטום המומס והגדלת הגודל הֶבדֵל)

Re, W, Mo, Ru, Cr ו-Co מחזקים ביעילות את שלב ה-y. חיזוק הפתרון המוצק של מטריצת γ ממלא תפקיד חשוב ביותר בחוזק הזחילה של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה המבוססות על ניקל.

אפקט התקשות המשקעים מושפע משבר הנפח והגודל של שלב γ'. מטרת האופטימיזציה של ההרכב של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה היא בעיקר להגדיל את חלק הנפח של שלב γ' ולשפר את התכונות המכניות. סגסוגות SX בטמפרטורה גבוהה יכולות להכיל 65%-75% משלב γ', וכתוצאה מכך חוזק זחילה טוב. זה מייצג את הערך המרבי השימושי של השפעת החיזוק של ממשק γ/γ', והגדלה נוספת תוביל לירידה משמעותית בחוזק. חוזק הזחילה של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה עם שבר נפח שלב γ' גבוה מושפע מגודל חלקיקי הפאזה γ'. כאשר גודל הפאזה γ' קטן, נקעים נוטים לטפס סביבו, וכתוצאה מכך ירידה בחוזק הזחילה. כאשר נקעים נאלצים לחתוך את שלב γ', עוצמת הזחילה מגיעה למקסימום. כאשר חלקיקי פאזה γ' גדלים בגודלם, נקעים נוטים להתכופף ביניהם, וכתוצאה מכך ירידה בחוזק הזחילה [14].

ישנם שלושה מנגנוני חיזוק משקעים עיקריים:

חיזוק חוסר התאמה של סריג: שלב γ' מפוזר ומושקע במטריצת שלב γ באופן קוהרנטי. שניהם מבני FCC. חוסר ההתאמה של הסריג משקף את היציבות ומצב הלחץ של הממשק הקוהרנטי בין שני השלבים. המקרה הטוב ביותר הוא שלמטריקס ולפאזה המשקעת יש את אותם מבנה גבישי ופרמטרי סריג מאותה גיאומטריה, כך שניתן למלא יותר פאזות משקעים בשלב γ. טווח אי ההתאמה של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה על בסיס ניקל הוא 0~±1%. Re ו-Ru מופרדים כמובן עם שלב γ. הגידול של Re ו-Ru מגדיל את חוסר ההתאמה של הסריג.

חיזוק סדר: חיתוך נקע יגרום לאי-סדר בין המטריצה ​​לשלב המשקע, הדורש יותר אנרגיה

מנגנון מעקף נקע: נקרא מנגנון Orowan (Orowan bowing), זהו מנגנון חיזוק שבו השלב המשקע במטריצת המתכת מעכב את הנקע בתנועה להמשיך לנוע. עקרון בסיסי: כאשר הנקע הנעים נתקל בחלקיק, הוא אינו יכול לעבור דרכו, וכתוצאה מכך התנהגות עוקפת, גדילת קו נקע, והכוח המניע הנדרש עולה, וכתוצאה מכך אפקט מחזק.

3.3 פיתוח שיטות יציקת סגסוגת בטמפרטורה גבוהה

ניתן לאתר את הסגסוגת המוקדמת ביותר ששימשה בסביבות בטמפרטורה גבוהה להמצאת ניקרום בשנת 1906. הופעתם של מדחסי טורבו ומנועי טורבינת גז עוררה את הפיתוח המשמעותי של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה. הלהבים של הדור הראשון של מנועי טורבינת גז יוצרו על ידי אקסטרוזיה ופרזול, שכמובן היו להם מגבלות התקופה. נכון להיום, להבי טורבינה מסגסוגת בטמפרטורה גבוהה מיוצרים בעיקר על ידי יציקת השקעה, במיוחד מיצוק כיווני (DS). שיטת DS הומצאה לראשונה על ידי צוות Versnyder של פראט אנד ויטני בארצות הברית בשנות ה-1970 [3]. בעשרות שנות הפיתוח, החומר המועדף עבור להבי טורבינה השתנה מגבישים בעלי שווי-צירים לגבישים עמודים, ולאחר מכן מותאם לחומרי סגסוגת בעלות טמפרטורה גבוהה של גביש בודד.

טכנולוגיית DS משמשת לייצור רכיבי סגסוגת ליבה עמודית SX, אשר משפרת משמעותית את המשיכות ועמידות בפני זעזועים תרמיים של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה. טכנולוגיית DS מבטיחה שלגבישים העמודים המיוצרים יש כיוון [001] המקביל לציר הלחץ הראשי של החלק, ולא כיוון גביש אקראי. באופן עקרוני, DS צריך להבטיח שההתמצקות של המתכת המותכת ביציקה תתבצע כשהמתכת הזנה הנוזלית תמיד במצב מוצק בדיוק.

היציקה של גבישים עמודים צריכה לעמוד בשני תנאים: (1) זרימת חום חד-כיוונית מבטיחה שממשק מוצק-נוזל בנקודת הצמיחה של הדגן נע בכיוון אחד; (2) אסור שיהיה גרעין מול כיוון התנועה של ממשק מוצק-נוזל.

מכיוון ששבר הלהב מתרחש בדרך כלל במבנה החלש בטמפרטורה גבוהה של גבול התבואה, על מנת לבטל את גבול התבואה, נעשה שימוש בתבנית התמצקות בעלת מבנה "בורר גרגרים" בתהליך ההתמצקות הכיוונית. גודל החתך של מבנה זה קרוב לגודל הגרגיר, כך שרק גרגר בודד שגדל בצורה מיטבית נכנס לחלל העובש של היציקה, ולאחר מכן ממשיך לגדול בצורת גביש בודד עד שכל הלהב מורכב מ רק גרגר אחד.

ניתן לחלק את בורר הגבישים לשני חלקים: בלוק ההתחלה והספירלה:

בתחילת תהליך ה-DS, הגרגרים מתחילים להתגרע בתחתית גוש ההתחלה. בשלב מוקדם של גידול הדגן, המספר גדול, הגודל קטן והפרש הכיוון גדול. התנהגות הצמיחה התחרותית בין הגרגירים שולטת, ואפקט החסימה הגיאומטרי של הדופן הצדדית חלש. בשלב זה, אפקט אופטימיזציית הכיוון ברור; כאשר גובה הגרגירים בבלוק ההתחלה גדל, מספר הגרגירים יורד, הגודל גדל והכיוון קרוב. התנהגות הצמיחה התחרותית בין הגרגרים פוחתת, ואפקט החסימה הגיאומטרי של הדופן הצדדית שולט, מה שמבטיח שניתן לייעל את כיוון הגביש באופן רציף, אך אפקט אופטימיזציית הכיוון נחלש. על ידי הקטנת רדיוס גוש ההתחלה והגדלת גובה גוש ההתחלה, ניתן לייעל ביעילות את כיוון הגרגרים הנכנסים לקטע הספירלי. עם זאת, הגדלת אורך בלוק הזינוק תקצר את שטח הגידול האפקטיבי של היציקה, ותעניק לך מחזור ייצור ועלות הכנה. לכן, יש צורך בתכנון סביר של המבנה הגיאומטרי של המצע.

תפקידה העיקרי של הספירלה הוא לבחור ביעילות גבישים בודדים, והיכולת לייעל את כיוון הגרגירים חלשה. כאשר תהליך ה-DS מתבצע בספירלה, התעלה המעוקלת מספקת מקום לצמיחת ענפי דנדריטים, והדנדריטים המשניים של הגרגירים מתקדמים לכיוון קו הליקווידוס. לגרגרים מגמת התפתחות רוחבית חזקה, והכיוון של הגרגירים במצב משתנה, עם אפקט אופטימיזציה חלש. לכן, בחירת הגרגירים בספירלה תלויה בעיקר ביתרון ההגבלה הגיאומטרי, יתרון הצמיחה התחרותי ויתרון ההתרחבות המרחבית של הגרגירים במקטע הספירלה [7], ולא ביתרון הצמיחה של הכיוון המועדף של הגרגרים, אשר יש אקראיות חזקה [6]. לכן, הסיבה העיקרית לכישלון בחירת הגבישים היא שהספירלה אינה ממלאת את התפקיד של בחירת גביש בודד. על ידי הגדלת הקוטר החיצוני של הספירלה, הפחתת הגובה, קוטר משטח הספירלה והקטנת זווית ההתחלה, ניתן לשפר משמעותית את אפקט בחירת הגבישים.

הכנת להבי טורבינת גביש בודדים חלולים דורשת יותר מתריסר שלבים (התכת סגסוגת מאסטר, הכנת מעטפת ממברנת גביש אחת, הכנת ליבות קרמיות בתצורה מורכבת, יציקת נמס, מיצוק כיווני, טיפול בחום, טיפול פני השטח, הכנת ציפוי מחסום תרמי וכו'. ). התהליך המורכב חשוף לפגמים שונים, כגון גרגירים תועים, נמשים, גבולות גרגרים בזווית קטנה, גבישי פסים, סטיית כיוון, התגבשות מחדש, גבולות גרגרים בזווית גדולה וכשל בבחירת גבישים.