항공기 엔진 고압 터빈 로터 블레이드는 어떻게 제작됩니까?

항공기 엔진 고압 터빈 로터 날개가 제조되는 원리는 매우 간단하지만, 이 과정에서의 다양한 매개변수들은 각 노드의 매개변수, 보조 재료의 구성, 그리고 많은 운을 필요로 합니다.

첫째, 고압 터빈 로터 날개는 복잡한 내부 냉각 공기 통로를 필요로 합니다 (아래 그림 참조). 먼저 내부 냉각 공기 통로를 만듭니다 (냉각 공기 구멍은 나중에 다룰 것입니다). 그런 다음 특수 도자기를 사용하여 왁스 모형을 주조해 공기 통로를 형성합니다.

이 세라믹 공기통 모형을 얻은 후, 이를 날개 외부 모형과 결합하여 주조로에 넣습니다. 용융된 초합금*이 상하 방향으로(세라믹 공기통 내부 모형과 왁스 외부 모형 포함) 모형 내부 공간으로 들어갑니다. 각각의 주조 과정 사이에서 수많은 코팅 작업을 수행해야 하는데 매우 번거롭습니다. 독일 회사는 이 작업을 로봇을 사용해 진행하지만, 러시아는 아직도 아줌마의 붓을 사용하는 것으로 보입니다. 이러한 코팅 작업은 주조 품질을 직접적으로 결정짓고, 불량률은 극히 낮습니다.

이때 주조 장비는 초합금 용액의 온도를 엄격하게 제어한 후, 가로 평면에서 고체화(즉, 결정 성장)를 시킵니다. 아래에서 위로 결정이 성장할 때, 나선형(결정 선택기)에서 서로 압축하고 선택하며, 결국 사전 설정된 방향과 가장 가까운 하나의 결정만 남게 되고, 이 결정은 계속해서 위로 성장합니다.

고압 샤프트가 1만 회 이상 회전해야 하기 때문에 각 부품은 10톤 이상의 이심력에 노출되며, 니켈結晶의 각 방향 강도가 다르기 때문에 그 대각선(가장 강한 방향)은 이심력 방향과 10도 이내여야 한다. (또 하나 말하자면, 저압 터빈 로터에서 사용되는 단일 방향 니켈 기반 합금은 결정 방향이 필요하지만 단일 결정만 필요한 것은 아니며, 이는 단일 결정의融点이 다결정(단일 방향 결정 포함)보다 50K 더 높기 때문이다.)

수율은 그리 높지 않다. 내가 아는 바로는 독일의 많은 우수한 정밀 주조 공장들이 이 공정을 도전해 보았지만 결국 파산했다. 진입 장벽이 정말로 너무 높다.

마지막으로, 완제품을 얻고 특수 알칼리 용액을 사용하여 공각에 남아있는 세라믹 공각 주조를 녹여 냉각 구멍을 만듭니다. 전기 용해 구멍과 전기화학적 구멍이 있으며, 가장 일반적인 구멍은 레이저로 만들어집니다. 구멍의 형태도 매우 복잡합니다. 이후에는 전도 도금 코팅이 이루어지며, 이 또한 방대한 지식이 필요합니다.

아래 그림은 왼쪽에 다결정, 가운데에 단일방향結晶, 오른쪽에 단결정을 보여줍니다.

그러나 주조 후 날개에는 내부 냉각 공기 통로와 날개 표면을 연결하는 공기 구멍이 없습니다. 이 작업은 일반적으로 레이저를 사용하여 수행됩니다. 고압 압축기에서 추출된 냉각 공기는 공압을 많이 잃고 중공 축을 통해 고압 터빈으로 흐릅니다. 또한 코어 공기도 연소 과정을 거치면서 압력을 잃지만, 축에서 날개까지의 과정에서 일정한 원심 압축 및 압력 증대 효과가 발생합니다. 그럼에도 불구하고 냉각 공기를 날개 표면에 도달시키기 위해서는 더 높은 정압이 필요합니다. 이때 단면적이 확장된 구멍이 필요해지며, 이를 통해 냉각 공기의 동압을 줄이고 정압을 증가시켜 날개 표면에서 열 코어 공기를 밀어내게 됩니다 (많은 무의미한 설명). 게다가 너무 빠른 속도는 냉각 공기가 코어 공기에 직접 주입되는 문제를 초래할 수 있으며, 또 다른 역할로서 날개 표면에 냉각 공기 막을 형성하여 날개를 보호해야 하므로 감속과 압력 증대가 필요합니다.

따라서, 이 유형의 구멍은 다양한 위치에 따라 기하학적 모양을 최적화해야 합니다. 레이저 드릴링은 자동화하기 쉽지만, 단점은 내부 표면 스트레스가 발생할 수 있다는 것입니다.

터빈 스테이터의 꼬리 부분(단일結晶, 주제 외)에는 후속 터빈 로터를 위해 깨wake 냉각 구멍이 필요합니다. 이 구멍은 매우 가늘고 내부 응력에 견딜 수 없으므로 전기화학 부식 방법으로 만들어집니다. 물론 이것은 절대적인 것이 아니며, 각 회사는 다른 가공 방법을 사용합니다.

이 작업을 완료하면 단일結晶 터빈 블레이드를 얻게 되지만 아직 코팅되지 않았습니다. 현대의 터빈 블레이드는 지르코니아 열장벽 코팅이라는 지르코니아 산화물 세라믹 층이 필요합니다. 이 물질은 세라믹이기 때문에 일정 정도 연약합니다. 터빈이 작동 중에 약간의 변형이 발생하면 전체가 벗겨질 수 있으며, 이로 인해 터빈 블레이드가 즉시 녹을 수 있습니다. 이것은 항발(항공용 가스터빈) 내에서는 절대 용납될 수 없습니다.

그런 다음 EB-PVD 공정 (전자빔 물리 기상 증착법), 증착 방법이 있습니다.

물론 이를 제작하기 전에도 여러 다른 재질의 층들이 존재하며, 예를 들어 백금 도금 (플래티넘), 플라즈마 분무 등이 있습니다. 또한 지르코니아를 강화하고 접착제처럼 붙이는 층도 있습니다. 물론 각 회사마다 약간의 차이가 있으며, 항상 동일하지 않습니다.

첫째, 전자총은 전자빔을 방출하며, 이는 자기장에 의해 유도되어 지르코니아 기판에 충돌합니다. 전자에 의해 폭격된 기판은 기체 상태로 변하게 되며, 그 기체 상태의 지르코니아는 날개 표면으로 유도되어 성장 과정이 시작됩니다. 지르코니아는 직경 1마이크론, 길이 50마이크론의 작은 막대 형태로 성장하여 잎의 표면을 밀집되게 덮으며, 공극이 코팅되지 않도록 합니다. 이는 하나의 통합 세라믹이 아니기 때문에, 작은 막대들은 전체가 벗겨지지 않고 서로 약간 움직일 수 있어 변형으로 인한 고장 문제를 해결합니다.

지르코니아는 매우 높은 경도와 극도로 낮은 열전도율을 가지고 있어, 니켈 기판과 핫 코어 공기 흐름 사이에서 매우 가파른 온도 변화를 형성할 수 있습니다. 내부 냉각과 공기 막 냉각을 통해 날개는 자신의融점보다 훨씬 높은 환경에서도 오랜 시간 동안 높은 강도와 신뢰성을 유지하며 작동할 수 있습니다.

이 시점에서 날개 표면 처리가 완료됩니다. 터빈 휠에 맞추기 위해 날개는 또한 소나무 모양 또는 박스 조인트 구조의 날개 루트가 필요합니다.

앞서 언급했듯이 각 터빈 날개는 작업 중 10톤 이상의 원심력을 견뎌야 하며, 날개 루트 역시 매우 정밀하게 가공되어야 합니다. 니켈 기반 초합금은 매우 단단하고 고온에 강하며, 매우 어려운 가공이 필요합니다.

날개 루트는 갈아서 만들어집니다. 날개는 특수 픽스처로 고정되며, 상하 그라인딩 휠(여형)이 서로 반대되는 기하학적 형태로 내부로 갈아냅니다.

이것은 갈매기를 빠르게 고장나게 하므로, 두 개의 갈매기 외부에 긍정적인 다이아몬드 갈매기를 추가하여 계속해서 갈매기를 갈아서 작동 상태를 유지하게 합니다. 다이아몬드 휠의 산업용 다이아몬드는 로봇에 의해 접착됩니다.

이러한 공정들과 검사 이후, 날개는 작업 준비가 되었습니다. 그것은 단지 항공기 엔진의 일부분이며, 항공기 엔진은 항공기에 있는 하나의 모듈에 불과합니다.