Vienvaiziai gurkštinių lopų: technologinis persprendimas, kuris pašalina aukštos temperatūros ribas

1 Aviacijos dujų turbininių varomųjų įrenginių kūrimas

Kai didėjo lėktuvams, naudojamoms transporto, karinio, gamybos ir kitų tikslų atitikti, reikalavimai, ankstyviausios pistoriniai varikliai daugiau negalėjo atitikti aukštos greičio skrydžio poreikių. Todėl nuo 1950-ųjų metų pradžios dujų turbininiai varikliai laipsniškai tapsusi pagrindu.

1928 metais Jungtinės Karalystės Sir Frank Whittle savo baigiančiojo darbo dalyje „Būsimas lėktuvų konstrukcijos vystymasis“, parašytame karinėje akademijoje, nurodė, kad esamos technologijos nepakankamai tinkamos skruostinių variklių tobulinimui, kad jie galėtų atitikti aukštuminius reikalavimus arba skraidymo greičius virš 800 km/h. Jis pirmasis iškėlė koncepciją, kuri dabar yra žinoma kaip reaktyvusis variklis (motorinis variklis): sužlinteris oro srautas tiekiamas degimo kambariui (degimui) per tradicinius pistonius, o gauti aukšt temperatūros dujos tiesiogiai naudojamos skraidymui, ką galima laikyti skruostiniu varikliu plius degimo kambario dizainu. Vėlesniame tyrimo etape jis atmestė sunkiu ir neefektyviu pistoniu naudojimą, pasiūlydamas naudoti turbina (turbinę), kad tiektų sužlintą oro srautą į degimo kambarį, o turbinos energija gaunama iš aukšt temperatūros išmetamų dujų. 1930 metais Whittle pateikė patentą, o 1937 metais sukūrė pirmąjį centrifuginį reaktyvų turbininį variklį, kuris oficialiai buvo pritaikytas prie Gloster E.28/39 lėktuvo 1941 metais. Nuotolinis, dygno variklio dominavimas aviacinėje srityje tapo svarbiuoju šalies mokslo, technologijų pramoninio lygio bei bendrojo nacionalinio jėgos simboliu.

Lėktuvo varikliai gali būti padalinti į keturias pagrindines tipologijas, atsižvelgiant į jų naudojimą ir konstrukcinę charakteristiką: turbojudinės varnelės, turboventiliatoriniai varikliai, turboshaftiniai varikliai ir turbopropeliai.

Gazo turbininiai aviacijos varikliai vadinami turbojudiniais varikliais, kurie yra pirmieji gazo turbiniai varikliai, kuriuos buvo pradžiai pritaikyta. Šių variklių veikimo principu požiūriu jie yra paprasčiausi ir tiesiausi. Jų veikimas remiasi reakcijos jėga, kurią sukelia aukštos greičio vamzdžio švirkštis. Tačiau aukštojo greičio oro srautas vienareikšmiškai nuima daug šilumos ir kinetinės energijos, dėl ko yra didelė energijos nuostolių.

Turboventiliatorinis variklis skiria oro srautą, einantį per variklį, į du takus: vidinį kanalą ir išorinį kanalą, kas padidina bendrą oro srautą ir sumažina vidinio kanalo oro išmetimo temperatūrą bei greitį.

Turbošiuviniai ir turbonepučiamieji varikliai ne generuoja triukšmo su oro srauto injekcija, todėl išmetamų dujų temperatūra ir greitis yra gana maži, termine efektyvumas yra gana aukštas, o variklio kuro suvartojimo norma yra žema, tai tinkama ilgalaikiems lėktuvams. Nepučių greitis bendrai nesikeičia, o skirtingas trysčio jėga gaunama reguliuojant lopų kampą.

Propfan variklis yra tarp turbonepučiamųjų ir turbošiuvinio variklio. Jis gali būti padalintas į propfan variklius su nepučiamuju rinkmeniu ir propfan variklius be nepučiamuju rinkmeniu. Propfan variklis yra konkurencingiausias naujas energijos taupymo variklis, tinkamas subozinis skrydis.

Civilinė erdvinė technika bei varikliai praejo daugiau nei pusamžiaus vystymosi. Variklio struktūra išvystė nuo ankstesnių centrifuginių turbininių variklių iki vienvirčio eilutinio srauto variklių, nuo dvivirčio turbininio raketinio variklio iki mažo aplinkos santykio turbininio variklio su raudoniu švitą ir vėliau – iki didelio aplinkos santykio turbininio variklio su raudoniu švitą. Struktūra visą laiką buvo optimizuojama siekiant efektyvumo ir patikimumo. Pirmosios kartos turbininiai reaktoriai 40-ajame ir 50-ajame amžiuje turėjo tik 1200–1300K turbinės įeities temperatūrą. Su kiekvienu lėktuvo modelio atnaujinimu ji padidėjo apie 200K. Iki 80-ųjų metų ketvirtos kartos modernių kovos lėktuvų turbinės įeities temperatūra pasiekė 1800–2000K[1].

Centrifuginio oro kompresoriaus principas yra tas, kad impeliatorius vedo dujas sukant aukštais greičiais, kad dujos išsisklaidytų dėl centrifuginio jėgos. Dėl dujų plėtojo spaudos srauto impeliatoriuje, per impeliatorių ejančių dujų srautas ir slaptis padidėja, o tai leidžia nuolat gaminti sutrumpintą oro. Jis turi trumpą ašinę matmenį ir didelę vieneto slėgio santykį. Ašinis oro kompresorius yra toks kompresorius, kuriame oro srautas esantiškai teka lygiagrečiai su sukamojo impeliatoriaus ašimi. Ašinis kompresorius sudarytas iš kelių etapų, kiekvienas etapas turi rėmimo lapų eilutę ir sekantią statoriaus lapų eilutę. Rotorius yra darbinių lapių ir ratai, o statorius yra vadovas. Oro pirmiausia pagreičia rotoriniai lapai, jis sustačia ir suspaudžia statoriaus lapų kanale, o procesas kartojasi daugiakampyse lapų etapuose, kol bendras slėgio santykis pasieks reikiamą lygį. Ašinis kompresorius turi mažą diametru, todėl jis lengvai gali būti naudojamas kelias etapo seka, siekiant gauti didesnį slėgio santykį.   

Turboventiliuose varikliuose kaip projektavimo parametrai paprastai naudojami perplavimo santykis, variklio slėgio santykis, turbinos įeities temperatūra ir ventilatoriaus slėgio santykis:

Perplavimo santykis (BPR): Santykis tarp dujų masės, einančios per išėjimo ductus, ir dujų masės, einančios per vidines ductus variklyje. Turboventilio variklio priekiniame rotoriuje dažniausiai vadinama mažo slėgio suformuotuviu, o turboventilio variklio priekiniame rotoriuje dažniausiai vadinama ventilatoriumi. Slęstos dujos, einančios per mažo slėgio suformuotuvį, einą per visus turboventilio variklio dalis; dujos, einančios per ventilatoriumi, padalijamos į vidines ir išorines ductus. Nuosavybės atsiradusiose turboventilio varikliuose, BPR kartais didėja, ir ši tendencija ypač akivaizdi civiliniuose turboventilio varikliuose.

Variklio slėgio santykis (EPR): Santykis tarp bendro slėgio šilkinio išėjime ir bendro slėgio suformuotuvo įėjime.

Temperatūra turbinos įvestyje: Temperatūra, su kurią degimo kambario išėjimas patepia į turbina.

Sužlugdymo santykis ventilatoriaus: Taip pat vadinamas sužlugdymo santykiu, dujų slėgio kompresoriaus išėjime ir dujų slėgio įėjime santykiu.

Du efektyvumai:

Terminis efektyvumas: Matavimo rodiklis, kaip efektyviai variklis konvertuoja šiluminę energiją, sukeltą degimu, į mechaninę energiją.

Propulsijos efektyvumas: Matavimo rodiklis, rodantis, koks mechaninės energijos dalis, generuojama varikliu, naudojama lėktuvo judėjimui skatinti.

2 Turbinos lopų kūrimas

Iteratyvus kūrimas

Paimus turboventiliacijos variklį kaip pavyzdį, lapų vertė sudaro iki 35%, o jie yra kritinis komponentas lėktuvų variklių gamyboje. Variklyje yra nuo 3 000 iki 4 000 oro lapiukų, kurie gali būti padalinti į tris kategorijas: varžiuko lapus, sužluokimo lapus ir turbininius lapus. Turbininių lapų vertė yra aukščiausia – siekia 63%. Taip pat jie yra sunkiausi gaminti ir turtingiausi pagaminti turboventiliacijos varikliuose [2].

1970-aisiais JAV pirmieji pradėjo naudoti PWA1422 kryptinio solidifikavimo lapus karo ir civilinių lėktuvų varikliuose.

Po 1980-ųjų trečios kartos variklio jėgos svorio santykis padidėjo iki daugiau nei 8, o turbinos lopelės pradėjo naudoti pirmąją SX kartą, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ir Kinijos DD3. Jos temperatūros tiksliybiškumas yra 80K aukštesnis už geriausią kryptinio solidifikavimo gavimą aukštos temperatūros lygą PWA1422. Privalumai. Kartu su filmų šaldo vienam kanalui tuščiame technologijoje, turbinos lopelių veikimo temperatūra pasiekia 1600-1750K.

Ketvirtos kartos turbininis ventilatorius naudoja antrąją kartą SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ir DD6. Pridedant Re elementus ir daugiakanelę aukštąją slėgį oro šaldymo technologiją, turbinos lopelių veikimo temperatūra pasiekia 1800K-2000K. 2000K ir 100h ilgalaikis stiprumas siekia 140MPa.

Trečio kartos SX, kuris buvo sukurtas po 1990-ųjų, apima RenéN6, CMRX-10 ir DD9, kurie turi labai aiškias pranašumas dėl kriepimo stiprumo palyginti su antrąja kartos SX. Sudėtingų šaldymo kanalų ir temperatūrinių barjerinių sluoksnių apsaugoje, jis gali išlaikyti turbinos įvesties temperatūrą, siekiančią 3000K. Liotomis naudojamas metalų junginys siekia 2200K, o 100 valandų ilgalaikis stiprus siekia 100MPa.

Šiuo metu kūrimo etape yra ketvirtos kartos SX, pavyzdžiui, MC-NG[4], TMS-138 ir pan., bei penktos kartos SX, pavyzdžiui, TMS-162 ir pan. Jo sudėtis yra charakterizuojama naujų retųjų žemėlapių elementų, tokių kaip Ru ir Pt, pridėjimu, kas esminioje aprėptį pagerina SX aukštųjų temperatūrų kriepimo savybes. Penktos kartos aukštųjų temperatūrų aliejus jau pasiekė darbo temperatūrą 1150°C, kuri artima teoriniam maksimaliam veikimo temperatūros ribai 1226°C.

3 Nickelio bazinis vienmatavinių kristalų superaliejų kūrimas

3.1 Sudedamųjų dalių charakteristika ir fazių sudėtis nikolio pagrindu esančių vienmatvių superaliejinių

Atsižvelgiant į matricos elementų tipą, aukštos temperatūros aliejiniai gali būti padalinti į žaldo pagrindu, nikolio pagrindu ir kobalto pagrindu, o vėliau dar daugiau apskirti į lietinės, formavimo ir pudyno metalurgijos makrostruktūras. Nikolio aliejiniai turi geresnes aukštų temperatūrų savybes nei kiti du aukštos temperatūros aliejiniai ir gali dirbti ilgą laiką griežtose aukštų temperatūrų sąlygomis.

Nikelio pagrindiniai aukštos temperatūros lygos sudaro bent 50% Ni. Jų FCC struktūra padaro jas labai suderintomis su kai kuriais jungikliams. Jungiklių, pridėtų projektavimo metu, skaičius dažnai viršija 10. Pridedamų jungiklių bendrumas klasifikuojamas toliau: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ir W yra pirmosios klasės elementai, kurie vaidina kaip austenito stabilizuojantys elementai; (2) Al, Ti, Ta ir Nb turi didesnius atominius radijus, kurie skatina stiprinančių fazijų, tokios kaip junginys Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), formavimą, ir yra antrosios klasės elementai; (3) B, C ir Zr yra trečiosios klasės elementai. Jų atominis dydis yra daug mažesnis nei nikelio atomų dydis, ir jie lengvai atskiriasi į γ fazių granules, kuriose vaidina grain boundary strengthening [14].

Nikelio pagrindinių vienos kristalinės aukštos temperatūros lygų fazės yra pagrindinės: γ fazė, γ' fazė, karbido fazė ir topologiškai gretimos pakopos fazė (TCP fazė).

fazė γ: γ fazė yra austingitinė fazė su FCC kristalinės sandaros tipu, kuri yra sudedamasis sprendinys, užformuotas iš elementų, tokių kaip Cr, Mo, Co, W ir Re, tirpstančių nikelyje.

fazė γ': γ' fazė yra Ni3(Al, Ti) tarpmetalinis junginys su FCC sandara, kuris formuojasi kaip sedimentacijos fazė, palaikant tam tikrą koherenciją ir neatitiktį su matricos faze ir yra bagriai anglijaus Al, Ti, Ta ir kitais elementais.

Karbidinė fazė: Nuo antrosios kartos nikelinei SX pridedamas mažas C kiekis, dėl kurio pasirodo karbaidai. Maži karbaidai yra disperguoti matricoje, o tai tam tikru mastu pagerina aliaurio aukšt temperatūros savybes. Ji paprastai skiriamasi į tris tipus: MC, M23C6 ir M6C.

TCP fazė: Senėjimo tarnybose perdaugiai nekintamųjų elementų, pvz., Cr, Mo, W ir Re, skatina TCP fazės išsiskverbimą. TCP dažniausiai formuojasi kaip plonasis lapis. Lapinė struktūra neigiamai veikia traukimą, kriptą ir nuolatinio apkrovimo savybes. TCP fazė yra viena iš krypties rupture šaltinių.

Stiprinimo mechanizmas

Niobio pagrindinių superaliejinių jėga atsiranda dėl keliių stiprinimo mechanizmų junginio, įskaitant tinkamo sprendmens stiprinimą, kristalinio substruktūros kūrimą ir temperavimą, kuris padidina dislokacijų tankį.

Tinkamo sprendmens stiprinimas yra skirtingų sprendžiamųjų elementų, įskaitant Cr, W, Co, Mo, Re ir Ru, pridėjimas siekiant pagerinti pagrindinę jėgą.

Skirtingi atomų radiuliai sukelia tam tikrą atomų tinklo iškraipymą, kuris užkerta dislokacijoms judėti. Tinkamo sprendmens stiprinimas auga kartu su didėjančiu atomų dydžio skirtumi.

Tikras sprendinio stiprinimas taip pat turi poveikį mažinant sluoksninių klaidų energiją (SFE), pagrindinai užkertant kelis dislokacijoms krinti per kitus sluoksnius, kas yra pagrindinis deformavimo režimas neidealiesioms kristalams aukštose temperatūrose.

Atominiai klasteriai ar trumpojojo veiksmo mikrostruktūros yra dar vienas mechanizmas, kuris padeda gauti stiprinimą dėl sprendinio. Re atomai SX segreguoja į tempimo stresų sritį dislokacijos branduolyje γ/γ’ sąsajoje, formuodami „Cottrell atmosferą“, kurios dėka efektyviai būna sustabdyta dislokacijų judėjimo ir šiekšlių plitimo. (Išlyginimo atomai yra koncentruojami tempimo streso srityje kraštutinių dislokacijų, sumažindami tinklo iškraipyjimą, formuodami Corioliso dujų struktūrą ir sukuriant stiprų sprendinio stiprinimo efektą. Šis efektas didėja kartu su išlyginimo atomų koncentracijos bei dydžio skirtumo augimu).

Re, W, Mo, Ru, Cr ir Co efektyviai stiprina γ fazę. Lixto sprendinio stiprinimas γ matricos atlieka ypač svarbų vaidmenį nikeliu pagrįstų aukštos temperatūros aliejinių kripties jėgose.

Padengimo krūvio poveikis yra įtakomas γ' fazės tūrio dalimi ir dydžiu. Aukštųjų temperatūrų aliejinių sudedamųjųjų optimizavimo tikslas yra pagrindinėmis dalimis padidinti γ' fazės tūrio dalį ir pagerinti mechanines savybes. SX aukštųjų temperatūrų aliejiniai gali turėti 65%-75% γ' fazės, dėl ko pasiekiamas geras kripties stiprumas. Tai yra naudingas maksimalus padengimo efekto vertė γ/γ' ribos, ir tolesnis didinimas sukels jaudingo stiprumo ryškiai sumažėjimą. Aukštųjų temperatūrų aliejiniai su dideliu γ’ fazės tūrio dalimi yra paveikiami γ’ fazės dalelių dydžiu. Kai γ’ fazės dydis yra mažas, išlinkimai tenduoja apskritulioti ją, dėl ko kripties stiprumas sumažėja. Kai išlinkimai priversti pjauti γ’ fazę, kripties stiprumas pasieks maksimumą. Kai γ’ fazės dalelės didėja dydžiu, išlinkimai tenduoja lankstytis tarp jų, dėl ko kripties stiprumas sumažėja [14].

Yra trys pagrindinės branduolio stiprinimo mechanizmų:

Tinklo nesuderinamumo stiprinimas: γ’ faza yra disperguota ir kristalizuojama γ fazoje kaip koherenčiai. Abi yra FCC struktūros. Tinklo nesuderinamumas atspindi dviejų fazų sąsajos tarpusavio stabilumą ir stresą. Geriausiu atveju matricos ir kristalizuotosios fazės turi tą patį krisalinį struktūrą ir geometriją, kadangi taip daugiau kristalizuotųjų fazų galima įdėti į γ fazę. Nickelinių aukštos temperatūros aljavių nesuderinamumo diapazonas yra 0~±1%. Re ir Ru aiškiai segmentuojasi su γ faza. Re ir Ru padidinimas didina tinklo nesuderinamumą.

Tvarkos stiprinimas: dėsnio pjovimas sukels nerūšiujantį efektą tarp matricos ir kristalizuotosios fazės, reikalaujant daugiau energijos.

Mechanizmas perlinkimo: vadinamas Orowano mechanizmu (Orowano lankstymas), tai stiprinimo mechanizmas, kuriuo metalo matricos faze, formuojamos iškaitinėse zonose, užkerta kelį judančiam dislokacijoms toliau judėti. Pagrindinis principas: Kai judančios dislokacijos susiduria su dalele, jos negali ją perjungti, todėl kilsta jos aptarnavimas, dislokacijų linijų augimas ir būtina didesnė judėjimo jėga, kuriai rezultatyre padidėja stiprinimo efektas.

3.3 Aukštosiolių aliejinių leistymo metodų kūrimas

Pirmiausias aljotas, naudojamas aukštiemperatūriniuose aplinkovimuose, galima atitraukti iki Nichrome sukūrimo 1906 metais. Turbininių sužluostinių ir dujoturbininių variklių kilimas stimulijojo aukštiemperatūrinių aljotų esminį vystymąsi. Pirmosios kartos dujoturbininių variklių lopatai buvo pagamintos šliuzavimu ir formavimu, kas aiškiai turėjo to meto ribojimus. Šiuo metu aukštiemperatūrinių aljotų turbinės lopos dažniausiai gaminamos investicinis lietinimo metodu, konkrečiai kryptinio solidifikavimo (DS). DS metodas pirmą kartą buvo sukurtas 1970-aisiais JAV Versnyderio komandoje „Pratt & Whitney“. Kelių dešimtmečių vystymosi metu turbinės lopų parinkti medžiagai pasikeitė nuo lygiakampių kristalų į stulpelius, o vėliau buvo optimizuota į vienaskristalinius aukštiemperatūrinius aljotinius medžiagas.

DS technologija yra naudojama stulpelinio branduolio dūmenų SX komponentams gaminti, kas esminiu būdu pagerina aukštos temperatūros dūmėjimo lankstumo ir šiltnamio šokų išornumą. DS technologija užtikrina, kad gaminami stulpelės turėtų [001] orientaciją, kuri yra lygiagreti dalių pagrindiniam stresui, o ne atsitiktinei kristalų orientacijai. Pagrindu, DS turi užtikrinti, kad leistinio metalo solidifikavimas gavyje vyktų su skystuoju metalu visada būnant tikriausiai solidifikuotame būve.

Stulpeliniai kristalai gavimui reikia atitikti du sąlygas: (1) Vienmatė šilumos srautas užtikrina, kad kietėjimo-šiltojo sąsaja ant augimo taško juda viena linkme; (2) Per judančio kietėjimo-šiltojo sąsajos kryptį negali būti kristalų formavimosi.

Kadangi lopos suolis dažniausiai kyla aukštos temperatūros silpnes struktūroje tarp dalelių, norint pašalinti dalelę tarp ribų, per kryptinį solidifikavimą naudojamas solidifikavimo formo, turintis "dalelės selektorius" struktūrą. Šios struktūros skerspjūvis yra artimas dalelės dydžiui, kad tik viena optimaliai auganti dalelė patektų į lietinių formos juostą ir tada tęstų augti kaip vienintelis kristalas iki to laiko, kol visa lopa bus sudaryta iš vienos dalelės.

Kristalinis selektorius gali būti padalintas į du dalis: pradžios bloką ir spiralę:

Pradžioje DS proceso, dalelės prasideda branduolių formavimasis apačioje pradiniame bloke. Dalelių augimo ankstyvojo etapo metu jų skaičius yra didelis, dydis mažas, o orientacijos skirtumas didelis. Tarp dalelių vykstančios konkurencinės augimo sąveika yra dominuojanti, o sienų geometrinis blokuojimo efektas yra silpnesnis. Šiuo metu orientacijos optimizavimo efektas yra akivaizdus; kai dalelių aukštis pradiniame bloke didėja, dalelių skaičius sumažėja, dydis didėja, o orientacija taps artimesnė. Tarp dalelių vykstančios konkurencinės augimo sąveika sumažėja, o sienų geometrinis blokuojimo efektas tampa dominuojantis, užtikrindamas, kad kristalo kryptis galėtų būti toliau optimizuojama, nors orientacijos optimizavimo efektas silpnėja. Sumažinus pradiniame bloke spindulį ir padidinus jo aukštį, galima efektyviai optimizuoti dalelių orientaciją prieš įeinantį į spiralę dalį. Tačiau pradiniame bloke ilgį padidinus, bus sutrumpintas gietinio veiksmingas augimo erdvės, tai taip pat padidins gamybos ciklą ir paruošimo išlaidas. Todėl reikia racionaliai apibrėžti pagrindo geometrijos struktūrą.

Pagrindinė spiralės funkcija yra efektyviai išrenkti vieną kristalą, o jų orientacijos optimizavimo galimybė yra silpna. Kai DS procesas vyksta spiralėje, sukintoji kanalas teikia erdvę šaknų augimui, o antriniai dendraitių šakos juda link likvidaus linijos. Dendraitiams yra galingas horizontalus augimo trendas, o jų orientacija yra kibsuojanti, su silpnu optimizavimo efektu. Todėl spiraloje esančių dendraitių selekcija pagrįsta daugiausia dendraitių geometrinėmis apribojimo privalumais, konkurencinguoju augimo privalumu ir erdviško plėtros privalumu [7], o ne pageidaujamos orientacijos augimo privalumu, kuris turi stiprią atsitiktinumą [6]. Taigi, pagrindinė priežastis, kodėl kristalinė selekcija nepavyksta, yra tai, kad spiralė neatlieka vienojo kristalo selekcijos vaidmenio. Padidinus spiralės išorinį skersmenį, sumažinus žingsnį, spiralės paviršiaus skersmenį ir sumažinus pradinią kampą, galima ryškiai pagerinti kristalinės selekcijos efektą.

Holinio vienintaro turbinos lopų gamyba reikalauja daugiau nei dešimt etapų (master allow leistinės, vienintaro membranos skersinio skylimo paruošimas, sudėtingo konfigūracijos keraminių širdžių paruošimas, smeltinės leistinės, kryptinio solidifikavimo, šiluminės apdirbros, paviršiaus apdirbros, termalinių barjerinių sluoksnio paruošimas ir kt.). Sudėtingas procesas yra nepriklausomas nuo įvairių defektų, pvz., iškarpų dalelių, plūdymo, mažų kampų dalelės ribos, juostinių kristalų, orientavimo nuokrypis, perkrystalinis, didelio kampo dalelės riba ir kristalo atranka nepavyko.