Vieno kristalo turbinos mentės: technologinis laimėjimas, kuris peržengia aukštas temperatūros ribas

1 Aviacinių dujų turbininių variklių kūrimas

Didėjant transporto, karinių, gamybinių ir kitų paskirties orlaivių eksploatacinių savybių reikalavimams, ankstyviausi stūmokliniai varikliai nebegalėjo patenkinti greitųjų skrydžių poreikių. Todėl nuo šeštojo dešimtmečio dujų turbininiai varikliai pamažu tapo pagrindiniais.

1928 m., studijuodamas karo akademijoje, seras Frankas Whittle'as iš Jungtinės Karalystės savo baigiamajame darbe „Ateities orlaivių projektavimo plėtra“ atkreipė dėmesį į tai, kad pagal tuometines technines žinias sraigtų variklių tobulinimas ateityje negalėjo prisitaikyti prie poreikių. dideliame aukštyje arba skrydžio greičiu, viršijančiu 800 km/val. Jis pirmą kartą pasiūlė koncepciją, kas dabar vadinama reaktyviniu varikliu (motoriniu varikliu): suslėgtas oras į degimo kamerą (degimas) tiekiamas per tradicinį stūmoklį, o susidariusios aukštos temperatūros dujos yra tiesiogiai naudojamos skrydžiui varyti. gali būti laikomas propeleriniu varikliu ir degimo kameros konstrukcija. Vėlesniuose tyrimuose jis atsisakė idėjos naudoti sunkų ir neefektyvų stūmoklį ir pasiūlė naudoti turbiną (turbiną), kad suslėgtas oras būtų tiekiamas į degimo kamerą, o turbinos galia buvo gaunama iš aukštos temperatūros išmetamųjų dujų. 1930 m. Whittle'as pateikė patento paraišką, o 1937 m. sukūrė pirmąjį pasaulyje išcentrinį turboreaktyvinį variklį, kuris 28 m. buvo oficialiai naudojamas Gloster E.39/1941 orlaiviuose. Nuo tada dujų turbininiai varikliai dominuoja aviacijos galioje ir yra svarbus šalies mokslo ir technologijų pramonės lygio ir visapusiškos nacionalinės stiprybės simbolis.

Orlaivių variklius galima suskirstyti į keturis pagrindinius tipus pagal jų paskirtį ir konstrukcines charakteristikas: turboreaktyvinius variklius, turboreaktyvinius variklius, variklius su turbovelenu ir turbopropelerinius variklius:

Aviacijos dujų turbininiai varikliai vadinami turboreaktyviniais varikliais, kurie yra anksčiausiai naudojami dujų turbininiai varikliai. Žiūrint iš traukos generavimo būdo, turboreaktyviniai varikliai yra paprasčiausi ir tiesioginiai varikliai. Priežastys remiasi reakcijos jėga, kurią sukuria didelio greičio sūkurio įpurškimas. Tačiau greitas oro srautas vienu metu atima daug šilumos ir kinetinės energijos, todėl prarandama daug energijos.

Turboventiliatoriaus variklis padalija į variklį patenkantį orą į du kelius: vidinį ir išorinį ortakį, todėl padidėja bendras oro srautas ir sumažėja išmetamųjų dujų temperatūra bei vidinio ortakio oro srauto greitis.

Turbosraigtiniai ir turbosraigtiniai varikliai nesukuria traukos įpurškiant oro srautą, todėl labai sumažėja išmetamųjų dujų temperatūra ir greitis, santykinai aukštas šiluminis efektyvumas, mažos variklio degalų sąnaudos, o tai tinka ilgo nuotolio orlaiviams. Propelerio greitis paprastai nesikeičia, o reguliuojant mentės kampą gaunamos skirtingos traukos.

Profan variklis yra variklis tarp turbosraigtinių ir turboventiliatorių. Jį galima suskirstyti į propelentinius variklius su ortakiniais sraigtų korpusais ir propfan variklius be ortakinių sraigtų. Profan variklis yra konkurencingiausias naujas energiją taupantis variklis, tinkamas ikigarsiniam skrydžiui.

Civilinės erdvės varikliai buvo sukurti daugiau nei pusę amžiaus. Variklio struktūra išsivystė iš ankstyvojo išcentrinio turbininio variklio į vieno rotoriaus ašinio srauto variklį, nuo dviejų rotorių turboreaktyvinio variklio iki mažo apėjimo santykio turboventiliatoriaus variklio, o vėliau iki didelio apėjimo santykio turboventiliatoriaus variklio. Struktūra buvo nuolat optimizuojama siekiant efektyvumo ir patikimumo. Pirmosios kartos turboreaktyviniuose varikliuose 1200-aisiais ir 1300-aisiais turbinos įleidimo temperatūra buvo tik 1940–1950 K. Su kiekvienu orlaivio atnaujinimu jis padidėjo maždaug 200 tūkst. Devintajame dešimtmetyje ketvirtos kartos pažangių naikintuvų turbinos įleidimo temperatūra pasiekė 1980–1800 K[2000].

Išcentrinio oro kompresoriaus principas yra tas, kad sparnuotė varo dujas, kad sukasi dideliu greičiu, kad dujos generuotų išcentrinę jėgą. Dėl dujų plėtimosi slėgio srauto sparnuotėje padidėja dujų srautas ir slėgis, praeinant pro sparnuotės ratą, ir nuolat gaminamas suslėgtas oras. Jis turi trumpą ašinį matmenį ir aukštą vienos pakopos slėgio santykį. Ašinio srauto oro kompresorius yra kompresorius, kuriame oro srautas iš esmės teka lygiagrečiai besisukančio sparnuotės ašiai. Ašinio srauto kompresorius susideda iš kelių pakopų, kiekvienoje pakopoje yra rotoriaus menčių eilė ir vėlesnė statoriaus menčių eilė. Rotorius yra darbinės mentės ir ratas, o statorius yra kreiptuvas. Pirmiausia oras pagreitinamas rotoriaus mentėmis, statoriaus menčių kanale sulėtinamas ir suspaudžiamas, o daugiapakopėse mentėse kartojamas tol, kol bendras slėgio santykis pasiekia reikiamą lygį. Ašinio srauto kompresorius yra mažo skersmens, todėl patogu naudoti daugiapakopį tandemą, kad būtų pasiektas didesnis slėgio santykis.  

Turboventiliatoriaus varikliuose kaip konstrukciniai parametrai paprastai naudojami aplinkkelio koeficientas, variklio slėgio santykis, turbinos įleidimo temperatūra ir ventiliatoriaus slėgio santykis:

Aplenkimo koeficientas (BPR): dujų, tekančių per išleidimo kanalus, masės ir dujų, tekančių per variklio vidinius kanalus, masės santykis. Turboreaktyvinio variklio priekyje esantis rotorius paprastai vadinamas žemo slėgio kompresoriumi, o turboreaktyvinio variklio priekyje esantis rotorius – ventiliatoriumi. Slėginės dujos, einančios per žemo slėgio kompresorių, praeina per visas turboreaktyvinio variklio dalis; per ventiliatorių praeinančios dujos skirstomos į vidinį ir išorinį kanalus. Nuo tada, kai atsirado turboventiliatoriaus varikliai, BPR didėja, o ši tendencija ypač akivaizdi civiliniuose varikliuose su turboventiliatoriais.

Variklio slėgio santykis (EPR): bendro slėgio purkštuko išleidimo angoje ir bendro slėgio kompresoriaus įleidimo angoje santykis.

Turbinos įleidimo temperatūra: degimo kameros išmetamųjų dujų temperatūra, kai jos patenka į turbiną.

Ventiliatoriaus suspaudimo laipsnis: taip pat vadinamas suspaudimo laipsniu, dujų slėgio kompresoriaus išleidimo angoje ir dujų slėgio įleidimo angoje santykis.

Du efektyvumas:

Šiluminis efektyvumas: matas, kaip efektyviai variklis paverčia degimo metu pagamintą šilumos energiją į mechaninę energiją.

Varomosios jėgos efektyvumas: variklio generuojamos mechaninės energijos, naudojamos orlaiviui varyti, proporcijos matas.

2 Turbinos mentės tobulinimas

Iteratyvus vystymasis

Kaip pavyzdį paėmus turboventiliatoriaus variklį, menčių vertė sudaro net 35 proc., o gaminant orlaivių variklius jos yra labai svarbios. Variklyje yra nuo 3,000 iki 4,000 aviacijos menčių, kurias galima suskirstyti į tris kategorijas: ventiliatoriaus mentes, kompresoriaus mentes ir turbinos mentes. Turbinų menčių vertė yra didžiausia – siekia 63 proc. Tuo pačiu metu jie taip pat yra turboventiliatorių variklių mentės, kurių gamybos sudėtingumas ir gamybos sąnaudos yra didžiausios [2].    

Aštuntajame dešimtmetyje Jungtinės Valstijos pirmosios pradėjo naudoti PWA1970 kryptinio kietėjimo peiliukus karinių ir civilinių orlaivių varikliuose.

Po devintojo dešimtmečio trečios kartos variklio traukos ir svorio santykis padidėjo iki daugiau nei 1980, o turbinos mentėse buvo pradėti naudoti pirmosios kartos SX, PWA8, RenéN1480, CMSX-4 ir Kinijos DD2. Jo temperatūrinė galia yra 3K didesnė nei geriausio kryptinio kietėjimo liejimo aukštos temperatūros lydinio PWA80. Privalumai. Kartu su plėvele aušinimo vieno kanalo tuščiavidurės technologijos turbinos menčių darbinė temperatūra siekia 1422-1600K. .

Ketvirtosios kartos turboventiliatoriaus variklis naudoja antrosios kartos SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ir DD6. Pridėjus Re elementus ir kelių kanalų aukšto slėgio oro aušinimo technologiją, turbinos menčių darbinė temperatūra siekia 1800K-2000K. Esant 2000K ir 100h patvarus stiprumas siekia 140MPa.

Trečiosios kartos SX, sukurtą po 1990-ųjų, sudaro RenéN6, CMRX-10 ir DD9, kurie turi labai akivaizdžių slinkimo stiprumo pranašumų, palyginti su antrosios kartos SX. Esant sudėtingų aušinimo kanalų ir šiluminės barjerinės dangos apsaugai, turbinos įleidimo temperatūra, kurią ji gali atlaikyti, siekia 3000 K. Ašmenyse naudojamas intermetalinis lydinys pasiekia 2200K, o 100h patvarumas siekia 100MPa.

Šiuo metu kuriami ketvirtos kartos SX, atstovaujami MC-NG[4], TMS-138 ir kt., ir penktosios kartos SX, atstovaujami TMS-162 ir kt. Jo sudėtis pasižymi naujų retųjų žemių elementų, pvz. kaip Ru ir Pt, o tai žymiai pagerina SX valkšnumą aukštoje temperatūroje. Penktos kartos aukštos temperatūros lydinio darbinė temperatūra pasiekė 1150°C, o tai artima teorinei ribinei darbinei temperatūrai 1226°C.

3 Nikelio pagrindu pagamintų monokristalinių superlydinių kūrimas

3.1 Nikelio pagrindu pagamintų monokristalinių superlydinių sudėties charakteristikos ir fazinė sudėtis

Pagal matricinių elementų tipą aukštos temperatūros lydiniai gali būti skirstomi į geležies, nikelio ir kobalto pagrindo, o dar skirstomi į liejimo, kalimo ir miltelinės metalurgijos makrostruktūras. Nikelio lydiniai pasižymi geresniu veikimu aukštoje temperatūroje nei kitų dviejų tipų aukštos temperatūros lydiniai ir gali ilgai veikti atšiaurioje aukštos temperatūros aplinkoje.

Aukštos temperatūros lydiniuose nikelio pagrindu yra ne mažiau kaip 50 % Ni. Dėl FCC struktūros jie puikiai suderinami su kai kuriais legiravimo elementais. Projektavimo metu pridedamų legiravimo elementų skaičius dažnai viršija 10. Pridėtų legiravimo elementų bendrumas klasifikuojamas taip: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ir W yra pirmos klasės elementai. , kurie tarnauja kaip austenito stabilizavimo elementai; (2) Al, Ti, Ta ir Nb turi didesnius atominius spindulius, kurie skatina stiprinimo fazių, tokių kaip junginys Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), susidarymą ir yra antros klasės elementai; (3) B, C ir Zr yra trečios klasės elementai. Jų atominis dydis yra daug mažesnis nei Ni atomų, ir jie lengvai atskiriami iki γ fazės grūdelių ribų, o tai vaidina svarbų vaidmenį stiprinant grūdų ribas [14].

Nikelio pagrindu pagamintų vienakristalinių aukštos temperatūros lydinių fazės daugiausia yra: γ fazė, γ fazė, karbido fazė ir topologinė sandari fazė (TCP fazė).

γ fazė: γ fazė yra austenito fazė, kurios kristalinė struktūra yra FCC, kuri yra kietas tirpalas, sudarytas iš tokių elementų kaip Cr, Mo, Co, W ir Re, ištirpinti nikelyje.

γ' fazė: γ' fazė yra Ni3(Al, Ti) intermetalinis FCC junginys, kuris susidaro kaip nusodinimo fazė ir išlaiko tam tikrą darną bei neatitikimą su matricos faze, kuriame gausu Al, Ti, Ta ir kt. elementai.

Karbido fazė: pradedant antros kartos nikelio pagrindu pagamintu SX, pridedamas nedidelis kiekis C, todėl atsiranda karbidų. Nedidelis kiekis karbidų yra išsklaidytas matricoje, o tai tam tikru mastu pagerina lydinio veikimą aukštoje temperatūroje. Paprastai jis skirstomas į tris tipus: MC, M23C6 ir M6C.

TCP fazė: eksploatacijos senėjimo atveju per daug ugniai atsparių elementų, tokių kaip Cr, Mo, W ir Re, skatina TCP fazės nusodinimą. TCP dažniausiai susidaro plokštelės pavidalu. Plokštės struktūra neigiamai veikia plastiškumą, valkšnumą ir nuovargio savybes. TCP fazė yra vienas iš šliaužimo plyšimo įtrūkimų šaltinių.

Stiprinimo mechanizmas

Nikelio pagrindu pagamintų superlydinių stiprumas atsiranda dėl kelių kietėjimo mechanizmų, įskaitant stiprinimą kietu tirpalu, stiprinimą krituliais ir terminį apdorojimą, siekiant padidinti dislokacijos tankį ir sukurti dislokacijos pagrindą, kad būtų sustiprinta.

Grūdinimas kietuoju tirpalu yra skirtas pagerinti pagrindinį stiprumą, pridedant įvairių tirpių elementų, įskaitant Cr, W, Co, Mo, Re ir Ru.

Skirtingi atominiai spinduliai sukelia tam tikrą atominės gardelės iškraipymą, kuris slopina dislokacijos judėjimą. Kietojo tirpalo stiprinimas didėja didėjant atomų dydžio skirtumui.

Kieto tirpalo stiprinimas taip pat sumažina krovimo gedimo energiją (SFE), daugiausia slopindamas dislokacijos skersinį slydimą, kuris yra pagrindinis ne idealių kristalų deformacijos būdas aukštoje temperatūroje.

Atominiai klasteriai arba trumpo nuotolio mikrostruktūros yra dar vienas mechanizmas, padedantis sustiprinti kietą tirpalą. Re atomai SX atsiskiria dislokacijos šerdies tempimo įtempių srityje γ / γ sąsajoje, sudarydami „Cottrell atmosferą“, kuri veiksmingai apsaugo nuo dislokacijos judėjimo ir įtrūkimų plitimo. (Ištirpių medžiagų atomai koncentruojasi briaunų dislokacijų tempimo įtempių zonoje, sumažinant gardelės iškraipymą, formuojant Koriolio dujų struktūrą ir sukuriant stiprų kieto tirpalo stiprinimo efektą. Poveikis didėja didėjant tirpių atomų koncentracijai ir didėjant dydžiui. skirtumas)

Re, W, Mo, Ru, Cr ir Co efektyviai stiprina γ fazę. γ matricos stiprinimas kietu tirpalu vaidina itin svarbų vaidmenį nikelio pagrindu pagamintų aukštos temperatūros lydinių valkšnumo stiprumui.

Kritulių kietėjimo efektą veikia γ' fazės tūrinė dalis ir dydis. Aukštos temperatūros lydinių sudėties optimizavimo tikslas yra daugiausia padidinti γ fazės tūrio dalį ir pagerinti mechanines savybes. SX aukštos temperatūros lydiniuose gali būti 65–75 % γ fazės, todėl yra geras valkšnumo stiprumas. Tai rodo naudingą maksimalią γ / γ sąsajos stiprinimo efekto vertę, o tolesnis padidėjimas žymiai sumažins stiprumą. Aukštos temperatūros lydinių, turinčių didelę γ' fazės tūrio dalį, valkšnumo stiprumui įtakos turi γ fazės dalelių dydis. Kai γ fazės dydis yra mažas, dislokacijos linkusios lipti aplink ją, todėl sumažėja šliaužimo stiprumas. Kai išnirimai yra priversti sumažinti γ fazę, šliaužimo stiprumas pasiekia didžiausią. Didėjant γ fazės dalelėms, dislokacijos linkusios tarp jų lenktis, todėl sumažėja valkšnumo stiprumas [14].

Yra trys pagrindiniai kritulių stiprinimo mechanizmai:

Grotelių nesutapimo stiprinimas: γ fazė nuosekliai išsklaidoma ir nusodinama γ fazės matricoje. Abi yra FCC struktūros. Grotelių neatitikimas atspindi nuoseklios sąsajos tarp dviejų fazių stabilumą ir įtempių būseną. Geriausias atvejis yra tai, kad matrica ir nusodinta fazė turi tą pačią kristalų struktūrą ir tos pačios geometrijos gardelės parametrus, kad γ fazėje būtų galima užpildyti daugiau nusodintų fazių. Nikelio pagrindu pagamintų aukštos temperatūros lydinių neatitikimo diapazonas yra 0–±1%. Akivaizdu, kad Re ir Ru yra atskirti nuo γ fazės. Re ir Ru padidėjimas padidina gardelės neatitikimą.

Tvarkos stiprinimas: išnirimo pjovimas sukels sutrikimą tarp matricos ir nusodintos fazės, todėl reikės daugiau energijos

Dislokacijos aplinkkelio mechanizmas: vadinamas Orowan mechanizmu (Orowan lankstymasis), tai yra stiprinimo mechanizmas, kai metalinėje matricoje nusodinta fazė trukdo judančiam dislokacijai toliau judėti. Pagrindinis principas: Kai judanti dislokacija susiduria su dalele, ji negali praeiti pro šalį, todėl atsiranda apeinamasis elgesys, išnirimo linija auga, o reikiama varomoji jėga padidėja, todėl atsiranda stiprinamasis poveikis.

3.3 Aukštos temperatūros lydinių liejimo metodų kūrimas

Ankstyviausias lydinys, naudojamas aukštos temperatūros aplinkoje, gali būti siejamas su nichromo išradimu 1906 m. Turbokompresorių ir dujų turbinų variklių atsiradimas paskatino iš esmės plėtoti aukštos temperatūros lydinius. Pirmosios kartos dujų turbinų variklių mentės buvo gaminamos ekstruzijos ir kalimo būdu, o tai akivaizdžiai turėjo laiko apribojimus. Šiuo metu aukštos temperatūros lydinio turbinų mentės dažniausiai gaminamos liejimo būdu, ypač kryptiniu kietėjimu (DS). DS metodą pirmą kartą išrado Pratt & Whitney Versnyderio komanda Jungtinėse Valstijose aštuntajame dešimtmetyje [1970]. Kūrimo dešimtmečiais pirmenybė teikiama turbinų menčių medžiagai, kuri buvo pakeista iš lygiašių kristalų į stulpelinius kristalus, o vėliau optimizuota į monokristalines aukštos temperatūros lydinio medžiagas.

DS technologija naudojama kolonų šerdies lydinio SX komponentams gaminti, o tai žymiai pagerina aukštos temperatūros lydinių plastiškumą ir atsparumą šiluminiams smūgiams. DS technologija užtikrina, kad pagaminti stulpiniai kristalai turėtų orientaciją, kuri yra lygiagreti pagrindinei detalės įtempių ašiai, o ne atsitiktinę kristalų orientaciją. Iš esmės DS turi užtikrinti, kad išlydytas metalas liejinyje būtų kietinamas, kai skystas tiekiamas metalas visada yra ką tik sukietėjęs.

Stulpelių kristalų liejimas turi atitikti dvi sąlygas: (1) Vienpusis šilumos srautas užtikrina, kad kieto ir skysčio sąsaja grūdų augimo taške judėtų viena kryptimi; (2) Prieš kieto ir skysčio sąsajos judėjimo kryptį neturi būti branduolių.

Kadangi ašmenų lūžimas dažniausiai įvyksta esant aukštai temperatūrai silpnai grūdų ribos struktūrai, siekiant pašalinti grūdų ribą, kryptinio kietėjimo procese naudojama kietinimo forma su "grūdų selektoriumi". Šios struktūros skerspjūvio dydis yra artimas grūdelių dydžiui, todėl tik vienas optimaliai išaugęs grūdas patenka į liejinio formos ertmę, o tada toliau auga vieno kristalo pavidalu, kol visas ašmenis sudaro tik vienas grūdas.

Kristalų selektorių galima suskirstyti į dvi dalis: pradinį bloką ir spiralę:

DS proceso pradžioje grūdeliai pradeda formuotis pradinio bloko apačioje. Ankstyvoje grūdų augimo stadijoje jų skaičius didelis, dydis mažas, orientacijos skirtumas didelis. Dominuoja konkurencinis augimas tarp grūdų, o šoninės sienelės geometrinis blokavimo efektas yra silpnas. Šiuo metu orientacijos optimizavimo efektas yra akivaizdus; padidėjus grūdų aukščiui startiniame bloke, grūdų skaičius mažėja, dydis didėja, o orientacija artima. Mažėja konkurencinis augimo elgesys tarp grūdelių, dominuoja šoninės sienelės geometrinis blokavimo efektas, užtikrinantis, kad kristalo kryptis gali būti nuolat optimizuojama, tačiau susilpnėja orientacijos optimizavimo efektas. Sumažinus startinio bloko spindulį ir padidinus startinio bloko aukštį, galima efektyviai optimizuoti į spiralinę sekciją patenkančių grūdelių orientaciją. Tačiau padidinus pradinio bloko ilgį, sutrumpės efektyvi liejinio augimo erdvė, o gamybos ciklas ir paruošimo sąnaudos. Todėl būtina pagrįstai suprojektuoti pagrindo geometrinę struktūrą.

Pagrindinė spiralės funkcija yra efektyviai atrinkti pavienius kristalus, o galimybė optimizuoti grūdelių orientaciją yra silpna. Kai DS procesas vykdomas spirale, lenktas kanalas suteikia erdvės dendrito šakų augimui, o antriniai grūdelių dendritai juda likvidumo linijos kryptimi. Grūdai turi stiprią šoninio vystymosi tendenciją, o grūdų orientacija yra svyruojančios būsenos, su silpnu optimizavimo efektu. Todėl grūdų pasirinkimas spiralėje daugiausia priklauso nuo grūdų geometrinio apribojimo pranašumo, konkurencinio augimo pranašumo ir erdvinio plėtimosi pranašumo spiralės segmente [7], o ne nuo pageidaujamos grūdų orientacijos augimo pranašumo, turi stiprų atsitiktinumą [6]. Todėl pagrindinė kristalų atrankos nesėkmės priežastis yra ta, kad spiralė neatlieka monokristalų atrankos vaidmens. Padidinus išorinį spiralės skersmenį, sumažinus žingsnį, spiralės paviršiaus skersmenį ir sumažinus pradinį kampą, kristalų atrankos efektas gali būti žymiai pagerintas.

Tuščiavidurių vienakristalinių turbinų menčių paruošimas reikalauja daugiau nei tuzino etapų (pagrindinio lydinio lydymas, monokristalinės membranos apvalkalo paruošimas, kompleksinės konfigūracijos keraminės šerdies paruošimas, lydalo liejimas, kryptinis kietėjimas, terminis apdorojimas, paviršiaus apdorojimas, šiluminės barjerinės dangos paruošimas ir kt. ). Sudėtingas procesas yra linkęs į įvairius defektus, tokius kaip paklydę grūdeliai, strazdanos, mažo kampo grūdelių ribos, dryžių kristalai, orientacijos nukrypimai, perkristalizacija, didelių kampų grūdelių ribos ir kristalų atrankos gedimas.