ViensKristāla gāzes turbīnas loksnes: tehnoloģisks pārtraukums, kas pārspēj augsttemperatūras ierobežojumus

1 Aviācijas gāzu turbine motoru attīstība

Kopš palielinājās lidmašīnu izmantošanas prasības transports, karogs, ražošana un citi mērķi, agrākie pistona motory vairs nevarēja atbilst augstas ātruma lidotajiem lidoņiem. Tāpēc jau no 50. gadiem gāzu turbine motori pakāpeniski kļuvuši par galveno.

1928. gadā Lielbritānijas sir Frank Whittle savā absolventa darbā „Nākotnes attīstība lidmašīnu konstruēšanā”, ko rakstīja militārās akadēmijas studiju laikā, norādīja, ka ar tehnikas zināšanām, kuras bija pieejamas tad, propelleru motoru nākotnes attīstība nevarētu atbilst augstākiem lidošanas prasībām vai pārsniegt 800 km/h ātrumu. Viņš pirmo reizi iepazīstināja ar ideju, kas tagad pazīstama kā reakcijas motors (motor engine): kompresori gaisa tiek nodrošināts degļu komorai (degšana) caur tradicionālo pistoni, un augsttemperatūras gāze, kas rodas, tiek izmantota lidošanas impulsam, kas var tikt uzskatīts par propelleru motoru plus degļu komoras dizainu. Nākamajos pētījumos viņš atmeta ideju par smago un neefektīvu pistoni, piedāvājot izmantot turbīnu (turbīna), lai nodrošinātu kompresoru gaisu degļu komorai, un turbīnas spēku saņem no augsttemperatūras izplūdes gāzēm. 1930. gadā Whittle iesniedza patentu, un 1937. gadā viņš izstrādāja pasaulē pirmo centrifugālo turbo reakcijas motoru, kas oficiāli tika iekļauts Gloster E.28/39 lidmašīnā 1941. gadā. No tā brīža gāzes turbīnas motory ir dominējuši aviācijas jomā un ir svarīgs simbols valsts zinātniskā un tehnoloģisko industrijas līmeņa un kopējās spējas.

Lidmašīnas motory var sadalīt četrās pamata tipos, ņemot vērā to izmantošanu un struktūras raksturlielumus: turbodžeks motori, turbofan motori, turbošafts motori un turbopropeller motori:

Aviācijas gāzes turbomotori sauc par turbodžeks motoriem, kas ir visvecākie gāzes turbomotori, kuros tiek izmantoti. No spēles ražošanas veida punkta skatījuma turbodžeks motori ir vienkāršākie un tiešākie motori. Apkaunojums balstās uz reakcijspēku, ko radījusi augstas ātruma vortikālā ievilkšana. Tomēr augstā ātrumā plūstošais gaismaņš vienlaicīgi nozied ar lielu daudzumu siltuma un kīnētiskās enerģijas, radot lielu enerģijas zaudējumus.

Turbofan motors sadala gaisu, kas plūst motorā, divās ceļos: iekšējā un ārējā dūkā, kas palielina kopējo gaisa plūsmu un samazina iekšējā dūkas gaisa izplūšanas temperatūru un ātrumu.

Turbošafts un turboeļļas dzinēji nesagatavo trīciena, ievietojot gaisa plūsmu, tāpēc izplūsmas temperatūra un ātrums ir bijis lielā mērā samazināts, termiskā efektivitāte ir salīdzināti augsta, un dzinēja degvielas patēriņa norma ir zema, kas piemērojams garceļu lidmašīnām. Eļļas ātrums parasti nemainās, un dažādas spējas tiek iegūtas, pielāgojot loksnes leņķi.

Propfana dzinējs ir dzinējs starp turboeļļas un turbofan dzinējiem. To var sadalīt uz propfana dzinējus ar eļļas korpusiem un propfana dzinējus bez eļļas korpusiem. Propfana dzinējs ir visvieglākais enerģijas taupības dzinējs, kas piemērots zemes skaņas lidojumam.

Civilās aviācijas dzinēji ir izstrādāti vairāk nekā pusejūdzīgu laikā. Dzinēja struktūra ir attīstījusies no agrīnajiem centrifužu turbīnu dzinējiem līdz vienrotoru assvidējošajiem dzinējiem, no divrotoru turbojet dzinējiem līdz zema pārplūda koeficienta turbofan dzinējiem un beidzot līdz augsta pārplūda koeficienta turbofan dzinējiem. Struktūra tiek nepārtraukti optimizēta, meklējot efektivitāti un uzticamību. Pirmās turbojet dzinēju paaudzes turbinas ieejas temperatūra 40. un 50. gados bija tikai 1200-1300K. Ar katru lidaparata modernizāciju tā pieauga par apmēram 200K. Līdz 80. gadiem ceturtās paaudzes uzlabotajiem cīņas lidaparatiem turbinas ieejas temperatūra sasniedza 1800-2000K[1].

Centrifuģašanas gaisa kompresora princips ir tāds, ka impelers ātrinājot gāzi līdz augstai ātrumam, radīt gāzei centrifuģašanas spēku. Gāzes plūsmas spiediens impelera ietvaros tiek paplašināts, kas palielina gāzes plūsmas ātrumu un spiedienu pēc tam, kad tā ir pārgājusi caur impeleru, un tiek nepārtraukti ražots kompresēts gaisa. Tas ir ar īsu ass dimensiju un augstu vienpakāpju spiediena attiecību. Ass plūsmas gaisa kompresors ir tāds kompresors, kurā gaisa plūsma galvenokārt plūst paralēli rotējošā impelera asi. Ass plūsmas kompresors sastāv no vairākiem posmiem, katrs posms satur rindu rotoru zaru un sekos esošu statoru zaru rindu. Rotors ir darbojošās zars un rota, bet stators ir vadītājs. Gaisa vispirms tiek paātrināta rotorzaru palīdzībā, tad atkāpējās un kompresētas statorzaru kanālā, un tas tiek atkārtots daudzposmju zaru vidū, kamēr kopējais spiediena attiecība sasniedz nepieciešamo līmeni. Ass plūsmas kompresoram ir maza diametra, kas ļauj viegli izmantot to vairāku posmu saistīšanai, lai iegūtu augstāku spiediena attiecību.   

Turbovijoli motori parasti izmanto pārslējuma attiecību, motora spiediena attiecību, turbinas ieejas temperatūru un ventilatora spiediena attiecību kā dizaina parametrus:

Pārslējuma attiecība (BPR): Gāzes masas attiecība, kas plūst caur ārējo kanālu, pret gāzes masu, kas plūst caur iekšējo kanālu motorā. Rotor turbovijoli motoram priekšā parasti sauc par zemspiediena kompresoru, savukārt rotor turboventilatora motoram priekšā parasti sauc par ventilatoru. Spiediena palielinātā gāze, kas cauri zemspiediena kompresoram, caurplūst visas turbovijoli motoras daļas; gāze, kas caurplūst ventilatoram, tiek sadalīta starp iekšējo un ārējo kanālu. Kopš turboventilatora motoru ieviešanas, BPR ir pieaugusi, un šis trends ir īpaši redzams civilturboventilatora motoros.

Motora spiediena attiecība (EPR): Kopējā spiediena attiecība starp trauku izvades punktu un kompresora ieejas punktu.

Turbinas ieejas temperatūra: Temperatūra, ar kuru degvietas gaisu ietek apkalpojumā.

Ventilatora kompresijas koeficients: Arī pazīstams kā kompresijas koeficients, tas ir attiecība starp gaisa spiedienu kompresora izvadā un gaisa spiedienu ievadā.

Divas efektivitātes:

Termodinamiskā efektivitāte: Mērs, cik efektīvi dzinējs pārvērš ugunsgrīdas siltuma energiju par mehānisko enerģiju.

Pārvades efektivitāte: Mērs, cik daudz no dzinēja radītās mehāniskās enerģijas tiek izmantota, lai pārvietotu lidmašīnu.

2 Turbinas loksnes attīstība

Iteratīvā attīstība

Piemēram, uzņemot turbofans motoru, lopu vērtība sasniedz līdz 35%, un tās ir kritiskais komponents lidmašīnu motora ražošanā. Motorā ir no 3000 līdz 4000 aviācijas lopām, kas var tikt sadalītas trīs kategorijās: ventilatora lopas, kompresora lopas un turbīnas lopas. Turbīnas lopu vērtība ir augstākā, sasniedzot 63%. Tāpat tie ir arī grūtākās ražojamās un dārgākās lopas turbofans motoros [2].

1970. gados ASV bija pirmie, kas izmantoja PWA1422 virzienā solidificētas lopas militārajā un civillidmašīnu motoros.

Pēc 1980. gadiem, trešās paaudzes motoru spēka svara attiecība pieauga līdz vairāk nekā 8, un turbinas loksnes sāka izmantot pirmo paaudzi SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 un Ķīnas DD3. To temperatūras uzglabāšanas spēja ir par 80K augstāka nekā vislabākajai virziena solidifikācijas kasta augsttemperatūras aliejam PWA1422. Priekšrocības. Savienojumā ar filmas dzesēšanas vienkanāla tukšo tehnoloģiju, turbinas loksņu darbības temperatūra sasniedz 1600-1750K.

Ceturtais turbodženerators izmanto otro paaudzi SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 un DD6. Pievienojot Re elementus un daudzkanālas augstspieduma gaisa dzesēšanas tehnoloģiju, turbinas loksņu darbības temperatūra sasniedz 1800K-2000K. Pie 2000K un 100h ilgstošā spēja sasniedz 140MPa.

Trešā paaudze SX, kas izstrādāta pēc 1990. gadiem, ietver RenéN6, CMRX-10 un DD9, kuriem ir skaidri parādījušies lieliski īpašumi attiecībā uz krēpēšanas stiprumu salīdzinājumā ar otrajām paaudzēm SX. Kopā ar sarežģītiem dzesēšanas kanāliem un siltuma barjeru segām tā spēj izturēt turbinas ieejas temperatūru līdz 3000K. Lietojamais starpmetaļu savienojums lopspriegu elementiem sasniedz 2200K, un 100 stundu ilgstošais spēks sasniedz 100MPa.

Pašlaik tiek izstrādātas ceturtās paaudzes SX, ko pārstāv MC-NG[4], TMS-138 utt., un piektās paaudzes SX, ko pārstāv TMS-162 utt. To sastāva raksturs pazīstams ar jaunu retmetālu, piemēram, Ru un Pt pievienošanu, kas nozīmīgi uzlabo SX augsttemperatūras krēpēšanas īpašības. Piektās paaudzes augsttemperatūras alieņa darbības temperatūra jau ir sasniedzusi 1150°C, kas tuvojas teorētiski iespējamajai maksimālajai darbības temperatūrai 1226°C.

3 Nīkela bāzes vienkrājumu superalieņu izstrāde

3.1 Sastāva īpašības un fāzes sastāvs nikla bāzētajos vienkrājumu superalieglos

Atbilstot matricas elementu veidam, augsttemperatūras aliegni var sadalīt uz dzelzs bāzētajiem, nikla bāzētajiem un kobalta bāzētajiem, kā arī tālāk sadalīt uz lietotnēm, formēšanu un pulvermetaloģijas makrostruktūrām. Nikla bāzētie aliegni ir labāki par pārējiem diviem augsttemperatūras aliegnu veidiem un spēj darboties ilgu laiku grūtos augsttemperatūras apstākļos.

Nikla bāzētie augsttemperatūras alejumi satur vismaz 50% Ni. To FCC struktūra padara tās ļoti saderīgās ar dažiem alejējošajiem elementiem. Alejējošo elementu skaits, kas tiek pievienots projektēšanas procesā, bieži pārsniedz 10. Pievienoto alejējošo elementu kopīgums tiek klasificēts sekojoši: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo un W ir pirmā klases elementi, kuri izpilda lomu kā aŭstenīta stabilizējoši elementi; (2) Al, Ti, Ta un Nb ir lielāki pēc savas atomu rādiusa, kas veicina stiprinājošo fazu veidošanos, piemēram, sarežģīto Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), un tie ir otrā klases elementi; (3) B, C un Zr ir trešā klases elementi. To atoms izmērs ir daudz mazāks nekā nikla atomam, un tie viegli segregējas uz γ fāzes kristālu robežām, spēlējot nozīmīgu lomu kristālu robežu stiprināšanā [14].

Nikla bāzēto vienkrājumu augsttemperatūras alejumu fazes galvenokārt ir: γ fazes, γ' fazes, karbīdu fazes un topoloģiski cieši pakārtotas fazes (TCP fazes).

fāze γ: fāze γ ir austeņīta fāze ar kristāla struktūru FCC, kas ir tverums, kas izveidots, kad elementi kā Cr, Mo, Co, W un Re disoluējas niklī.

fāze γ': fāze γ' ir Ni3(Al, Ti) starpmetaļu savienojums ar FCC struktūru, kas veidojas kā precipitācijas fāze, uzturējot noteiktu koherenci un neatbilstību ar matricas fāzi, un satur lielu daudzumu Al, Ti, Ta un citiem elementiem.

Karbidu fāze: jau no otrajās paaudzes nikla bāzētajiem SX tiek pievienots mazs daudzums sēnas C, kas izraisa karbidu parādīšanos. Mazais karbidu daudzums ir dispersēts matricā, kas uzlabo aliesa augsttemperatūras īpašības līdz noteiktam līmenim. To parasti sadala trīs tipos: MC, M23C6 un M6C.

TCP fāze: Servissenēšanas gadījumā pārāk daudz refraktoru elementu, piemēram, Cr, Mo, W un Re, veicina TCP fāzes izkristālizēšanos. TCP parasti formas kā plāksne. Plāksnes struktūra negatīvi ietekmē smaguma, krēpa un noguruma īpašības. TCP fāze ir viena no krēpa sadalīšanās spraugu avotiem.

Piedarbības mehānisms

Nikla bāzēto superaliejumu stiprinājums nāk no vairāku piedarbības mehānismu savienojuma, tostarp no tverdes risinājuma piedarbības, izkristālizēšanās piedarbības un termiskā apstrādājuma, lai palielinātu dislokāciju blīvumu un attīstītu dislokāciju apakšstruktūru ar mērķi nodrošināt stiprinājumu.

Tverdes risinājuma piedarbība ir atvasināta no dažādu risināmajiem elementu pievienošanas, ieskaitot Cr, W, Co, Mo, Re un Ru, pamatstiprinājuma uzlabošanas.

Dažādi atomu rādiusi izraisa noteiktu pakāpi atomu režģa deformatību, kas bloķē dislokāciju kustību. Tverdes risinājuma piedarbība pieauga ar atomu izmēru starpību palielināšanos.

Cieto risinājuma stiprināšana arī ietekmē stūrības kļūdu enerģijas (SFE) samazināšanu, galvenokārt inhibējot dislokatiju krustlaužus, kas ir nepatieso kristālu galvenais deformācijas režims augstās temperatūras apstākļos.

Atomas klasteri vai īsas attāluma kārtības mikrostruktūras ir vēl viens mehānisms, kas palīdz iegūt stiprinājumu caur cieto risinājumu. Re atoma SX segregācija notiek traktora spiediena reģionā pie γ/γ’ saskarnes, veidojot "Cottrell atmosfēru", kas efektīvi aptur dislokatiju kustību un sprāgšanas izplatīšanos. (Risināmo atomu koncentrācija koncentrējas traktora spiediena laukumā pie maldislokatiju zonām, samazinot tīkla deformatiju, veidojot Coriolis gāzu struktūru un radot stipru cieto risinājuma stiprinājuma efektu. Efekts palielinās ar risināmo atoma koncentrācijas palielināšanos un ar lieluma starpības pieaugšanu).

Re, W, Mo, Ru, Cr un Co efektīvi stiprina γ fāzi. Tverumiem koncentrētā risinājuma stiprināšana γ matricā spēlē ārkārtīgi nozīmīgu lomu nikla bāzes augsttemperatūras spožo spēku uzlabošanā.

Lietusmateriālu cietināšanas efekts tiek ietekmēts ar γ' fāzes tilpuma daļu un lielumu. Augsttemperatūras spožo sastāva optimizēšanas mērķis galvenokārt ir palielināt γ' fāzes tilpuma daļu un uzlabot mehāniskās īpašības. SX augsttemperatūras spoži var saturēt 65%-75% no γ' fāzes, kas nodrošina labu krievības stiprumu. Tas atspoguļo noderīgo maksimālo vērtību γ/γ' saskarnes cietināšanas efektam, un tālāks pieaugums izraisīs stipruma nozudumu. Augsttemperatūras spožu ar augstu γ’ fāzes tilpuma daļu krievības stiprs ir ietekmēts ar γ’ fāzes daļiņu lielumu. Kad γ’ fāzes lielums ir mazs, dislokācijas tendē apklāties apkārt tai, kas rezultē krievības stipruma samazinājumā. Kad dislokācijas tiek spiestas griezt γ’ fāzi, krievības stiprumam sasniedz savu maksimumu. Ar γ’ fāzes daļiņu pieaugumu dislokācijas tendē līnāties starp tām, kas rezultē krievības stipruma samazinājumā [14].

Ir trīs galvenie stiprināšanas mehānismi ar noslēgumiem:

Režģisma atbilstības stiprināšana: γ’ fāze tiek izdalīta un noslēgta γ fāzes matricā kohēzentā veidā. Abas ir FCC struktūras. Režģisma neatbilstība atspoguļo abu fāžu stabilitāti un sprieguma stāvokli starp kohēzentajām virsmām. Labākais gadījums ir, ja matrica un noslēguma fāze ir vienādas kristāla struktūras un režģisma parametri pieder vienai ģeometrijai, lai varētu piepildīt vairāk noslēguma fāzēs γ fāzē. Nickelbāzes augsttematūras aliejumiem neatbilstības diapazons ir 0~±1%. Re un Ru skaidri segregējas ar γ fāzi. Re un Ru pieaugums palielina režģisma neatbilstību.

Kārtības stiprināšana: dislokaču griešana izraisa nestabiltību starp matricu un noslēguma fāzi, kas prasa vairāk enerģijas.

Meklējuma apjošanas mehānisms: sauc par Orovana mehānismu (Orovana līkne), tas ir stiprināšanas mehānisms, kurā metāla matricā atrodamās izpostītā fāze traucē kustībā esošajai mērulainei turpināt kustību. Pamatprincips: Kad kustība esošā mērulaine sastopas ar daļiņu, tai nav iespējas to pāri iet, tā rezultātā rodas apjošanas uzvedība, mērulaines līnijas pieaugums un nepieciešamā vadības spēka palielināšanās, kas rezultē ar stiprināšanas efektu.

3.3 Augsttematūru aliešu lieražas metožu attīstība

Vispirms izmantotā alija augsttemperatūras vides apstākļos var sekot atpakaļ līdz Nichrome 1906. gadā notikusi izgudrošanai. Turbinu kompresoru un gāzu turbīnu motoru ieviešana stimulēja augsttemperatūras aliju lielisko attīstību. Pirmajām gāzu turbīnu motoru ģenerācijām loksnes tika ražotas ar spiešanas un formēšanas metodi, kas skaidri bija laika ierobežojumi. Pašlaik augsttemperatūras alija turbīnas loksnes galvenokārt tiek izgatavotas ar investīciju formēšanu, specifiski ar virzītu solidifikāciju (DS). DS metode tika pirmo reizi izgudrota Amerikas Pratt & Whitney Versnyder komandas 1970. gados [3]. Desmitgades ilgā attīstībā optimizētie materiāli turbīnas loksniem ir mainījušies no vienādi lielām kristālām uz stabiem kristāliem un pēc tam uz vienkristālu augsttemperatūras alijas.

DS tehnoloģija tiek izmantota kolonnāro sirdsnīgo aliešu SX komponentu ražošanai, kas nozīmīgi uzlabo augsttemperatūras aliešu trauksnīgumu un termiskās šoka pretestību. DS tehnoloģija nodrošina, ka radītie kolonārie kristāli ir orientēti pēc [001] ass, kas koincidenti ar galveno daļas spiediena asi, nevis ar nejaušu kristālu orientāciju. Principā DS jānodrošina, lai gultnes metāla solidifikācija notiek tāda veida, ka metalam vienmēr jāpaliek tikai atkal solidificētā stāvoklī.

Kolonāru kristālu gultnei jāatbilst diviem apstākļiem: (1) Vienkārša ūdens plūsmas garantē, ka cieto-vidus virsma pie zarna augšanas punkta kust vienā virzienā; (2) Pirms cieto-vidus virsmas kustības virziena nav jārodas neviens kristālu veidošanās punkts.

Jo līdzenes sadalījums parasti notiek augstas temperatūras vājā struktūrā starp daudzniekiem, lai novērstu daudznieku robežas, virzieniskā solidifikācijas procesā tiek izmantots solidifikācijas formētājs ar "daudznieka selektora" struktūru. Šīs struktūras krustsvītras izmērs ir tuvu daudznieka izmēram, tā, lai formas gabalā ienāktu tikai viens optimāli izaugsts daudznieks, un pēc tam tas turpinātu augt kā vienkrājains kristāls, līdz veselais līdzeklis sastāv no tikai viena daudznieka.

Kristāla selektors var dalīties uz diviem daļām: sākotnējo bloku un spirāli:

Sākotnējā DS procesa posmā daudzveidības sāk veidoties sākuma bloka apakšā. Pirmajā posmā, kad daudzveidības augstājas, to skaits ir liels, izmērs mazs un orientācijas atšķirība liela. Starp daudzveidībām dominē konkurences izaugsmes process, savukārt sienas ģeometriskais bloķējošais efekts ir vājš. Šajā brīdī orientācijas optimizācijas efekts ir skaidrs; kad daudzveidību augstums sākuma blokā pieaug, daudzveidību skaits samazinās, izmērs palielinās un orientācija kļūst tuvāka. Starp daudzveidībām konkurences izaugsme samazinās, un sienas ģeometriskais bloķējošais efekts dominē, nodrošinot, ka kristāla virziens var tikt nepārtraukti optimizēts, tomēr orientācijas optimizācijas efekts samazinās. Samazinot sākuma bloka rādiusu un palielinot sākuma bloka augstumu, var efektīvi optimizēt daudzveidību orientāciju, kas ienāk spirālveida posmā. Tomēr, palielinot sākuma bloka garumu, saasinās gatavo izstrādājumu efektīvais izaugsmes lauks, kas ietekmē ražošanas ciklu un sagatavošanas izmaksas. Tāpēc ir būtiski racionāli dizainēt pamata ģeometrisko struktūru.

Galvenā spirāles funkcija ir efektīvi izvēlēties vienvirsmju kristālus, savukārt spēja optimizēt daļiņu orientāciju ir vāja. Kad DS process notiek spirālē, liektais kanāls nodrošina telpu dendrītu pakaules augšanai, un daļiņu otrās dendrītas attīstās virzienā uz likviditātes līniju. Daļiņas demonstrē spēcīgu horizontālo attīstības tendenci, un daļiņu orientācija atrodas svārstību stāvoklī, ar vāju optimizācijas efektu. Tādējādi, daļiņu izvēle spirālē galvenokārt atkarīga no ģeometriskā ierobežojuma priekšrocībām, konkurences augšanas priekšrocībām un telpas paplašināšanas priekšrocībām spirālas segmentā [7], nevis no daļiņu preferētās orientācijas augšanas priekšrocībām, kas ir ļoti nejauša [6]. Tādējādi, galvenais iemesls, kāpēc neizdodas kristālu izvēle, ir tas, ka spirāle nespēj izpildīt vienvirsmju kristālu izvēles funkciju. Palielinot spirāles ārējo diametru, samazinot soli, spirāles virsmas diametru un samazinot sākotnējo leņķi, var būtiski uzlabot kristālu izvēles efektivitāti.

Tukšo vienmērīgo kristālu gurdiņu izgatavošana prasa vairāk nekā desmit soli (materiāla sasvīdināšana, vienmērīgo kristālu membrānu izveide, sarežģītas konfigurācijas keramisko sirdni sagatavošana, smeltēšanas ieliešana, virzotnes solidifikācija, siltumapstrāde, virsmas apstrāde, termiskā barjera slāja izveide u.c.). Sarežģītā procesa laikā var radīties dažādas defekti, piemēram, pārmērīgi maza izmēra zari, plūduri, maza leņķa zaru robežas, līniju kristāli, orientācijas novirze, atkristālēšanās, liela leņķa zaru robežas un kristālu atlasīšanas neveiksme.