Bilah turbin kristal tunggal: suatu terobosan teknologi yang menembus had temperatur tinggi

pembangunan enjin turbin gas penerbangan

Apabila keperluan prestasi bagi pesawat terbang untuk pengangkutan, tentera, pengeluaran dan tujuan lain meningkat, enjin piston awal tidak lagi dapat memenuhi keperluan penerbangan pada kelajuan tinggi. Oleh itu, sejak 1950-an, enjin turbin gas secara beransur-ansur menjadi arus mainstream.

Pada tahun 1928, Sir Frank Whittle dari United Kingdom menyatakan dalam tesis kelulusannya "Kembangan Masa Depan dalam Reka Bentuk Pesawat" semasa belajar di akademi tentera bahawa dengan pengetahuan teknikal pada masa itu, perkembangan masa depan enjin baling-baling tidak dapat memenuhi keperluan bagi ketinggian tinggi atau kelajuan penerbangan melebihi 800km/jam. Dia menjadi yang pertama mencadangkan konsep yang sekarang dikenali sebagai enjin jet (motor engine): udara terkompresi disalurkan kepada bilik pembakaran (combustion) melalui piston tradisional, dan gas berpanas yang dihasilkan digunakan secara langsung untuk mendorong penerbangan, yang boleh dianggap sebagai gabungan enjin baling-baling dengan reka bentuk bilik pembakaran. Dalam penyelidikan seterusnya, dia menolak idea menggunakan piston yang berat dan tidak cekap, dan mencadangkan penggunaan turbin (turbine) untuk memberikan udara terkompresi kepada bilik pembakaran, dan kuasa turbin diperoleh daripada gas buangan bertemperature tinggi. Pada tahun 1930, Whittle memohon paten, dan pada tahun 1937, dia mengembangkan enjin turbojet sentrifugal pertama di dunia, yang secara rasmi digunakan dalam kapal terbang Gloster E.28/39 pada tahun 1941. Sejak itu, enjin turbin gas telah mendominasi kuasa penerbangan dan merupakan simbol penting tahap perindustrian sains dan teknologi serta kekuatan nasional komprehensif suatu negara.

Enjin kapal terbang boleh dibahagikan kepada empat jenis asas mengikut penggunaannya dan ciri-ciri struktur: enjin turbojet, enjin turbofan, enjin turboshaft, dan enjin turboprop.

Enjin gas penerbangan dikenali sebagai enjin turbojet, yang merupakan enjin gas turbin pertama yang digunakan. Dari segi cara daya dorong dihasilkan, enjin turbojet adalah enjin yang paling mudah dan langsung. Penjelasan ini bergantung pada daya tindak balas yang dihasilkan oleh penyemakan laju tinggi vorteks. Walau bagaimanapun, aliran udara laju membawa keluar banyak haba dan tenaga kinetik pada masa yang sama, menyebabkan kerugian tenaga yang besar.

Enjin turbofan membahagikan aliran udara yang masuk ke dalam enjin kepada dua laluan: duct dalaman dan duct luaran, yang meningkatkan jumlah aliran udara keseluruhan dan mengurangkan suhu serta laju aliran udara saluran dalaman.

Enjin turbin dan enjin turboprop tidak menghasilkan dorongan melalui penyuntikan aliran udara, jadi suhu dan kelajuan buangan telah dikurangkan secara ketara, kecekapan terma adalah relatif tinggi, dan kadar penggunaan bahan api enjin adalah rendah, yang sesuai untuk pesawat jarak jauh. Kelajuan kipas umumnya tidak berubah, dan dorongan yang berbeza diperolehi dengan menyelaraskan sudut bilah.

Enjin propfan adalah sebuah enjin di antara enjin turboprop dan enjin turbofan. Ia boleh dibahagikan kepada enjin propfan dengan kes rumah kipas dan enjin propfan tanpa kes rumah kipas. Enjin propfan adalah enjin hemat-tenaga baru yang paling bersaing yang sesuai untuk penerbangan subsonik.

Enjin penerbangan awam telah melalui lebih separuh abad pembangunan. Struktur enjin telah berevolusi dari enjin turbin sentrifugal awal kepada enjin aliran aksial tunggal, dari enjin turbojet dua rotor kepada enjin turbofan dengan nisbah by-pass rendah, dan kemudian kepada enjin turbofan dengan nisbah by-pass tinggi. Struktur tersebut terus dioptimalkan dalam usaha mencapai kecekapan dan kebolehpercayaan. Suhu masukan turbin hanya 1200-1300K pada jenerasi pertama enjin turbojet pada 1940-an dan 1950-an. Ia meningkat sekitar 200K dengan setiap penyempurnaan pesawat. Pada 1980-an, suhu masukan turbin bagi jet tempur canggih generasi keempat mencapai 1800-2000K[1].

Prinsip pemampat udara sentrifugal adalah bahawa pusingan memandu gas untuk berputar pada kelajuan tinggi, supaya gas menghasilkan daya sentrifugal. Disebabkan aliran tekanan kembangan gas dalam pusingan, kadar aliran dan tekanan gas selepas melalui pusingan meningkat, dan udara terkompresi dihasilkan secara berterusan. Ia mempunyai dimensi aksial yang pendek dan nisbah tekanan peringkat tunggal yang tinggi. Pemampat udara aliran aksial adalah pemampat di mana aliran udara secara asas mengalir selari dengan paksi pusingan yang berputar. Pemampat aliran aksial terdiri daripada pelbagai peringkat, setiap peringkat mengandungi barisan daun rotor dan barisan seterusnya daun stator. Rotor adalah daun kerja dan roda, dan stator adalah panduan. Udara pertama kali dipercepat oleh daun rotor, diperlambat dan dikompresikan dalam saluran daun stator, dan diulangi dalam daun pelbagai peringkat sehingga nisbah tekanan keseluruhan mencapai tahap yang diperlukan. Pemampat aliran aksial mempunyai diameter kecil, yang sesuai untuk penggunaan tanden pelbagai peringkat untuk mendapatkan nisbah tekanan yang lebih tinggi.   

Enjin turbofan biasanya menggunakan nisbah bypass, nisbah tekanan enjin, suhu masuk turbin, dan nisbah tekanan kipas sebagai parameter reka bentuk:

Nisbah bypass (BPR): Nisbah jisim gas yang mengalir melalui saluran keluaran kepada jisim gas yang mengalir melalui saluran dalaman dalam enjin. Rotor di hadapan enjin turbojet biasanya dipanggil pengompres tekanan rendah, dan rotor di hadapan enjin turbofan biasanya dipanggil kipas. Gas bertekanan yang melalui pengompres tekanan rendah melalui semua bahagian enjin turbojet; gas yang melalui kipas dibahagikan kepada saluran dalam dan luar. Sejak munculnya enjin turbofan, BPR telah meningkat, dan trend ini sangat jelas dalam enjin turbofan awam.

Nisbah tekanan enjin (EPR): Nisbah tekanan jumlah di keluaran nozzle kepada tekanan jumlah di inlet pengompres.

Suhu masukan turbin: Suhu haba bilik pembakaran apabila ia memasuki turbin.

Nisbah pemampatan kipas: Juga dikenali sebagai nisbah pemampatan, nisbah tekanan gas pada keluaran pemampat kepada tekanan gas pada masukan.

Dua kecekapan:

Kecekapan terma: Ukuran kecekapan enjin dalam menukarkan tenaga haba yang dihasilkan oleh pembakaran kepada tenaga mekanikal.

Kecekapan propulsi: Ukuran kadar tenaga mekanikal yang dihasilkan oleh enjin yang digunakan untuk mendorong kapal terbang.

pembangunan palang turbin 2

Pembangunan berterusan

Mengambil enjin turbofan sebagai contoh, nilai bilah-bilahnya menyumbang sehingga 35%, dan mereka merupakan komponen kritikal dalam pembuatan enjin kapal terbang. Dalam sebuah enjin, terdapat 3,000 hingga 4,000 bilah penerbangan, yang boleh dikategorikan kepada tiga jenis: bilah kipas, bilah pengompres, dan bilah turbin. Nilai bilah turbin adalah yang tertinggi, mencapai 63%. Pada masa yang sama, mereka juga merupakan bilah dengan kesukaran pengeluaran tertinggi dan kos pengeluaran tertinggi dalam enjin turbofan [2].

Pada tahun 1970-an, Amerika Syarikat menjadi yang pertama menggunakan bilah pepejal arah PWA1422 dalam enjin kapal terbang tentera dan awam.

Selepas 1980-an, nisbah dorongan-ke-bobot enjin ketiga meningkat kepada lebih daripada 8, dan bilah turbin mula menggunakan SX generasi pertama, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 dan China DD3. Keupayaan penahan suhu mereka adalah 80K lebih tinggi berbanding dengan kumpulan suhu tinggi pengekalan arah terbaik PWA1422. Kelebihan. Dikombinasikan dengan teknologi penyejukan filem saluran tunggal kosong, suhu operasi bilah turbin mencapai 1600-1750K.

Enjin turbofan generasi keempat menggunakan SX generasi kedua PWA1484, RenéN5, CMSX-4, dan DD6. Dengan menambahkan elemen Re dan teknologi penyejukan udara bertekanan tinggi multichannel, suhu operasi bilah turbin mencapai 1800K-2000K. Pada 2000K dan 100 jam, kekuatan tahanan mencapai 140MPa.

SX generasi ketiga yang dikembangkan setelah tahun 1990 termasuk RenéN6, CMRX-10, dan DD9, yang mempunyai kelebihan kekuatan kriep yang sangat jelas berbanding SX generasi kedua. Dengan perlindungan saluran penyejuk kompleks dan pelapis penghalang terma, suhu masukan turbin yang boleh ditahan mencapai 3000K. Kumpulan logam intermetalik yang digunakan dalam bilah mencapai 2200K, dan kekuatan tahanan 100 jam mencapai 100MPa.

Sekarang sedang dikembangkan adalah SX generasi keempat yang diwakili oleh MC-NG[4], TMS-138, dan sebagainya, serta SX generasi kelima yang diwakili oleh TMS-162 dan sebagainya. Komposisinya ditandai dengan penambahan unsur langka bumi baru seperti Ru dan Pt, yang secara signifikan meningkatkan prestasi kriep suhu tinggi bagi SX. Suhu operasi logam suhu tinggi generasi kelima telah mencapai 1150°C, yang hampir mendekati had teori suhu operasi maksimum 1226°C.

3 Pembangunan logam super kristal tunggal berbasa nikel

3.1 Ciri-ciri komposisi dan komposisi fasa loji kristal tunggal berbasa nikel

Berdasarkan jenis elemen matriks, loji suhu tinggi boleh dibahagikan kepada besi-basa, nikel-basa, dan kobalt-basa, dan lagi dikategorikan kepada struktur makro pengekalan, penempaan, dan metalurgi serbuk. Loji berasaskan nikel mempunyai prestasi suhu tinggi yang lebih baik berbanding dua jenis loji suhu tinggi lainnya dan boleh beroperasi untuk tempoh panjang dalam persekitaran suhu tinggi yang keras.

Alloy suhu tinggi berbasa nikel mengandungi sekurang-kurangnya 50% Ni. Struktur FCC mereka membuatnya sangat sesuai dengan beberapa elemen penyusun. Bilangan elemen penyusun yang ditambahkan semasa proses reka bentuk kerap melebihi 10. Kepantasan elemen penyusun yang ditambahkan diklasifikasikan seperti berikut: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo, dan W adalah elemen kelas pertama, yang berkhidmat sebagai elemen penstabil austenit; (2) Al, Ti, Ta, dan Nb mempunyai jejari atom yang lebih besar, yang memupuk pembentukan fasa penguat seperti gugusan Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), dan merupakan elemen kelas kedua; (3) B, C, dan Zr adalah elemen kelas ketiga. Saiz atom mereka jauh lebih kecil daripada atom Ni, dan mereka mudah terpisah di sempadan bijih fasa γ, memainkan peranan dalam penguatan sempadan bijih [14].

Fasa-fasa alloy suhu tinggi kristal tunggal berbasa nikel terutamanya adalah: fasa γ, fasa γ', fasa karbida, dan fasa rapat topologi (TCP phase).

fasa γ: Fasa γ adalah fasa austenit dengan struktur kristal FCC, yang merupakan penyelesaian pepejal yang terbentuk oleh elemen seperti Cr, Mo, Co, W, dan Re yang larut dalam nikel.

fasa γ': Fasa γ' adalah senyawa interlogam Ni3(Al, Ti) FCC, yang terbentuk sebagai fasa pengendapan dan mengekalkan keupayaan tertentu serta ketidakselarian dengan fasa matriks, dan kaya dengan unsur Al, Ti, Ta dan lain-lain.

Fasa karbida: Bermula dari jenerasi keduaSX berdasarkan nikel, jumlah kecil C ditambahkan, menyebabkan keluarnya karbida. Jumlah kecil karbida tersebar dalam matriks, yang meningkatkan prestasi suhu tinggi alat kelikatan sehingga tahap tertentu. Ia biasanya dibahagikan kepada tiga jenis: MC, M23C6, dan M6C.

Fasa TCP: Dalam kes penuaan perkhidmatan, elemen-elemen tahan api berlebih seperti Cr, Mo, W, dan Re memupuk pecahannya fasa TCP. Fasa TCP biasanya terbentuk dalam bentuk pelatah. Struktur pelatah ini memberi impak negatif kepada sifat-sifat lentingan, kriep, dan keletihan. Fasa TCP adalah salah satu sumber ralat kriep.

Mekanisme Penguatan

Kekuatan alloi super berpangkalan nikel berasal daripada penggabungan beberapa mekanisme penguatan, termasuk penguatan larutan pepejal, penguatan pencenyalan, dan rawatan haba untuk meningkatkan ketumpatan dislokasi dan mengembangkan substruktur dislokasi untuk memberikan penguatan.

Penguatan larutan pepejal adalah dengan menambahkan unsur-unsur yang terlarut berbeza untuk meningkatkan kekuatan asas, termasuk Cr, W, Co, Mo, Re, dan Ru.

Jejari atom yang berbeza menyebabkan tahap tertentu penyimpangan grid atom, yang menghalang pergerakan dislokasi. Penguatan larutan pepejal meningkat dengan peningkatan beza saiz atom.

Penguatan penyelesaian pepejal juga mempunyai kesan mengurangkan tenaga kesalahan tumpukan (SFE), terutamanya menghalang pergerakan lintasan dislokasi, yang merupakan mod deformasi utama kristal bukan ideal pada suhu tinggi.

Kluster atom atau mikrostruktur susunan jarak pendek adalah mekanisme lain yang membantu mendapatkan penguatan melalui penyelesaian pepejal. Atom Re dalam SX bersegregasi di kawasan tegangan tarik inti dislokasi pada antarafasa γ/γ’, membentuk "atmosfer Cottrell", yang secara efektif menghalang pergerakan dislokasi dan penyebaran retak. (Atom penyelesaian berkumpul di kawasan tegangan tarik dislokasi tepi, mengurangkan penyimpangan grid, membentuk struktur gas Coriolis, dan menghasilkan kesan penguatan penyelesaian pepejal yang kuat. Kesan ini meningkat dengan peningkatan kepekatan atom penyelesaian dan peningkatan perbezaan saiz)

Re, W, Mo, Ru, Cr, dan Co memperkuat fasa γ dengan efektif. Penguatan larutan pepejal matriks γ memainkan peranan yang sangat penting dalam kekuatan merayap alloi suhu tinggi berbasis nikel.

Kesan penguatan pencenunan dipengaruhi oleh pecahan isipadu dan saiz fasa γ'. Tujuan untuk mengoptimumkan komposisi alloi suhu tinggi adalah terutamanya untuk meningkatkan pecahan isipadu fasa γ' dan memperbaiki sifat mekanik. Alloi suhu tinggi SX boleh mengandungi 65%-75% fasa γ', yang memberikan kekuatan merayap yang baik. Ini mewakili nilai maksimum berguna bagi kesan penguatan antara muka γ/γ', dan peningkatan lebih lanjut akan menyebabkan penurunan ketara dalam kekuatan. Kekuatan merayap alloi suhu tinggi dengan pecahan isipadu fasa γ' yang tinggi dipengaruhi oleh saiz zarah fasa γ'. Apabila saiz fasa γ' kecil, dislokasi cenderung mendaki di sekelilingnya, yang menyebabkan penurunan kekuatan merayap. Apabila dislokasi dipaksa untuk memotong fasa γ', kekuatan merayap mencapai maksimumnya. Sebagai saiz zarah fasa γ' bertambah, dislokasi cenderung membengkok di antaranya, yang menyebabkan penurunan kekuatan merayap [14].

Terdapat tiga mekanisme penguatan penurunan utama:

Penguatan ketidakselarian grid: Fasa γ’ tersebar dan terendapkan dalam matriks fasa γ secara koheren. Keduanya adalah struktur FCC. Ketidakselarian grid mencerminkan kestabilan dan keadaan tegangan pada antarmuka koheren di antara dua fasa. Kes yang terbaik adalah apabila matriks dan fasa terendapkan mempunyai struktur kristal yang sama dan parameter grid geometri yang sama, supaya lebih banyak fasa terendapkan boleh diisi dalam fasa γ. Julat ketidakselarian bagi kelasi berdasarkan nikel adalah 0~±1%. Re dan Ru jelas tersegmentasikan dengan fasa γ. Peningkatan Re dan Ru meningkatkan ketidakselarian grid.

Penguatan susunan: Pemotongan dislokasi akan menyebabkan ketidakteraturan di antara matriks dan fasa terendapkan, memerlukan lebih banyak tenaga

Mekanisme bypass dislokasi: dipanggil Mekanisme Orowan (Orowan bowing), ia merupakan satu mekanisme penguatan di mana fasa terendap dalam matriks logam menghalang dislokasi yang sedang bergerak untuk terus bergerak. Prinsip asas: Apabila dislokasi yang bergerak bertemu dengan zarah, ia tidak dapat melaluinya, menyebabkan kelakuan bypass, pertumbuhan garisan dislokasi, dan daya memacu yang diperlukan meningkat, yang menghasilkan kesan penguatan.

3.3 Pembangunan kaedah pengekalan kicap suhu tinggi

Alloy paling awal yang digunakan dalam situasi suhu tinggi boleh dilacak balik kepada penemuan Nichrome pada tahun 1906. Kegemilan pemampat turbo dan enjin turbin gas merangsang perkembangan substantial alloy suhu tinggi. Baling-baling generasi pertama enjin turbin gas dihasilkan melalui ekstrusi dan penjejasan, yang jelasnya mempunyai keterbatasan zaman itu. Pada masa kini, baling-baling alloy suhu tinggi kebanyakannya dibuat melalui pengekalan pelabuhan, secara spesifik pepejal arah (DS). Kaedah DS pertama kali ditemui oleh pasukan Versnyder dari Pratt & Whitney di Amerika Syarikat pada tahun 1970-an [3]. Dalam dekad-dekad pembangunan, bahan terpilih untuk baling-baling turbin telah berubah dari kristal ekuiaxial kepada kristal tiub, dan kemudian dioptimumkan kepada bahan alloy suhu tinggi kristal tunggal.

Teknologi DS digunakan untuk menghasilkan komponen SX alloy inti kolom, yang secara signifikan meningkatkan kekenyalan dan ketahanan terhadap goncangan termal bagi logam suhu tinggi. Teknologi DS memastikan bahawa kristal kolom yang dihasilkan mempunyai orientasi [001], yang selari dengan paksi tegangan utama cebisan, bukannya orientasi kristal rawak. Secara prinsip, DS perlu memastikan bahawa pengerasan logam cecair dalam pengecoran dilakukan dengan logam cecair sentiasa berada dalam keadaan baru dikeraskan.

Pengecoran kristal kolom perlu memenuhi dua syarat: (1) Aliran haba satu arah memastikan bahawa antara muka pepejal-cecair pada titik pertumbuhan bijih bergerak dalam satu arah; (2) Tidak boleh ada pengecoran di hadapan arah gerakan antara muka pepejal-cecair.

Kerana patahan pada bilah biasanya berlaku pada struktur lemah suhu tinggi di sempadan bijih, untuk mengeluarkan sempadan bijih, sebuah cetakan pepejal dengan struktur "pemilih bijih" digunakan semasa proses pepejal arah. Saiz keratan rentas struktur ini hampir sama dengan saiz bijih, supaya hanya satu bijih yang tumbuh secara optimum memasuki rongga cetakan peleburan, dan kemudian terus bertumbuh dalam bentuk kristal tunggal sehingga seluruh bilah terdiri daripada hanya satu bijih.

Pemilih kristal boleh dibahagikan kepada dua bahagian: blok permulaan dan spiral:

Pada permulaan proses DS, bijih-bijih bermula membentuk inti di bahagian bawah blok permulaan. Pada peringkat awal pertumbuhan bijih, bilangan bijih adalah besar, saiznya kecil, dan beza orientasi adalah besar. Perilaku pertumbuhan bersaing antara bijih-bijih mendominasi, manakala kesan pemblokiran geometri dinding sisi lemah. Pada masa ini, kesan pengoptimuman orientasi adalah jelas; apabila ketinggian bijih dalam blok permulaan meningkat, bilangan bijih berkurang, saiznya bertambah, dan orientasinya hampir sama. Perilaku pertumbuhan bersaing antara bijih-bijih berkurang, manakala kesan pemblokiran geometri dinding sisi mendominasi, memastikan bahawa arah kristal boleh terus dioptimumkan, tetapi kesan pengoptimuman orientasi melemah. Dengan mengurangkan jejari blok permulaan dan meningkatkan ketinggian blok permulaan, orientasi bijih yang memasuki bahagian spiral boleh dioptimumkan dengan berkesan. Walau bagaimanapun, meningkatkan panjang blok permulaan akan memendekkan ruang pertumbuhan efektif pengecasan, memberikan kosikel persediaan dan kitaran pengeluaran. Oleh itu, perlu merancang secara rasional struktur geometri substrat.

Fungsi utama spiral adalah untuk secara efisien memilih kristal tunggal, dan keupayaan untuk mengoptimumkan orientasi butiran adalah lemah. Apabila proses DS dilakukan dalam spiral, saluran lengkung menyediakan ruang untuk pertumbuhan cabang dendritik, dan dendrit sekunder butiran bergerak ke arah garis likuidus. Butiran-butiran itu mempunyai trend perkembangan kuat secara lateral, dan orientasi butiran berada dalam keadaan naik turun, dengan kesan pengoptimuman yang lemah. Oleh itu, pemilihan butiran dalam spiral terutamanya bergantung kepada kelebihan pembatasan geometri, kelebihan pertumbuhan bersaing, dan kelebihan kembangan ruang bagi butiran dalam segmen spiral [7], bukan kelebihan pertumbuhan orientasi tersuka butiran, yang mempunyai keacakan yang kuat [6]. Oleh itu, sebab utama kegagalan pemilihan kristal adalah kerana spiral tidak memainkan peranan pemilihan kristal tunggal. Dengan meningkatkan diameter luar spiral, mengurangkan pitch, diameter permukaan spiral, dan mengurangkan sudut permulaan, kesan pemilihan kristal boleh ditingkatkan secara ketara.

Persiapan bilah turbin kristal tunggal berlubang memerlukan lebih dari satu lusin langkah (pengelempakan aloi induk, penyediaan cangkang membran kristal tunggal, penyediaan inti keramik konfigurasi kompleks, pengecoran larutan, pengerasan arah, rawatan haba, rawatan permukaan, penyediaan kelap pembatas panas, dll.). Proses yang kompleks ini rentan kepada pelbagai kecacatan, seperti butiran liar, bintik-bintik, sempadan butiran sudut kecil, kristal jalur, sisihan arah, penyeimbangan semula, sempadan butiran sudut besar, dan kegagalan pemilihan kristal.