Hoe worden rotorbladen voor de hoge-druk-turbine van vliegtuigmotoren vervaardigd?

Het principe van hoe de rotorbladen van een vliegtuigmotorhoogdrukturbine worden vervaardigd is heel eenvoudig, maar de verschillende parameters in dit proces vereisen veel experimenten om de parameters van elk knooppunt, de samenstelling van bijbehorende materialen en veel geluk te verkrijgen.

Ten eerste hebben de hoogdrukturbinerotorbladen ingewikkelde interne koelingsluchtkanalen nodig (zie onderstaande figuur). Ten eerste worden de interne koelingsluchtkanalen gemaakt (met uitzondering van de koelingsluchtgaten, die later besproken zullen worden). Vervolgens wordt de wasvorm gegoten met een speciale keramiek om de luchtkanalen te vormen.

Na het krijgen van deze keramische luchtwegvorm, voeg hem samen met de buitenste vorm van de schacht en plaats hem in de gietoven. De gesmolten superlegering* stroomt van boven naar beneden in de vorm (inclusief de keramische luchtwegbinnenvorm en de wasbuitenste vorm). Het is erg lastig om oneindig veel lagen coatings tussen elke vorm te maken. Duitse bedrijven gebruiken robots om dit te doen, en het lijkt erop dat Rusland nog steeds gebruikmaakt van tantes borstels. Deze coatings bepalen rechtstreeks de kwaliteit van de gieting, en de tolerantiegraad is extreem laag.

Op dit moment zal de gietmachine de temperatuur van de gesmolten superlegering streng controleren, en vervolgens laat hij deze op een horizontaal vlak solidificeren (dat wil zeggen, de groei van de kristal), van onder naar boven, wanneer de kristallen spiraalvormig groeien (kristalselector), dringen ze elkaar uit en selecteren elkaar, en uiteindelijk blijft er slechts één kristal over dat dichtst bij de vooraf ingestelde richting ligt, en deze kristal blijft verder groeien.

Omdat de hoge-druk-as meer dan 10.000 keer moet draaien, wordt elk onderdeel onderworpen aan meer dan 10 ton centrifugale kracht, en omdat de sterkte van nikkelkristallen in elke richting verschillend is, moet zijn diagonal (de sterkste richting) binnen 10 graden van de richting van de centrifugale kracht liggen. (Nog iets te zeggen: het enkelrichtings nikkelgebaseerde legering dat wordt gebruikt in de rotor van de lage-druk-turbine vereist een kristalrichting, maar niet slechts één kristal, omdat het smeltpunt van een enkel kristal 50K hoger is dan dat van polykristallijnen (inclusief enkelrichtingskristallen)).

De opbrengst is niet hoog. Zover ik weet, hebben veel uitstekende precisiegietwerken in Duitsland deze proces geprobeerd en uiteindelijk failliet gegaan. De drempel is echt te hoog.

Ten slotte wordt het eindproduct verkregen en wordt een speciale alkali gebruikt om de keramische luchtwegvorm te ontleden die in de luchtweg is achtergebleven om afkoelingsgaten te maken. Er zijn elektrisch opgeloste gaten en elektrochemische gaten. De meest voorkomende gaten worden gemaakt met een laser. De vorm van de gaten is ook zeer complex. Daarna volgt electroplating coating, wat ook een enorme kennisveld is.

De onderstaande afbeelding toont polycrystaline links, unidirectionele kristal in het midden en single crystal rechts.

Na de gietvorm hebben de bladen echter geen luchtgaten die de binnenste koelingsluchtduct met het bladoppervlak verbinden. Dit wordt doorgaans met een laser uitgevoerd. Omdat de koellucht veel druk verliest wanneer deze wordt afgetapt van de hoogdrukcompressor en stroomt van de holle as naar de hoogdrukturbine, hoewel de kernluchtstroom ook druk verliest bij het doorstromen van de brandstofbranding, en het proces van de as naar het blad een zekere centrifugale compressie- en drukverhogende werking heeft, is er nog steeds een hogere statische druk nodig om de koellucht tegen het bladoppervlak te laten stoten. Op dit moment is er een gat met een uitgebreide doorsnede nodig om de koellucht te behandelen, de dynamische druk te verminderen en de statische druk te verhogen, waarna de koellucht de hete kernluchtstroom van het bladoppervlak wegduwt (een hoop onzin). Bovendien veroorzaakt te hoge snelheid dat de koeling rechtstreeks in de kernluchtstroom wordt gespoten, en heeft het nog een andere functie, namelijk het vormen van een laagje koelluchtfilm op het bladoppervlak om het blad te beschermen, wat vertraagd moet worden en de druk verhoogd.

Daarom moet dit type gat zijn geometrische vorm optimaliseren voor verschillende posities. Laserbooren kan gemakkelijk geautomatiseerd worden, maar het nadeel is dat er interne oppervlaktestress ontstaat.

De staart van de turbine-stator (eenrichtingskristal, buiten onderwerp) moet worden voorzien van wakkoelingsgaten om de volgende turbine-roter te bedienen. Dit gat is extreem slank en kan geen interne spanning verdragen, dus het wordt gemaakt met behulp van elektrochemische corrosie. Natuurlijk zijn deze niet absoluut, en verschillende bedrijven hebben verschillende bewerkingsmethoden.

Na dit proces is een enkel kristalblad van de turbine verkregen, maar het is nog niet bekleed. Moderne turbineklingen vereisen een laag zirconia-thermische barrièrecoating, een zirconia-oxide-keramiek. Omdat het keramiek is, is het tot op zekere hoogte broos. Wanneer de turbine werkt, kan het hele stuk afvallen als er een lichte vervorming optreedt en smelten de turbinebladen onmiddellijk. Dit is absoluut onaanvaardbaar binnen Hangfa.

Dan is er het EB-PVD-proces (elektronenstraal fysieke dampdepositie), dampdepositiemethode.

Natuurlijk zijn er vele lagen van andere materialen voordat het wordt gemaakt, zoals platina-plating (platina), plasmaspuitingen, enz. Er is ook een laag om het zirconia te versterken en het als lijm aan te kleven. Natuurlijk zijn er kleine verschillen tussen de bedrijven, en die zijn niet statisch.

Ten eerste, de elektronengun zendt een elektronenstraal uit, die wordt geleid door het magnetisch veld en de zirkonia-substraat raakt. Het substraat dat gebombardeerd wordt door de elektronen zal overgaan in een gasvormige staat, en het gaseuze zirkonia wordt naar het oppervlak van de blade geleid om te beginnen met groeien. Zirkonia zal uitgroeien tot kleine stokjes met een diameter van 1 micron en een lengte van 50 micron, dichtbebouwd op het oppervlak van de bladeren zonder dat de poriën worden bedekt. Omdat het geen geheelstuk keramiek is, kunnen de kleine stokjes lichtelijk ten opzichte van elkaar bewegen zonder dat het gehele stuk afbladdert, wat het probleem van falen door deformatie oplost.

Zirkonia heeft een uiterst hoge hardheid en een uiterst lage thermische conductiviteit, waardoor een zeer steile temperatuurgradiënt kan worden bereikt tussen het nikkel-substraat en de hete kernluchtstroom. Met interne koeling en luchtfilmkoeling kan de vleugel langdurig met hoge sterkte en betrouwbaarheid functioneren in een omgeving die veel hoger is dan zijn eigen smelttemperatuur.

Op dit punt is het bladoppervlak voltooid. Om in te passen in de turbine wiel heeft het blad ook een pijnboomvormige of mortise en tenon structuur nodig aan de basis van het blad.

Zoals hierboven vermeld, ondergaat elk turbineblad meer dan tien ton centrifugale kracht tijdens het functioneren, en de bladbasis moet ook zeer fijn worden verwerkt. Nikkelgebaseerde superlegingen zijn erg hard, hitteresistent en zeer moeilijk te bewerken.

De bladbasis wordt gepolijst. Het blad wordt vastgeklemd door een speciale houder, en de bovenste en onderste slijpstenen met tegengestelde geometrie (vrouwelijke vorm) slijpen naar binnen.

Dit zal ervoor zorgen dat de slijpwiel snel faalt, dus er wordt een positief diamantslijpwiel aan de buitenkant van de twee slijwelen toegevoegd om het slijpwiel continu te slijpen en het werkzaam te houden. De industriële diamanten op het diamantslijpwiel worden door robots vastgeplakt.

Na deze processen en inspectie is de schijf klaar om te werken. Het is slechts een onderdeel van een vliegtuigmotor, en een vliegtuigmotor is slechts een module op een vliegtuig.