Enkelvoudige kristal turbinebladen: een technologische doorbraak die hoge temperatuurlimieten doorbreekt

1 Ontwikkeling van gas turbine motoren voor de luchtvaart

Toen de prestatie-eisen voor vliegtuigen voor transport, militair, productie en andere doeleinden toenamen, konden de eerste pistonsmotoren niet langer voldoen aan de behoeften van hoge snelheden. Daarom zijn sinds de jaren '50 gas turbine motoren geleidelijk in de mainstream gekomen.

In 1928 wees Sir Frank Whittle uit het Verenigd Koninkrijk in zijn afstudeerthesis "Future Development in Aircraft Design", terwijl hij studeerde aan de militaire academie, al aan dat onder de technische kennis van die tijd de toekomstige ontwikkeling van propeller-motoren niet kon voldoen aan de behoeften voor hoge altitudes of vluchtvaartuigen met snelheden boven de 800 km/u. Hij was de eerste die het concept introduceerde van wat nu bekend staat als een straalmotor (motor engine): gecomprimeerde lucht wordt door een traditionele piston naar de brandstofkamer (verbranding) geleverd en de gegenereerde hoge-temperatuur gassen worden rechtstreeks gebruikt om de vlucht voort te drijven, wat beschouwd kan worden als een propeller-motor met een toegevoegde verbrandingskamer. In latere onderzoeken verwierp hij het idee om een zware en inefficiënte piston te gebruiken en stelde voor om een turbine (turbine) te gebruiken om gecomprimeerde lucht naar de verbrandingskamer te leveren, waarbij de kracht van de turbine werd verkregen uit de hoge-temperatuur uitlaatgassen. In 1930 solliciteerde Whittle naar een patent, en in 1937 ontwikkelde hij de wereld's eerste centrifugale turbojet-motor, die officieel in 1941 werd gebruikt in het Gloster E.28/39-vliegtuig. Sindsdien hebben gas-turbinemotoren de dominantie in de luchtvaartkracht overgenomen en zijn ze een belangrijk symbool van een land's wetenschappelijk en technologisch industrieel niveau en algemene nationale sterkte.

Vliegtuigmotoren kunnen worden onderverdeeld in vier basissoorten op basis van hun gebruik en structuurkenmerken: turbojet-motoren, turbofan-motoren, turboshafts-motoren en turboprop-motoren:

Gas turbines voor de luchtvaart worden turbojet-motoren genoemd, die de eerste gas turbines waren die werden gebruikt. Vanuit het perspectief van de manier waarop de voortstuwing wordt gegenereerd, zijn turbojet-motoren de eenvoudigste en meest directe motoren. De redenering baseert zich op de reactiekracht die wordt veroorzaakt door de hoge snelheid waarmee de wervel injecteert. Toch neemt de hoge snelheid van de luchtstroom veel warmte en kinetische energie mee, wat grote energieverliezen veroorzaakt.

De turbofan-motor verdeelt de lucht die in de motor stroomt in twee banen: de binnenkanaal en de buitenkanaal, wat de totale luchtstroom verhoogt en de uitlaattemperatuur en -snelheid van de binnenkanaallucht verlaagt.

Turboschaft- en turbopropmotoren genereren geen stuwkracht door luchtstrominginjectie, waardoor de uitlaattemperatuur en -snelheid sterk verminderd worden, de thermische efficiëntie relatief hoog is en het brandstofverbruik van de motor laag, wat geschikt is voor langeafstandsvliegtuigen. De snelheid van de propeller verandert doorgaans niet, en verschillende drukken worden verkregen door de bladhoek aan te passen.

De propfan-motor is een motor tussen turboprop- en turbofanmotoren. Deze kan worden onderverdeeld in propfanmotoren met gestroomlijnde propellerschroefhuizen en propfanmotoren zonder gestroomlijnde propellerschroefhuizen. De propfan-motor is de meest concurrerende nieuwe energiebesparende motor die geschikt is voor subsonisch vliegen.

Civiele luchtvaartmotoren zijn meer dan een halve eeuw in ontwikkeling geweest. De structuur van de motor is geëvolueerd van de vroege centrifugale turbine-motor tot de enkel-rotor axiale stroommotor, van de dubbel-rotor straalmotor tot de straalmotor met een lage bypassverhouding, en uiteindelijk tot de straalmotor met een hoge bypassverhouding. De structuur is continu geoptimaliseerd in de streven naar efficiëntie en betrouwbaarheid. De turbine-inlettemperatuur was slechts 1200-1300K in de eerste generatie straalmotoren uit de jaren '40 en '50. Deze steeg ongeveer 200K per vliegtuigupgradem. Tegen de jaren '80 bereikte de turbine-inlettemperatuur van de vierde generatie geavanceerde jachtvliegtuigen 1800-2000K[1].

Het principe van de centrifugale luchtcompressor is dat de impeller de gasstroom op hoge snelheid doet roteren, zodat er centrifugale kracht ontstaat. Door de expansiedrukstroom van het gas in de impeller neemt de stroom- en drukkracht van het gas na het passeren van de impeller toe, waardoor continu gecomprimeerde lucht wordt geproduceerd. Het heeft een korte asmatiging en een hoog enkelvoudig drukverhoudingsniveau. De axiale luchtcompressor is een compressor waarin de luchtstroom essentieel parallel aan de as van de draaiende impeller stroomt. De axiale compressor bestaat uit meerdere stappen, waarbij elke stap een rij rotorbladen en een volgende rij statorbladen bevat. De rotor bestaat uit de werkbladen en de schijf, en de stator is de gids. De lucht wordt eerst versneld door de rotorbladen, vertraagd en gecomprimeerd in het kanaal van de statorbladen, en dit herhaalt zich in de meervoudige bladen tot de totale drukverhouding het vereiste niveau bereikt. De axiale compressor heeft een kleine diameter, wat geschikt is voor meervoudig tandemgebruik om een hogere drukverhouding te verkrijgen.   

Turbofan-motoren gebruiken doorgaans de bypassverhouding, de motordrukverhouding, de turbine-inlatetemperatuur en de fan-drukverhouding als ontwerpparameters:

Bypassverhouding (BPR): Het verhouding van de massa van de gas stromend door de uitlaatducten tot de massa van de gas stromend door de binnenste ducten in de motor. De rotor aan de voorkant van een turbojet-motor wordt meestal de lage-druk compressor genoemd, en de rotor aan de voorkant van een turbofan-motor wordt meestal de fan genoemd. Het gedrukte gas dat door de lage-druk compressor gaat, passeert alle delen van de turbojet-motor; het gas dat door de fan gaat, wordt verdeeld in de binnenste en buitenste ducten. Sinds de introductie van turbofan-motoren neemt de BPR toe, en deze trend is bijzonder duidelijk in civiele turbofan-motoren.

Motordrukverhouding (EPR): Het verhouding van de totale druk aan de uitlaat van de nozzle tot de totale druk aan de invoer van de compressor.

Turbine-inlettemperatuur: De temperatuur van de uitlaatgassen van de verbrandingskamer wanneer ze de turbine binnengaan.

Vermogensverhouding van de ventilator: Ook wel compressieverhouding genoemd, het verhoudinggetal tussen de gasdruk aan de uitlaatzijde van de compressor en de gasdruk aan de inlaatzijde.

Twee efficiënties:

Thermische efficiëntie: Een maat voor hoe efficiënt een motor warmte-energie, voortgebracht door verbranding, omzet in mechanische energie.

Propulsie-efficiëntie: Een maat voor het percentage van de door de motor gegenereerde mechanische energie dat wordt gebruikt om het vliegtuig voort te bewegen.

2 Ontwikkeling van turbinebladen

Iteratieve ontwikkeling

Neem bijvoorbeeld een turbofan-motor: de waarde van de bladen bedraagt tot wel 35% en zij zijn een cruciaal onderdeel in de productie van vliegtuigmotoren. In een motor zijn er 3.000 tot 4.000 luchtvaartbladen, die ingedeeld kunnen worden in drie categorieën: ventilatorbladen, compressorbladen en turbinebladen. De waarde van turbinebladen is de hoogste, namelijk 63%. Tegelijkertijd zijn het ook de bladen met de hoogste productiemoeilijkheid en -kosten in turbofan-motoren [2].

In de jaren '70 was de Verenigde Staten de eerste om richtingvaststellingbladen van PWA1422 te gebruiken in militaire en civiele vliegtuigmotoren.

Na de jaren 1980 verhoogde het vermogensgewichtverhouding van de derde generatie motor tot meer dan 8, en begonnen de turbinebladen de eerste generatie SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 en Chinas DD3 te gebruiken. De temperatuurdragende capaciteit is 80K hoger dan die van het beste richtvaststollingsgeleide hoogtemperatuuralloy PWA1422. Voordelen. In combinatie met de filmkoeling enkelkanaal holle technologie bereikt de werktemperatuur van de turbinebladen 1600-1750K.

De vierde generatie turbofanmotor maakt gebruik van de tweede generatie SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 en DD6. Door Re-elementen toe te voegen en multikanaal-hoogdruk luchtkoelingstechnologie te gebruiken, bereikt de werktemperatuur van de turbinebladen 1800K-2000K. Bij 2000K en 100 uur bedraagt de duursterkte 140MPa.

De derde generatie SX, ontwikkeld na de jaren '90, omvat RenéN6, CMRX-10 en DD9, die duidelijke kruipsterktevoordelen bieden ten opzichte van de tweede generatie SX. Onder bescherming van complexe koelingkanaalsystemen en thermische barrièrbestrijkingen bereikt de turbine-inlettemperatuur die het kan verdragen 3000K. De intermetaalverbindingstoestand gebruikt in de bladen bereikt 2200K, en de 100u-duursterkte bereikt 100MPa.

Momenteel in ontwikkeling zijn de vierde generatie SX, vertegenwoordigd door MC-NG[4], TMS-138, enz., en de vijfde generatie SX, vertegenwoordigd door TMS-162, enz. De samenstelling wordt gekenmerkt door het toevoegen van nieuwe zeldmetaalelementen zoals Ru en Pt, wat de hoge-temperatuurkruipeigenschappen van SX aanzienlijk verbetert. De werktemperatuur van de vijfde generatie hoogtemperatuuralloy heeft 1150°C bereikt, wat dicht bij de theoretische limietwerktemperatuur van 1226°C ligt.

3 Ontwikkeling van nikkelgebaseerde enkelkristal superlegers

3.1 Samenstellingseigenschappen en fasensamenstelling van nikkelgebaseerde enkelkristal superlegers

Volgens het type matrixelementen kunnen hoogtemperatuurlegers worden ingedeeld in ijzergebaseerd, nikkelgebaseerd en kobaltgebaseerd, en verder onderverdeeld in giet-, smeed- en poedermetaal macrostructuren. Nikkelgebaseerde legers hebben betere hoogtemperatuureigenschappen dan de andere twee soorten hoogtemperatuurlegers en kunnen langdurig werken in strenge hoogtemperatuuromgevingen.

Nickelgebaseerde hoogtemperatuurallega's bevatten minstens 50% Ni. Hun FCC-structuur maakt ze erg compatibel met sommige legeringselementen. Het aantal toegevoegde legeringselementen tijdens het ontwerp proces komt vaak boven de 10. De gemeenschappelijkheid van de toegevoegde legeringselementen wordt als volgt ingedeeld: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo en W zijn eerste-klasse elementen, die dienen als austeniet-stabiliserende elementen; (2) Al, Ti, Ta en Nb hebben grotere atoomstralen, wat de vorming van versterkingsfases zoals de verbinding Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) bevordert, en zijn tweede-klasse elementen; (3) B, C en Zr zijn derde-klasse elementen. Hun atoomgrootte is veel kleiner dan die van Ni-atomen, en zij worden gemakkelijk gesegregeerd naar de korrelgrenzen van de γ-fase, waarbij ze een rol spelen in korrelgrensversterking [14].

De fasen van nikkelgebaseerde enkelkristalhoogtemperatuurallega's zijn voornamelijk: γ-fase, γ'-fase, carbidefase en topologisch dicht gepakte fase (TCP-fase).

γ-fase: De γ-fase is een austenietfase met een kristalstructuur van FCC, wat een vast oplossingsgemengde vormt waarin elementen zoals Cr, Mo, Co, W en Re in nikkel zijn opgelost.

γ'-fase: De γ'-fase is een intermetaalverbinding Ni3(Al, Ti) met een FCC-structuur, die als neerslagfase ontstaat en een bepaalde samenhang en mismatch met de matrixfase onderhoudt, en rijk is aan Al, Ti, Ta en andere elementen.

Carbidefase: Vanaf de tweede generatie nikkelgebaseerde SX wordt een kleine hoeveelheid C toegevoegd, waardoor carbiden verschijnen. Een kleine hoeveelheid carbiden is verspreid door de matrix, wat de hoogtemperatuureigenschappen van het legering tot op zekere hoogte verbetert. Dit wordt doorgaans ingedeeld in drie typen: MC, M23C6 en M6C.

TCP-fase: Bij het ouder worden van de service bevorderen overdadige bestanddelen zoals Cr, Mo, W en Re de vorming van de TCP-fase. TCP komt meestal voor in plaatvorm. De plaatstructuur heeft een negatief effect op de ductiliteit, kruipgedrag en vermoeidheidseigenschappen. De TCP-fase is een van de bronnen van kruipbreuken.

Versterkingsmechanisme

De sterkte van nikkelgebaseerde superlegers komt voort uit de combinatie van verschillende versterkingsmechanismen, waaronder vaste-oplossing-versterking, neerslagversterking en thermisch behandelen om dislocatiedichtheid te vergroten en een dislocatiesubstructuur te ontwikkelen die versterking biedt.

Vaste-oplossing-versterking betekent het verbeteren van de basissterkte door verschillende oplosbare elementen toe te voegen, zoals Cr, W, Co, Mo, Re en Ru.

De verschillende atoomstralen leiden tot een bepaald mate van atoomroostervervorming, wat de beweging van dislocaties inhibeert. Vaste-oplossing-versterking neemt toe met toenemend verschil in atoomgrootte.

Versterking door een vast oplossingsmengsel heeft ook het effect van het verlagen van de stapelfoutenergie (SFE), voornamelijk door kruisglip van dislocaties te inhiberen, wat de hoofdvervormingsmodus is van niet-ideale kristallen bij hoge temperaturen.

Atommatische clusters of kortegewerkte orde-microstructuren zijn een andere mechanisme die helpt bij versterking door een vast oplossingsmengsel. Re-atomen in SX segregeren in de trekspanningsregio van de dislocatiekern aan de γ/γ'-interface, waardoor een "Cottrell atmosfeer" ontstaat, die efficiënt de beweging van dislocaties en de uitbreiding van barsten voorkomt. (Oplosatomen raken geconcentreerd in de trekspanningsgebieden van randdislocaties, verminderen rastervervorming, vormen een Coriolisgasstructuur en produceren een sterke versterking door een vast oplossingsmengsel. Dit effect neemt toe met de toename van de concentratie van oplosatomen en het verschil in grootte.)

Re, W, Mo, Ru, Cr en Co versterken de γ-fase effectief. De vaste oplossingversterking van de γ-matrix speelt een uiterst belangrijke rol in de kruipsterkte van nikkelbasis hoogtemperatuurallega's.

Het versterkings-effect door neerslag wordt beïnvloed door het volumefraction en de grootte van de γ' fase. Het doel van het optimaliseren van de samenstelling van hoge-temperatuur legeringen is voornamelijk om het volumefraction van de γ' fase te vergroten en de mechanische eigenschappen te verbeteren. SX-hoogtemperatuurlegeringen kunnen een volumefraction van 65%-75% van de γ' fase bevatten, wat resulteert in goede kruipsterkte. Dit vertegenwoordigt de nuttige maximale waarde van het versterkings-effect van de γ/γ' grens, en verdere toename zal resulteren in een significant verminderde sterkte. De kruipsterkte van hoogtemperatuurlegeringen met een hoge volumefraction van de γ’ fase wordt beïnvloed door de grootte van de γ’ fase-deeltjes. Wanneer de grootte van de γ’ fase klein is, neigen dislocaties om eromheen te klimmen, wat resulteert in een afname van de kruipsterkte. Wanneer dislocaties genoodzaakt worden om de γ’ fase te doorsnijden, bereikt de kruipsterkte zijn maximum. Naarmate de γ’ fase-deeltjes in grootte toenemen, neigen dislocaties om tussen hen te buigen, wat resulteert in een afname van de kruipsterkte [14].

Er zijn drie hoofdmechanismen voor versterking door neerslag:

Roostermisvormingversterking: De γ’ fase wordt verspreid en neergezet in de γ fase matrix op een coherente manier. Beide hebben FCC-structuren. De roostermisvorming weerspiegelt de stabiliteit en spanningstoestand van het coherente interface tussen de twee fasen. Het beste geval is dat de matrix en de neergeslagen fase dezelfde kristalstructuur en roosterparameters van dezelfde geometrie hebben, zodat meer neergeslagen fasen in de γ fase kunnen worden ingevuld. De misvormingsbereik van nikkelgebaseerde hoogtemperatuurallega's is 0~±1%. Re en Ru zijn duidelijk gesegregeerd met de γ fase. De toename van Re en Ru verhoogt de roostermisvorming.

Ordeversterking: Dislocatie-snijding veroorzaakt onvolgorde tussen de matrix en de neergeslagen fase, wat meer energie vereist

Mechanisme van dislocatieomzeiling: het zogenaamde Orowan-mechanisme (Orowan bowing), dat een versterkingsmechanisme is waarbij de neergeslagen fase in de metaalmatrix de bewegende dislocatie belemmert. Basisprincipe: Wanneer de bewegende dislocatie een deeltje tegenkomt, kan deze er niet doorheen, wat resulteert in omzeilingsgedrag, groei van de dislocatielijn en een toename van de vereiste drijvende kracht, wat leidt tot een versterkingseffect.

3.3 Ontwikkeling van hoogtemperatuurallegiomgietsmethoden

De oudste legering die gebruikt werd in hoge-temperatuuromgevingen kan worden teruggevoerd tot de uitvinding van Nichrome in 1906. De opkomst van turbo-compressoren en gas-turbinemotoren stimuleerde de substantiële ontwikkeling van hoogtemperatuurlegeringen. De bladen van de eerste generatie gas-turbinemotoren werden vervaardigd door extrusie en smeden, wat duidelijk de beperkingen van die tijd had. Momenteel worden de turbinebladen van hoogtemperatuurlegeringen voornamelijk gemaakt door investeerde giettechnieken, specifiek richtingsverharding (DS). De DS-methode werd voor het eerst uitgevonden door het team van Versnyder bij Pratt & Whitney in de Verenigde Staten in de jaren '70 [3]. Tijdens de decennia van ontwikkeling is het voorkeursmateriaal voor turbinebladen veranderd van equaxiale kristallen naar kolomvormige kristallen, en vervolgens geoptimaliseerd tot enkelkristal hoogtemperatuurlegeringmaterialen.

DS-technologie wordt gebruikt om zuilvormige kernalliant SX-componenten te produceren, wat aanzienlijk de ductiliteit en thermische schokweerstand van hoogtemperatuurallega's verbetert. DS-technologie zorgt ervoor dat de geproduceerde zuilkristallen een [001]-richting hebben, wat parallel loopt met de hoofdspanningsas van het onderdeel, in plaats van een willekeurige kristaloriëntatie. In principe moet DS ervoor zorgen dat de vaste vloeistof tijdens het gieten altijd in een net-verhard staat is.

Het gieten van zuilkristallen moet twee voorwaarden voldoen: (1) Een enkelzijdige hittestroming zorgt ervoor dat het vast-vloeikoppelingsvlak bij het groeipunt van het korrel zich in één richting beweegt; (2) Er mag geen nucleatie optreden in de bewegingsrichting van het vast-vloeikoppelingsvlak.

Omdat de breuk van de blad meestal plaatsvindt in de hoge-temperatuurzwakke structuur van de korrelgrens, wordt tijdens het gerichte vaste wordingsproces een vormsel met een "kristalselector"-structuur gebruikt om de korrelgrens te elimineren. De doorsnede van deze structuur komt dicht bij de korrelgrootte, zodat slechts één optimaal gegroeide korrel het gietvormsel binnenkomt en vervolgens blijft groeien in de vorm van een enkel kristal tot het gehele blad bestaat uit slechts één korrel.

De kristalselector kan worden verdeeld in twee delen: het startblok en de spiraal:

Aan het begin van het DS-proces beginnen de korrels te nucle"eren aan de onderkant van het startblok. In een vroeg stadium van korstgroei is hun aantal groot, de grootte klein en het oriëntatieverschil groot. Het competitieve groeigedrag tussen de korrels domineert, en het geometrische blokkeer-effect van de zijkant is zwak. Op dit moment is het oriëntatieoptimalisatie-effect duidelijk; wanneer de hoogte van de korrels in het startblok toeneemt, neemt het aantal korrels af, de grootte neemt toe en de oriëntatie komt dichterbij. Het competitieve groeigedrag tussen de korrels neemt af, en het geometrische blokkeer-effect van de zijkant domineert, waardoor wordt gegarandeerd dat de kristalrichting continu geoptimaliseerd kan worden, maar het oriëntatieoptimalisatie-effect verzwakt. Door de straal van het startblok te verminderen en de hoogte van het startblok te vergroten, kan de oriëntatie van de korrels die de spiraalsectie binnengaan effectief geoptimaliseerd worden. Verlengen van het startblok zal echter de effectieve groeiruimte van de casting verkorten en levert kosten voor productiecyclus en voorbereiding. Daarom is het noodzakelijk om de geometrische structuur van het substraat redelijk te ontwerpen.

De belangrijkste functie van de spiraal is om efficiënt enkelvoudige kristallen te selecteren, en de mogelijkheid om de korreloriëntatie te optimaliseren is zwak. Wanneer het DS-proces plaatsvindt in een spiraal, biedt het gekromde kanaal ruimte voor de groei van dendritische takken, en de secundaire dendrieën van de korrels bewegen zich in de richting van de vloeistoflijn. De korrels hebben een sterke laterale ontwikkelingstrend, en de oriëntatie van de korrels is in een fluctuerende toestand, met een zwak optimalisatie-effect. Daarom berust de selectie van korrels in de spiraal voornamelijk op de meetkundige beperkingsvoordeel, concurrentiële groeivoordeel en ruimtelijke expansie-voordeel van de korrels in het spiraalsegment [7], in plaats van de groeivoordeel van de voorkeursoriëntatie van de korrels, wat een sterke willekeurigheid heeft [6]. Daarom is de hoofdoorzaak van het falen van de kristalselectie dat de spiraal niet de rol speelt van enkelvoudige kristalselectie. Door de buitenste diameter van de spiraal te vergroten, de steek te verminderen, de diameter van het spiraaloppervlak en de start hoek te verkleinen, kan de effectiviteit van de kristelselectie aanzienlijk worden verbeterd.

De voorbereiding van holle enkelkristallen turbinebladen vereist meer dan een dozijn stappen (mestalloysmelting, voorbereiding van enkelkristalline membranen, voorbereiding van complexe configuratiekeramische kernen, smelten, richtingssolidificatie, hittebehandeling, oppervlaktebehandeling, voorbereiding van thermische barrièrbestrijkingen, enz.). Het complexe proces is gevoelig voor verschillende defecten, zoals dwalende korrels, vlekken, kleine hoekkorrelgrenzen, streepkristallen, oriëntatieafwijking, herkristallisatie, grote hoekkorrelgrenzen en kristelselectiefout.