Da ytelseskravene til fly for transport, militær, produksjon og andre formål økte, kunne de tidligste pistonymrene lenger ikke dekke behovene for høyhastighetsfly. Derfor har gass-turbinsmotorer gradvis blitt hovedstrømmen siden 1950-tallet.
I 1928 pekte Sir Frank Whittle fra Storbritannia i sin graduausavhandling "Framtidens utvikling i flydesign" under studiet på militæretterskolen ut at med den tekniske kunnskapen på den tiden, kunne fremtidens utvikling av propellermotorer ikke tilpasse seg behovene for høyhetsflyging eller flyfart over 800 km/t. Han var den første til å foreslå konseptet som i dag kalles en strøm liningemotor (motor motor): komprimert luft leveres til forbreningsrommet (forbrenning) gjennom en tradisjonell piston, og det høytemperaturte gassen som dannes brukes direkte til å drive flyving, noe som kan ses som en kombinasjon av en propellermotor og et forbrenningsrom design. I etterfølgende forskning gav han opp idéen om å bruke en tung og ineffektiv piston og foreslo isteden bruk av en turbine (turbine) for å levere komprimert luft til forbreningsrommet, og kraften til turbinen ble hentet fra høytemperaturslippgassen. I 1930 søkte Whittle om patent, og i 1937 utviklet han verden sitt første sentrifugale turbojetmotor, som ble offisielt brukt på Gloster E.28/39-flyet i 1941. Deretter har gass-turbinemotorer dominert flypropulsjon og er et viktig symbol på et lands vitenskapelige og teknologiske industrielle nivå og dets samlede nasjonale styrke.
Flymotorer kan deles inn i fire grunnleggende typer etter bruk og strukturelle karakteristikk: turbojet-motorer, turbofan-motorer, turboskavermotorer og turboprop-motorer:
Gasturbiner for luftfart omtales som turbojet-motorer, som er de eldste gasturbinemotorene som har vært i bruk. Med hensyn til hvordan trakksen opprettholdes, er turbojet-motorer de enkleste og mest direkte motorer. Grunnlaget ligger i reaksjonskrefta generert av den høyhastighetsinjeksjonen av viren. Likevel bærer den høyhastighetsluftstrømmen mye varme og kinetisk energi med seg samtidig, noe som fører til store energitap.
Turbofan-motoren deler luftstrømmen som går inn i motoren i to veier: den innsiden av rør og den ytre kanalen, noe som øker den totale luftgjennomstrømningen og reduserer utslipps temperaturen og hastigheten på luftstrømmen fra den indre kanalen.
Turboskft- og turbopropmotorer genererer ikke trakk ved luftstrømminjeksjon, så utslipps temperaturen og farten er betydelig redusert, termisk effektivitet er relativt høy, og bråndsforbruket er lavt, noe som gjør dem egnet for lange flyreiser. Propellers farten endrer seg vanligvis ikke, og ulik trakk fåres ved å justere bladenevne.
Propfan-motoren er en motore mellom turboprop og turbofan. Den kan deles inn i propfan-motorer med strømperpropellerhylle og propfan-motorer uten strømperpropellerhylle. Propfan-motoren er den mest konkurrerende nye energibesparende motoren egnet for subsonisk flyving.
Borgerlige luftfartsmotorene har gått gjennom mer enn halv et århundre med utvikling. Motorens struktur har utviklet seg fra de tidlige sentrifugalturbinemotorene til den enkeltrotoraksialstrømmingsmotoren, fra to-rotor-turbojet-motoren til turbofan-motoren med lav forsyningerforhold, og deretter til turbofan-motoren med høyt forsyningerforhold. Strukturen har kontinuerlig blitt optimalisert i jakt på effektivitet og pålitelighet. Turbininngangstemperaturen var bare 1200-1300K i den første generasjonen av turbojet-motorene i 1940- og 1950-årene. Den økte med omtrent 200K ved hver flyoppgradering. Til 1980-årene nådde turbininngangstemperaturen for den fjerde generasjonens avanserte jagerfly 1800-2000K[1].
Prinsippet for sentralfugtluftkompressoren er at impelleren driver gassen til å rotere med høy fart, slik at gassen genererer en sentralfrikkraft. På grunn av trykkspredningen i impelleren øker både gassens hastighet og trykk etter at den har passert impelleren, og komprimert luft produseres kontinuerlig. Den har en kort akseal dimensjon og en høy enkelttrinns trykkforhold. Akseflow-luftkompressoren er en kompressor der luftstrømmen i hovedsak strømmer parallellet med aksen til den rotatoriske impelleren. En akseflow-kompressor består av flere trinn, hvor hvert trinn inneholder en rad rotorblader og en etterfølgende rad statorkjempelblader. Rotoren er arbeidsbladene og hjulet, mens statoren er veilederen. Lutta accelereres først av rotorbladene, senes og komprimeres i statorkjempelkanalen, og dette gjentas i de flere bladetrinnene inntil det totale trykkforholdet når den nødvendige nivået. Akseflow-kompressoren har en liten diameter, noe som gjør den praktisk for flertrinnsbruk for å oppnå et høyere trykkforhold.
Turbopropellermotorer bruker vanligvis omveiskoefisient, motortrykkforhold, turbineinngangstemperatur og fanetrykkforhold som desigparameterer:
Omveiskoefisient (BPR): Forholdet mellom massen av gass som strømmer gjennom utledningsduktene og massen av gass som strømmer gjennom de indre duktene i motoren. Rotoren foran en turbopropellermotor kalles vanligvis lavtrykkskompressor, mens rotor foran en turbofan-motor kalles vanligvis fanen. Trykket gass som passerer gjennom lavtrykkskompressoren går gjennom alle deler av turbopropellermotoren; gassen som passerer gjennom fanen deles opp i indre og ytre dukt. Siden oppkomsten av turbofan-motorene har BPR økt, og denne trenden er særlig tydelig i sivile turbofan-motorene.
Motortrykkforhold (EPR): Forholdet mellom totaltrykket ved utledningen til sluddutgangen og totaltrykket ved inletten til kompressoren.
Turbininngangstemperatur: Temperaturten på forbreningskammerets utslipp når det kommer inn i turbinen.
Venteredningsforhold: Også omtalt som trykkforhold, forholdet mellom gasspressuren ved kompressorutgangen og gasspressuren ved inngangen.
To effektiviteter:
Termodynamisk effektivitet: Et mål på hvor effektivt en motor konverterer varmeenergien fra forbreningen til mekanisk energi.
Propulsjons-effektivitet: Et mål på andelen av den mekaniske energien som genereres av motoren som brukes til å drive flyet.
I 1970-årene var USA de første til å bruke PWA1422 rettlinjet fastsetting-blader i militære og sivile flymotorer.
Etter 1980-erne økte tyngde-kraftforholdet til tredje generasjons motoren til mer enn 8, og turbinebladene begynte å bruke første generasjon SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 og Kinas DD3. Dens temperaturføre evne er 80K høyere enn den beste rettrettede fastsetting av høytemperatursbleggen PWA1422. Fordeler. I kombinasjon med filmkjøling enkeltkanal tom teknologi når temperaturen på turbinebladene opp til 1600-1750K.
Den fjerde generasjon turbostrømforkjøleren bruker andre generasjon SX PWA1484, RenéN5, CMSX-4, og DD6. Ved å legge til Re elementer og multikanal høytrykk luftkjølingsteknologi, når temperaturen på turbinebladene opp til 1800K-2000K. Ved 2000K og 100h varer styrken opp til 140MPa.
Tredje generasjon av SX, utviklet etter 1990-tallet, inkluderer RenéN6, CMRX-10 og DD9, som har meget tydelige fordeler i kryp-styrke sammenlignet med andre generasjonen SX. Under beskyttelse av komplekse kjølekanaler og varmebarrierelaker, kan den tålig turbineinngangstemperatur oppnå 3000K. Intermetalliske sammensetninger brukt i bladene oppnår 2200K, og den 100-timers varige styrken oppnår 100MPa.
For øyeblikket under utvikling er fjerde generasjonen SX representert av MC-NG[4], TMS-138 osv., og femte generasjonen SX representert av TMS-162 osv. Dets sammensetning er tegnet ved tillegg av nye sjeldne jordarter som Ru og Pt, som forbedrer betydelig høytemperaturskipsegenskapene til SX. Arbeidstemperaturen på femte generasjon høytemperaturspillag har nådd 1150°C, som er nær teoretisk grensearbeidstemperatur på 1226°C.
3.1 Sammensetningskarakteristikk og fasemessig sammensetning av nikkelbaserte enkristallsuperalloyer
Etter type matriseelementer kan høytemperaturslegemer inndelas i jernbaserte, nikkelbaserte og kobltbaserte, og videre underdelt i kasting, formverk og pulvermetallurgiske makrostrukturer. Nikkelbaserte legemer har bedre høytemperaturprestasjoner enn de to andre typene høytemperaturslegemer og kan jobbe i lengre tidsrom i strenge høytemperaturmiljøer.
Nikkelbaserte høytemperaturslegemer inneholder minst 50% Ni. Deres FCC-struktur gjør dem veldig kompatible med noen legeringsbestanddelene. Antall legeringsbestanddelene som legges til under designprosessen overskrider ofte 10. De legeringsbestanddelene som legges til klassifiseres som følger: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo og W er første klasse elementer, som fungerer som austenittstabiliserende elementer; (2) Al, Ti, Ta og Nb har større atomradius, som fremmer opprettholdelsen av forsterkingsfaser som sammensatte Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), og er andre klasse elementer; (3) B, C og Zr er tredje klasse elementer. Deres atomstørrelse er mye mindre enn nikkelatomer, og de segmenteres lett til korngrenser i γ-fasen, spiller en rolle ved korngrenseforsterking [14].
Fasene i nikkelbaserte enkryssale høytemperaturslegemer er hovedsakelig: γ-fase, γ'-fase, karbidfase og topologisk tett pakket fase (TCP-fase).
γ-fase: γ-fase er en austenittfase med et kristallstruktur av FCC, som er en fast løsning dannet av elementer som Cr, Mo, Co, W og Re som er opløst i nikkel.
γ'-fase: γ'-fase er et Ni3(Al, Ti) intermetallisk sammensetning av FCC, som dannes som en nedbrytningfase og opprettholder en viss sammenheng og uoverstemmelse med matrisefasen, og inneholder mye Al, Ti, Ta og andre elementer.
Karbidfase: Fra den andre generasjonen av nikkelsbaserte SX, legges en liten mengde C til, noe som fører til at karbidene dukker opp. En liten mengde karbid er spredt ut i matrisen, noe som forbedrer alleians høytemperaturytelser i en viss grad. Det deles vanligvis inn i tre typer: MC, M23C6 og M6C.
TCP-fase: I tilfelle av tjenesteyting, fremmer overdrevene refraktære elementer som Cr, Mo, W og Re opprettingen av TCP-fase. TCP danner vanligvis seg i form av en plate. Platestrukturen har en negativ innvirkning på ductilitet, krepp og utmattelseseiere. TCP-fase er en av krakkekildene for kreppbrudd.
Forsterkningsmekanisme
Styrken til nikkelbaserte superlegemer kommer fra koppelingen av flere forsterkningsmekanismer, herunder solidløsningsforsterkning, nedbrytningsforsterkning og varmebehandling for å øke dislokasjonsdensitet og utvikle dislokasjonsundestruktur for å gi forsterkning.
Solidløsningsforsterkning består i å forbedre den grunnleggende styrken ved å legge til ulike løselige elementer, blant annet Cr, W, Co, Mo, Re og Ru.
De ulike atomradiusene fører til en viss grad av atomgitterforvrengning, som hindrer dislokasjonsbevegelse. Solidløsningsforsterkning øker med økningen av atomsizedifferansen.
Fastløsningsforsterking har også effekten av å redusere stabelingsfeilenergien (SFE), hovedsakelig ved å hindre kryssgliding av dislokasjoner, som er den viktigste deformasjonsmodusen for ikke-ideelle krystaller ved høy temperatur.
Atomkluser eller mikrostrukturer med kort rekkevidde er en annen mekanisme som bidrar til forsterking gjennom fast løsning. Re atomer i SX segregerer i trakkjonsstressområdet av dislokasjonkjernen på γ/γ’-grensen, og danner en "Cottrell-atmosfære", som effektivt hindrer dislokasjonsbevegelse og sprrekonspredning. (Løsningsatomer konsektrerer i trakkjonsstressområdet av kanthensdislokasjoner, reduserer gitterforvrengning, danner en Coriolis-gassstruktur og produserer en sterke fastløsningsforsterkningseffekt. Effekten øker med økningen av løsningsatoms konvensiasjon og størrelsesforskjellen.)
Re, W, Mo, Ru, Cr, og Co forsterker effektivt γ-fasen. Den løysningsbaserte forsterkningen av γ-matrisa spiller en ekstremt viktig rolle i krypestyrken til nikkelbasete høytemperaturlegemer.
Effekten av nedsettningshårding påvirkes av volumfraksjonen og størrelsen på γ'-fasen. Målet med å optimalisere sammensetningen av høytemperaturslegemer er hovedsakelig å øke volumfraksjonen av γ'-fasen og forbedre mekaniske egenskaper. SX-høytemperaturslegemer kan inneholde 65%-75% av γ'-fasen, noe som fører til god kreepstyrke. Dette representerer den nyttige maksimumverdien av styrkeffekten fra γ/γ'-grenen, og en ytterligere økning vil føre til en betydelig reduksjon i styrke. Kreepstyrken til høytemperaturslegemer med høy volumfraksjon av γ’-fase påvirkes av størrelsen på γ’-fasepartiklene. Når γ’-fasen er liten, tenderer dislokasjoner til å klatre rundt den, hvilket fører til en reduksjon i kreepstyrke. Når dislokasjoner er tvunget til å skjære gjennom γ’-fasen, når kreepstyrken sin maksimum. Som γ’-fasepartiklene vokser i størrelse, tenderer dislokasjoner til å bue mellom dem, hvilket fører til en reduksjon i kreepstyrke [14].
Det finnes tre hovedmekanismer for nedbørshårdning:
Gittermismatch-hårdning: γ’-fasen er fordelt og nedbørsfasett i γ-fasematriksen på en kohærent måte. Begge er FCC-strukturer. Gittermismatchen speiler stabiliteten og spenningstilstanden ved den kohærente grensen mellom de to fasene. Den beste situasjonen er at matriksen og den nedbørsfaserte fassen har samme krystallstruktur og gitterparametere med samme geometri, slik at flere nedbørsfaserte faser kan fylles inn i γ-fasen. Mismatchomfanget for nikkelbaserte høytemperaturslegemer er 0~±1%. Re og Ru er tydelig fordelt med γ-fasen. Økningen av Re og Ru øker gittermismatchen.
Ordrehårdning: Dislokasjonsklipping vil forårsake uordning mellom matriksen og den nedbørsfaserte fassen, hvilket krever mer energi
Mekanisme for fordymforskyving: kalles Orowan-mekanisme (Orowan-buing), det er en styrkemekanisme der den nedsatt fase i metallmatrisen hindrer fordymningen i bevegelse fra å fortsette å flytte seg. Grunnprinsipp: Når den bevegende fordymningen møter et partikkel, kan den ikke gå gjennom, noe som fører til omgående oppførsel, vekst i fordymningslinje og at den nødvendige drivkrefta øker, hvilket resulterer i en styrkeeffekt.
3.3 Utvikling av kastemetoder for høytemperaturslegemer
Den tidligste legemet som ble brukt i høytemperatursmiljøer kan spores tilbake til oppfinnelsen av Nichrome i 1906. Oppkomsten av turbokompressorer og gass turbine motorener stimulerte den betydelige utviklingen av høytemperaturslegemer. De første generasjonene av gass turbine motorens lapper ble produsert ved ekstrusjon og formverking, noe som klart hadde begrensningene fra tiden. I dag er de fleste høytemperaturslegeme lappene produsert ved investeringsforming, spesifikt retningsspesifikk fastsetting (DS). DS-metoden ble først oppfunnet av Versnyder-laget ved Pratt & Whitney i USA i 1970-årene [3]. Gjennom årtier av utvikling har den foretrukne materialet for turbine lapper endret seg fra likestore krysskristaller til søyler av kristaller, og deretter optimert til enkeltkristall høytemperaturslegemematerialer.
DS-teknologien brukes til å produsere kolonneformet kjernealloy SX-komponenter, noe som betydelig forbedrer ductiliteten og motstandsdyktigheten mot termisk sjokk hos høytemperatursaloyer. DS-teknologien sørger for at de produserte kolonneformete krystallene har en [001]-retning, som er parallelle med den hovedstressaksen på delen, istedenfor en tilfeldig kristallorientering. I prinsippet må DS sørge for at solidifiseringen av smeltet metall i gjøret foregår med at det flytende metallforrådet alltid er i et nylig solidifisert tilstand.
Gjøret av kolonneformete krystaller må oppfylle to vilkår: (1) Enveisk varmefløde sørger for at fast-væskegrensen ved vekstpunktet til kornet beveger seg i én retning; (2) Det må ikke være noen kjernenett framfor bevegelsesretningen til fast-væskegrensen.
Ettersom bruddet av klingen vanligvis skjer i den høytemperaturte svake strukturen ved korn grensen, brukes en solidifiseringsform med en "kornvelger"-struktur under retningsmessig solidifisering for å eliminere korn grensen. Korsnittsstørrelsen på denne strukturen er nær kornstørrelsen, slik at bare et enkelt optimalt voksende korn kommer inn i formhulen av gjømselen, og deretter fortsetter å vokse i form av et enkeltkristall helt til hele klingen består av bare ett korn.
Kristallvelgeren kan deles inn i to deler: startblokken og spiralen:
Til begynnelsen av DS-prosessen, begynner kornene å nukleere på bunn av startblokken. I den tidlige fasen av kvekst, er antallet stor, størrelsen liten, og retningsforskjellen stor. Konkurranseforholdet mellom kornene dominerer, mens geometrisk blokkeringseffekt fra sidewallen er svak. På dette tidspunktet er retningsoptimerings-effekten tydelig; når høyden på kornene i startblokken øker, minker antallet på kornene, størrelsen øker, og retningen nærmer seg hverandre. Konkurranseforholdet mellom kornene reduseres, mens geometrisk blokkeringseffekt fra sidewallen dominerer, for å sikre at krysretningen kan kontinuerlig optimeres, men effekten av retningsoptimalisering svækkes. Ved å redusere radiusen til startblokken og øke høyden på startblokken, kan retningen til kornene som går inn i spiral-seksjonen effektivt optimeres. Likevel, ved å øke lengden på startblokken vil det forkorte den effektive vekstområdet til gjennomføringen, og gi deg en produksjons syklus og forberedelseskostnad. Derfor er det nødvendig å designe geometrisk strukturen av substratet på et rimelig måte.
Hovedfunksjonen til spiralen er å effektivt velge enkeltkristaller, mens evnen til å optimere kornretningen er svak. Når DS-prosessen foregår i en spiral, gir den kurvete kanalen plass for vekst av dendritiske grener, og de sekundære dendritene i kornene beveger seg i retning mot likviduslinjen. Kornene har en sterke horisontal utviklingstrend, og orienteringen på kornene er i et svingende tilstand, med en svak optimeringsvirksomhet. Derfor avhenger kornvalget i spiralen hovedsakelig geometrisk restriktionsfordel, konkurrativ vekstfordel og romlig ekspansjonsfordel for kornene i spiralsegmentet [7], snarere enn vekstfordelen ved den foretrukne orienteringen av kornene, som har en stor tilfeldighet [6]. Derfor er den hovedsakelige grunnen til mislykkedes kristallvalg at spiralen ikke spiller inn på valget av enkeltkristaller. Ved å øke den ytre diameteren på spiralen, redusere steget, diameteren på spiralyta, og redusere startvinkelen, kan kristallvalgeffekten forbedres betydelig.
Forberedelsen av hule enkristall-turbinsblader krever flere enn ett dusin trinn (smelting av materiale, forberedelse av enkristall membran-skall, forberedelse av keramiske kjerner med kompleks konfigurasjon, smeltet innfusjon, retningssolidifisering, varmebehandling, overflatebehandling, forberedelse av termisk barriereklebe osv.). Den komplekse prosessen er sterkt utsatt for ulike defekter, som vilde korn, froskler, småvinkelsgrenser, stripekristaller, retningsavvik, gjenkristallisering, storevinkelsgrenser og mislykket kristallvalg.
Hett nyhetar2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vår profesjonelle salgsavdeling venter på din konsultasjon.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
