Łopatki turbin gazowych: przygotowanie kierunkowego krzepnięcia

Łopatka turbinowa jest podstawowym elementem gorącego odcinka turbiny gazowej, a jej badania i rozwój oraz produkcja są ważnym odbiciem skali rozwoju i poziomu technologicznego przemysłu danego kraju. Przedstawiono ostatnie postępy w dziedzinie technologii produkcji łopatek turbiny gazowej. Na podstawie badań zespołu badawczego wprowadzono postępy naukowe w obszarze kierunkowego zastygania łopatek turbiny gazowej oraz określono kierunki działania.

Technologia kierunkowej krzepnięcia odnosi się do technologii, która tworzy gradient temperatury w określonym kierunku za pomocą zewnętrznych środków podczas procesu krzepnięcia, aby krzepnięcie odbywało się w określonym kierunku. W trakcie krzepnięcia metali istnieje gradient temperatury w konkretnym kierunku między zakrzepioną częścią a niezakrzepniętym roztopem, co powoduje, że metal krzepnie w kierunku przeciwnym do przewodnictwa ciepła. Korzystając z technologii kierunkowego krzepnięcia, można uzyskać słupkowaty lub jednokrystaliczny materiał o określonej orientacji, a także przygotować łopatkę słupkowatą lub jednokrystaliczną, znacząco poprawiając jej wydajność.

W końcu lat 60. XX wieku Versnyder i inni zastosowali technologię kierunkowego krzepnięcia do produkcji superstopów, co lepiej kontrolowało orientację ziaren struktury krzepnącej, eliminując granice ziaren poprzecznych i znacząco poprawiając właściwości mechaniczne superstopów. Po latach badań technologia kierunkowego krzepnięcia rozwinęła metody: wydzielenia proszku egzotermicznego (EP), metodę redukcji mocy (PD), metodę szybkiego krzepnięcia (PD), tradycyjne techniki takie jak HRS [12] i chłodzenie ciekłym metalem (LMC). Obecnie szeroko stosowane są metody szybkiego krzepnięcia oraz chłodzenia ciekłym metalem.

Metoda wysokiej prędkości krzepnięcia to sposób, w którym odlewy poruszają się w jednym kierunku stopniowo z oddalania się od regionu o wysokiej temperaturze, aby osiągnąć pojedyncze kierunkowe krzepnięcie. Ta metoda poprawia problem, że gradient temperatury maleje stopniowo podczas procesu krzepnięcia. Zasada działania metody wysokiej prędkości krzepnięcia jest przedstawiona na Rysunku 1(a). Na dole pieca umieszczono adiabatyczną przegrodę, a na przegrodzie otwiera się usta nieco większe niż odlew. Wewnątrz pieca utrzymywana jest temperatura grzewcza. Podczas procesu krzepnięcia metalu, obudowa jest powoli opuszczana, tak że część metalu wystawiona na zewnątrz zaczyna się ochładzać i krzepnąć, podczas gdy roztopiony metal znajdujący się w piecu nadal pozostaje w stanie nagrzewanym, co tworzy gradient temperatury wzdłuż osi. Metoda wysokiej prędkości krzepnięcia ma wysoki i stabilny gradient temperatury oraz szybkość chłodzenia, co pozwala uzyskać długie krystaliczne kolumny i drobny strukturę, znacząco poprawiając właściwości mechaniczne odlewowych, ale gradient temperatury tej metody jest nadal niewystarczający, a podczas kierunkowego krzepnięcia grubych i dużych odlewowych mogą nadal występować defekty odlewu, takie jak plamy i nieczystości.