Pojedyncze krystaliczne łopatki turbinowe: przełom technologiczny, który przenika przez granice wysokich temperatur

1 Rozwój silników gazowych turbin lotniczych

W miarę jak rosnęły wymagania dotyczące wydajności samolotów w zakresie transportu, wojskowym, produkcji i innych celów, najwcześniejsze silniki spalinowe nie mogły już spełniać potrzeb szybkiego lotu. Dlatego od lat 50. XX wieku silniki gazowe stopniowo stały się dominujące.

W 1928 roku Sir Frank Whittle ze Wspólnoty Brytyjskiej w swojej pracy dyplomowej "Przyszły rozwój w konstrukcji samolotów" podczas studiów w akademii wojskowej stwierdził, że na podstawie wówczas obowiązujących umiejętności technicznych, przyszły rozwój silników śmigłowych nie będzie mógł sprostać potrzebom lotów na dużych wysokościach ani prędkościom przekraczającym 800 km/h. Po raz pierwszy zaproponował koncepcję tego, co dziś nazywamy silnikiem odrzutowym (motor silnik): skompresowany powietrze dostarczany jest do komory spalania (spalanie) za pomocą tradycyjnego tłoka, a wytworzony w ten sposób gaz o wysokiej temperaturze bezpośrednio służy do napędzania lotu, co można uznać za kombinację silnika śmigłowego z komorą spalania. W dalszych badaniach porzucił pomysł użycia ciężkiego i mało efektywnego tłoka, proponując zamiast tego użycie turbiny (turbina), która dostarcza skompresowanego powietrza do komory spalania, a moc turbiny pochodzi od wysokotemperaturowych gazów wydechowych. W 1930 roku Whittle zgłosił patent, a w 1937 roku opracował światowy pierwszy silnik turboodrzutowy ośrodkowy, który oficjalnie został użyty w samolocie Gloster E.28/39 w 1941 roku. Od tej pory silniki gazowe z turbiną zajęły dominującą pozycję w napędzie lotniczym i są ważnym symbolem poziomu naukowo-technologicznego przemysłu oraz ogólnej siły narodowej.

Silniki lotnicze mogą być podzielone na cztery podstawowe typy zgodnie z ich zastosowaniami i cechami konstrukcyjnymi: silniki turbojetowe, turbofanowe, turboszynowe i turbopropowe:

Gazoturbinowe silniki lotnicze nazywane są silnikami turbojetowymi, które są najstarszym rodzajem stosowanych gazoturbin. Z punktu widzenia sposobu generowania ciągu, silniki turbojetowe są najprostszymi i bezpośrednimi silnikami. Zasada działania opiera się na reakcji siły wywołanej przez wysokoprędkościowe wtryskiwanie wiru. Jednakże, wysokoprędkościowy strumień powietrza jednocześnie zabiera dużą ilość ciepła i kinetycznej energii, co prowadzi do znacznych strat energetycznych.

Silnik turbofanowy dzieli powietrze wpływające do silnika na dwie ścieżki: wewnętrzną rurę i zewnętrzną rurę, co zwiększa ogólne przepływy powietrza i obniża temperaturę oraz prędkość wydechowego strumienia powietrza z wnętrza rury.

Silniki turboszynowe i turbinowe o śrubie nie generują ciągu poprzez wtryskowanie strumienia powietrza, dlatego temperatura i prędkość spalin są znacznie obniżone, wydajność termiczna jest względnie wysoka, a wskaźnik zużycia paliwa przez silnik jest niski, co sprawia, że są one odpowiednie dla samolotów długodystansowych. Prędkość wirnika ogółem się nie zmienia, a różne ciagi uzyskuje się poprzez regulację kąta nachylenia łopatek.

Silnik propfan jest silnikiem pośrednim między turbinowym o śrubie a turbofanowym. Można go podzielić na silniki propfan z osłonami wirnikówowymi oraz bez nich. Silnik propfan jest najbardziej konkurencyjnym nowym oszczędającym energię silnikiem odpowiednim do lotów poddźwiękowych.

Silniki lotnicze przeszły ponad półwieczny rozwój. Struktura silnika ewoluowała od wczesnego silnika turbinowego o odśrodkowym przepływie, przez silnik o przepływie osiowym jednosprzęgowym, dalej do silników turbojetowych dwusprzęgowych, a następnie do silników turbofanowych o małym współczynniku obejmu powietrza, by w końcu dotrzeć do silników turbofanowych o wysokim współczynniku obejmu powietrza. Struktura była ciągle optymalizowana w poszukiwaniu wydajności i niezawodności. Temperatura na wejściu do turbiny wynosiła zaledwie 1200-1300K w pierwszym pokoleniu silników turbojetowych w latach 40. i 50. XX wieku. Zwiększała się o około 200K przy każdym ulepszeniu samolotu. Do lat 80., temperatura na wejściu do turbiny czwartego pokolenia zaawansowanych samolotów myśliwskich osiągnęła 1800-2000K[1].

Zasada działania wentylatorowego kompresora powietrza polega na tym, że wirnik napędza gaz do obrotu z wysoką prędkością, thanks do której gaz generuje siłę odśrodkową. W wyniku rozprężonego ciśnienia przepływu gazu w wirniku zwiększa się przepływ i ciśnienie gazu po przejściu przez wirnik, co prowadzi do ciągłego produkowania skompresowanego powietrza. Ma on małą wymiarę osiową i wysoki współczynnik ciśnienia jednostkowego. Wentylatorowy kompresor powietrza to taki kompresor, w którym przepływ powietrza odbywa się w zasadzie równolegle do osi wirnika obrotowego. Kompresor wentylatorowy składa się z wielu etapów, a każdy etap zawiera szereg łopatek wirnikowych i kolejny szereg łopatek statywowych. Wirnik to pracujące łopatki i koło, a statyw to przewodnik. Powietrze najpierw przyspiesza dzięki łopatkom wirnikowym, zwalnia i skompresowuje się w kanale łopatek statywowych, co powtarza się w wieloetapowych łopatkach, aż całkowity współczynnik ciśnienia osiągnie wymagany poziom. Kompresor wentylatorowy ma małą średnicę, co ułatwia jego stosowanie w wieloetapowych układach szeregowych w celu uzyskania wyższego współczynnika ciśnienia.   

Silniki turboodrzutowe zwykle używają współczynnika obejścia, stosunku ciśnienia silnika, temperatury na wejściu do turbiny oraz stosunku ciśnienia wentylatora jako parametrów projektowych:

Współczynnik obejścia (BPR): Stosunek masy gazu przepływającego przez zewnętrzne rurociągi do masy gazu przepływającego przez wewnętrzne rurociągi w silniku.Rotor z przodu silnika turboodrzutowego nazywany jest zwykle niskociśnieniowym kompresorem, a rotor z przodu silnika turbofan nazywany jest zwykle wentylatorem. Zwentylizowany gaz przechodzący przez niskociśnieniowy kompresor przechodzi przez wszystkie części silnika turboodrzutowego; gaz przechodzący przez wentylator dzieli się na wewnętrzne i zewnętrzne rurociągi. Od pojawienia się silników turbofan, BPR stale rośnie, a ten trend jest szczególnie widoczny w silnikach turbofan przeznaczonych dla użytku cywilnego.

Stosunek ciśnienia silnika (EPR): Stosunek całkowitego ciśnienia na wylocie dyszy do całkowitego ciśnienia na wejściu do kompresora.

Temperatura wejściowa do turbin: Temperatura wydechu z komory spalania przy wpływie do turbin.

Stosunek kompresji wentylatora: Oznaczany również jako stosunek kompresji, to stosunek ciśnienia gazu na wylocie kompresora do ciśnienia gazu na wejściu.

Dwie efektywności:

Efektywność termiczna: Miara tego, jak skutecznie silnik konwertuje energię cieplną wygenerowaną przez spalanie na energię mechaniczną.

Efektywność napędowa: Miara proporcji energii mechanicznej wygenerowanej przez silnik, która jest wykorzystywana do poruszania się samolotem.

2 Rozwój łopatek turbinowych

Iteracyjny rozwój

Weźmy na przykład silnik turbofanowy, gdzie wartość łopatek wynosi aż 35%, a są to kluczowe elementy w produkcji silników lotniczych. W silniku znajduje się od 3000 do 4000 lotniczych łopatek, które można podzielić na trzy kategorie: łopatki wentylatorowe, łopatki kompresora i łopatki turbinowe. Najwyższą wartość mają łopatki turbinowe, która dochodzi do 63%. Jednocześnie są to również łopatki o największej trudności produkcyjnej i kosztach wytwarzania w silnikach turbofanowych [2].

W latach 70. XX wieku Stany Zjednoczone jako pierwsze zastosowały łopatki PWA1422 o kierunkowym zatrwalnianiu w silnikach lotniczych wojskowych i cywilnych.

Po latach 80. współczynnik ciągu do masy trzeciego pokolenia silników wzrósł do ponad 8, a łopatki turbin zaczęły wykorzystywać pierwsze pokolenie SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 i chińskiego DD3. Ich zdolność przewodzenia ciepła jest o 80K wyższa niż u najlepszego stopu wysokotemperaturowego otrzymywanego metodą krzepnięcia kierunkowego, jakim jest PWA1422. Przewagi. W połączeniu z technologią chłodzenia filmowego jednokanałowych pustych struktur, temperatura pracy łopatek turbin osiąga 1600-1750K.

Czwarte pokolenie turbofanów używa drugiego pokolenia SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 i DD6. Dzięki dodaniu elementów Re oraz technologii chłodzenia wielokanałowego za pomocą wysokiego ciśnienia powietrza, temperatura pracy łopatek turbin osiąga 1800K-2000K. W temperaturze 2000K i przy obciążeniu przez 100h, długotrwała wytrzymałość wynosi 140MPa.

Trzecie pokolenie SX, rozwinięte po latach 90., obejmuje RenéN6, CMRX-10 i DD9, które mają bardzo wyraźne przewagi w zakresie odporności na czołganie się w porównaniu do drugiego pokolenia SX. Dzięki ochronie złożonych kanałów chłodzących i warstw barier termicznych, temperatura wpływu do turbiny, jaką mogą wytrzymać, dochodzi do 3000K. Intermetaliczny stop używany w łopatkach osiąga 2200K, a wytrzymałość na 100-godzinny obciążenie dochodzi do 100MPa.

Obecnie opracowywane są czwarte pokolenie SX reprezentowane przez MC-NG[4], TMS-138 itp., oraz piąte pokolenie SX reprezentowane przez TMS-162 itp. Skład tego stopu charakteryzuje się dodaniem nowych pierwiastków rzadkokrzemionowych, takich jak Ru i Pt, co znacząco poprawia wysokotemperaturową odporność na czołganie się SX. Temperatura pracy piątego pokolenia wysokotemperaturowego stopu osiągnęła 1150°C, co jest bliskie teoretycznemu granicznemu temperaturze pracy wynoszącej 1226°C.

3 Rozwój niklowych monokrystalicznych superstopów

3.1 Charakterystyka składu i skład fazowy superstopów jednokrystalicznych na bazie niklu

Zgodnie z rodzajem elementów macierzystych, stopy wysokotemperaturowe mogą być podzielone na te na bazie żelaza, nikułu i kobaltu, a następnie dalej podzielone na struktury makroskopowe otrzymane przez odlewnictwo, kuźnictwo i metalurgię proszków. Stopy na bazie nikułu mają lepsze właściwości wysokotemperaturowe niż pozostałe dwa typy stopów wysokotemperaturowych i mogą działać długo w surowych warunkach wysokich temperatur.

Stopy wysokotemperaturowe na bazie niklu zawierają co najmniej 50% Ni. Ich struktura FCC sprawia, że są one bardzo kompatybilne z niektórymi elementami stopów. Liczba elementów stopniowych dodanych podczas procesu projektowania często przekracza 10. Wspólność dodanych pierwiastków stopu klasyfikuje się następująco: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo i W są pierwotnymi pierwiastkami, które służą jako stabilizujące pierwiastki austenitowe; (2) Al, Ti, Ta i Nb mają większe promienie atomowe, Ich rozmiar atomowy jest znacznie mniejszy niż atomów Ni i są łatwo oddzielać do granicy ziarna fazy γ, odgrywając rolę w wzmocnieniu granicy ziarna [14].

Fazy stopów jednokrystałowych wysokotemperaturowych na bazie niklu to głównie: faza γ, faza γ', faza węglika i faza topologiczna zamknięta (faza TCP).

faza γ: Faza γ to faza austenityczna o strukturze krystalicznej FCC, która jest stałą roztworą utworzoną przez elementy takie jak Cr, Mo, Co, W i Re rozpuszczające się w niklu.

faza γ': Faza γ' to międwspółcześnie intermetaliczny związek Ni3(Al, Ti) o strukturze FCC, który tworzy się jako faza wydzielnikowa, zachowując określoną spójność i niezgodność z fazą macierzystą, bogatą w Al, Ti, Ta oraz inne elementy.

Faza karboidowa: Od drugiej generacji niklowych stopów SX dodawany jest mały udział węgla, co powoduje pojawienie się karboidów. Mała ilość karboidów rozpraszona w macierzy poprawia do pewnego stopnia wytrzymałość wysokotemperaturową stopu. Zazwyczaj dzieli się je na trzy typy: MC, M23C6 i M6C.

Faza TCP: W przypadku starzenia się usługi, zbyt duże ilości odpornych składników, takich jak Cr, Mo, W i Re, sprzyjają wydzieleniu się fazy TCP. Faza TCP zwykle powstaje w postaci płyty. Struktura płytowa negatywnie wpływa na wytrzymałość na wydłużenie, czołowanie oraz właściwości zmęczeniowe. Faza TCP jest jedną z źródeł pęknięć przy czołowym pękaniu.

Mechanizm wzmacniania

Moc stopów superalowów niklowych pochodzi z sprzężenia wielu mechanizmów wzmacniania, w tym wzmacniania przez roztwór stały, wzmacniania przez wydzielinę oraz obróbki cieplnej w celu zwiększenia gęstości dyslokacji i rozwoju podstruktury dyslokacyjnej w celu zapewnienia wzmacniania.

Wzmacnianie przez roztwór stały polega na poprawie podstawowej wytrzymałości poprzez dodawanie różnych rozpuszczalnych elementów, w tym Cr, W, Co, Mo, Re i Ru.

Różne promienie atomowe prowadzą do pewnego stopnia deformacji siatki atomowej, co hamuje ruch dyslokacji. Wzmacnianie przez roztwór stały zwiększa się wraz ze wzrostem różnicy w rozmiarze atomów.

Umacnianie roztworem stały również ma wpływ na zmniejszenie energii błędu warstwienia (SFE), głównie hamując krzyżowe ślizgi dyslokacji, które są głównym trybem deformacji nieidealnych kryształów przy wysokich temperaturach.

Klaster atomowe lub mikrostruktury o krótkim zasięgu porządku są kolejnym mechanizmem, który pomaga uzyskać umacnianie przez roztwór stały. Atomy Re w SX segregują się w strefie naprężenia rozciągającego w rdzeniu dyslokacji na interfejsie γ/γ’, tworząc "atmosferę Cottrella", która skutecznie uniemożliwia ruch dyslokacji i rozprzestrzenianie się pęknięć. (Atomy rozpuszczone koncentrują się w obszarze naprężenia rozciągającego dyslokacji krawędziowych, zmniejszając odkształcenie siatki krystalicznej, tworząc strukturę gazu Coriolisa i wywołując silne umacnianie przez roztwór stały. Ten efekt wzrasta wraz ze zwiększeniem stężenia atomów rozpuszczonych i różnicą w rozmiarze).

Re, W, Mo, Ru, Cr oraz Co w sposób skuteczny wzmacniają fazę γ. Umocnienie roztworu stałego macierzy γ odgrywa ekstremalnie ważną rolę w odporności na pełzanie haptycznych stopów niklowych.

Efekt wzmocnienia przez krzepnięcie zależy od ułamka objętościowego i rozmiaru fazy γ'. Cele optymalizacji składu stopów wysokotemperaturowych dotyczą przede wszystkim zwiększenia ułamka objętościowego fazы γ' oraz poprawy właściwości mechanicznych. W stopach SX wysokotemperaturowych może wystąpić 65-75% fazy γ', co zapewnia dobre odporności na pełzanie. Reprezentuje to przydatną maksymalną wartość efektu wzmocnienia interfejsu γ/γ', a dalsze zwiększenie spowodowałoby znaczące obniżenie wytrzymałości. Wytrzymałość na pełzanie stopów wysokotemperaturowych o wysokim ułamku objętościowym fazy γ' zależy od rozmiaru cząstek fazy γ'. Gdy rozmiar fazy γ' jest mały, dyslokacje mają tendencję do obejścia jej, co prowadzi do obniżenia wytrzymałości na pełzanie. Gdy dyslokacje są zmuszone przecinać fazę γ', osiąga się maksymalną wytrzymałość na pełzanie. W miarę wzrostu rozmiaru cząstek fazy γ', dyslokacje mają tendencję do gięcia między nimi, co powoduje obniżenie wytrzymałości na pełzanie [14].

Istnieje trzy główne mechanizmy wzmocnienia poprzez wydzielinę:

Wzmocnienie przez niezgodność siatki krystalicznej: fazą γ’ jest rozpraszana i wykrystalizowana w macierzy fazy γ w sposób spójny. Obie są strukturami FCC. Niezgodność siatki odbija stabilność i stan naprężenia spójnej granicy między dwiema fazami. Najlepszym przypadkiem jest taki, że macierz i faza wydzielinowa mają taką samą strukturę krystaliczną i parametry siatki o tej samej geometrii, aby można było wypełnić więcej faz wydzielinowych w fazie γ. Zakres niezgodności dla niklowych stopów wysokotemperaturowych wynosi 0~±1%. Re i Ru są wyraźnie segregowane z fazą γ. Zwiększenie zawartości Re i Ru powoduje zwiększenie niezgodności siatki.

Wzmocnienie przez uporządkowanie: Przecinanie dyslokacji spowoduje dezordynację między macierzą a fazą wydzielinową, co wymaga większej ilości energii.

Mechanizm obejścia dyslokacji: nazywany mechanizmem Orowana (Orowan bowing), jest to mechanizm wzmacniania, w którym fazę wytrąconą w macicy metalowej hamuje ona ruch dyslokacji, uniemożliwiając jej dalszy ruch. Podstawowy zasada: Gdy poruszająca się dyslokacja napotyka cząstkę, nie może przez nią przejść, co prowadzi do zachowania obejścia, wzrostu linii dyslokacji oraz zwiększenia wymaganej siły napędzającej, co powoduje efekt wzmacniający.

3.3 Rozwój metod wyrabiania stopów wysokotemperaturowych

Najstarszy stop używany w środowiskach o wysokich temperaturach można przypisać wynalazkowi nichromu w 1906 roku. Pojawienie się turbokompresorów i silników gazowych z turbiną zainspirowało dynamiczny rozwój stopów o wysokich temperaturach. Łopatki pierwszej generacji silników gazowych produkowano metodami ekstruzji i kucia, co oczywiście miało ograniczenia związane z tamtym okresem. Obecnie łopatki turbin zrobione są z wykorzystaniem inwestycyjnego odlewania, konkretnie metody kierunkowego krzepnięcia (DS). Metoda DS została po raz pierwszy wynaleziona przez zespół Versnydera z Pratt & Whitney w Stanach Zjednoczonych w latach 70. XX wieku [3]. W ciągu dziesięcioleci rozwoju preferowany materiał do łopatek turbin zmienił się z krystalitów równoosiowych na krystalitów kolumnowych, a następnie zoptymalizowany do materiałów jednokrystalicznych z grupy stopów o wysokich temperaturach.

Technologia DS jest wykorzystywana do produkcji komponentów z kolumnowego rdzeniowego stopu SX, co znacząco poprawia plastyczność i odporność na termiczne szoki wysokotemperaturowych stopów. Technologia DS zapewnia, że wytworzona kolumna kryształów ma orientację [001], która jest równoległa do głównej osi naprężenia części, a nie ma losowej orientacji krystalicznej. Zasada działania technologii DS polega na zapewnieniu, aby solidyfikacja metalu w odlewie odbywała się w stanie, w którym metal podajnikowy zawsze znajduje się w stanie dopiero solidyfikującego się.

Odlew kryształów kolumnowych musi spełniać dwa warunki: (1) Jednokierunkowy przepływ ciepła zapewnia, że interfejs stała-ciekła w punkcie wzrostu ziarna porusza się w jednym kierunku; (2) Przed poruszającym się interfejsem stała-ciekła nie może dochodzić do nukleacji.

Ponieważ pęknięcie ostrza zwykle występuje w wysokotemperaturowej słabej strukturze międzyziarnistej, aby wyeliminować granice ziaren, podczas procesu kierunkowego krzepnięcia stosuje się formę krzepnącą z konstrukcją "selektora ziaren". Rozmiar przekroju tej struktury jest bliski rozmiarowi ziarna, dzięki czemu tylko jedno optymalnie rosnące ziarno wpada do jamy formowanej w odlewie, a następnie kontynuuje wzrost w postaci krystalu jednoskładnikowego, aż całe ostrze składa się z jednego ziarna.

Selektor krystaliczny można podzielić na dwie części: blok startowy i spiralę:

Na początku procesu DS, ziarna zaczynają się krystalizować na dnie bloku startowego. W wczesnym etapie wzrostu ziaren, ich liczba jest duża, rozmiar mały, a różnica w orientacji znaczna. Dominuje konkurencyjne zachowanie wzrostowe między ziarnami, a efekt geometrycznej blokady przez ścianki boczne jest słaby. W tym momencie efekt optymalizacji orientacji jest oczywisty; gdy wysokość ziaren w bloku startowym rośnie, liczba ziaren zmniejsza się, rozmiar wzrasta, a orientacja staje się bliższa. Konkurencyjne zachowanie wzrostowe między ziarnami maleje, a geometryczny efekt blokady przez ścianki boczne staje się dominujący, co zapewnia ciągłą optymalizację kierunku krystaliczego, ale efekt optymalizacji orientacji osłabnia się. Poprzez zmniejszenie promienia bloku startowego i zwiększenie jego wysokości można skutecznie zoptymalizować orientację ziaren wchodzącą do sekcji spiralnej. Jednakże, zwiększenie długości bloku startowego skróci efektywną przestrzeń wzrostu odlewu i wpłynie na cykl produkcyjny oraz koszt przygotowań. Dlatego konieczne jest rozsądne zaprojektowanie struktury geometrycznej podłoża.

Głównym zadaniem spirali jest efektywny wybór pojedynczych krystalitów, a zdolność optymalizacji orientacji ziaren jest słaba. Podczas gdy proces DS jest wykonywany w spirali, zakrzywiony kanał dostarcza przestrzeni dla wzrostu gałęzi dendrytów, a sekundarne dendryty ziaren posuwają się w kierunku linii liquidus. Ziarna mają silny trend do rozwoju bocznego, a orientacja ziaren znajduje się w stanie wahania, z słabym efektem optymalizacji. Dlatego wybór ziaren w spirali zależy głównie od przewagi geometrycznej ograniczenia, przewagi konkurencyjnego wzrostu oraz przewagi przestrzennego rozwinięcia ziaren w segmencie spiralnym [7], a nie od przewagi wzrostu preferowanej orientacji ziaren, która ma silny charakter losowy [6]. Dlatego główną przyczyną niepowodzenia selekcji krystalicznej jest fakt, że spirala nie spełnia roli selekcji pojedynczych krystalitów. Poprzez zwiększenie zewnętrznej średnicy spirali, zmniejszenie kroku, średnicy powierzchni spiralnej oraz zmniejszenie kąta początkowego, efekt selekcji krystalicznej może zostać znacząco poprawiony.

Przygotowanie pustotniczych ostrzy z jednokrystalicznego materiału wymaga ponad tuzina kroków (wytapianie stopu podstawowego, przygotowywanie otoczki membranowej z pojedynczej krztalicy, przygotowywanie skomplikowanego rdzenia ceramicznego, wlewanie roztopionego metali, kierunkowe tworzenie się stałości, obróbka cieplna, obróbka powierzchniowa, przygotowywanie termicznej warstwy barierowej itp.). Złożony proces ten jest podatny na różne defekty, takie jak błądzące ziarna, plamy, małokątne granice ziaren, paski krystaliczne, odchylenia orientacji, rekryształtacja, dużokątne granice ziaren oraz niepowodzenie selekcji krystalicznej.