Como são fabricadas as pás do rotor da turbina de alta pressão do motor aeronáutico?

O princípio de como são fabricadas as pás do rotor da turbina de alta pressão do motor de aeronave é muito simples, mas os diversos parâmetros neste processo exigem muitos experimentos para obter os parâmetros de cada nó, a composição dos materiais auxiliares e muita sorte.

Primeiro, as pás do rotor da turbina de alta pressão requerem dutos internos complexos de ar de resfriamento (veja a figura abaixo). Primeiro, os dutos internos de ar de resfriamento são feitos (excluindo os orifícios de ar de resfriamento, que serão discutidos posteriormente). O molde de cera é então fundido com uma cerâmica especial para formar os dutos de ar.

Depois de ter este molde de passagem de ar cerâmica, junte-o com o molde externo da lâmina e coloque-o no forno de fundição. O superalloy* fundido entra na cavidade do molde de cima para baixo (incluindo o molde interno de passagem de ar cerâmica e o molde externo de cera). É muito trabalhoso aplicar inúmeros revestimentos entre cada etapa de fabricação dos moldes. Empresas alemãs usam robôs para fazê-lo, e parece que a Rússia ainda usa pincéis manuais. Esses revestimentos determinam diretamente a qualidade da fundição, e a taxa de tolerância é extremamente baixa.

Neste momento, a máquina de fundição controlará rigorosamente a temperatura do superalloy fundido e então permitirá que ele se solidifique em uma superfície horizontal (isto é, o crescimento do cristal), de baixo para cima. Quando os cristais crescem em espiral (seletor de cristal), eles se comprimem e se selecionam mutuamente, e finalmente só resta um cristal que está mais próximo da direção pré-estabelecida, e esse cristal continuará a crescer para cima.

Porque o eixo de alta pressão precisa girar mais de 10.000 vezes, cada peça está sujeita a mais de 10 toneladas de força centrífuga, e como a resistência dos cristais de níquel em cada direção é diferente, sua diagonal (a direção mais forte) precisa estar dentro de 10 graus da direção da força centrífuga. (Mais uma coisa a dizer, a liga à base de níquel unidirecional usada no rotor da turbina de baixa pressão exige a direção do cristal, mas não apenas um cristal, porque o ponto de fusão do cristal único é 50K maior que o das policrostais (incluindo cristal unidirecional)).

A taxa de sucesso não é alta. Pelo que sei, muitas excelentes fábricas de fundição precisas na Alemanha desafiaram esse processo e acabaram falindo. O limiar realmente é muito alto.

Por fim, obtém-se o produto acabado e utiliza-se um álcali especial para dissolver o molde cerâmico da via aérea que resta na via aérea para fazer os orifícios de resfriamento. Existem orifícios feitos por eletrólise e orifícios eletroquímicos. Os orifícios mais comuns são feitos a laser. A forma dos orifícios também é muito complicada. Depois há o revestimento por eletrodo, que também é um conhecimento vasto.

A imagem abaixo mostra policristalino à esquerda, cristal unidirecional no meio e cristal único à direita.

No entanto, após o moldado, as lâminas não possuem os orifícios que conectam o ducto de ar de resfriamento interno e a superfície da lâmina. Isso geralmente é feito com laser. Como o ar de resfriamento perde muito pressão quando é extraído do compressor de alta pressão e flui do eixo oco até a turbina de alta pressão, embora o fluxo de ar principal também perca pressão ao passar pela câmara de combustão, e o processo do eixo até a lâmina tenha um certo efeito de compressão centrífuga e aumento de pressão, ainda é necessário uma pressão estática mais alta para direcionar o ar de resfriamento à superfície da lâmina. Nesse momento, é necessário um orifício com seção transversal expandida para tratar o ar de resfriamento, reduzir a pressão dinâmica e aumentar a pressão estática, e então o ar de resfriamento afasta o fluxo de ar quente do núcleo da superfície da lâmina (muita besteira). Além disso, uma velocidade muito alta causará que o resfriamento seja injetado diretamente no fluxo de ar principal, e ele tem outra função, que é formar uma camada de filme de ar de resfriamento na superfície da lâmina para protegê-la, o que exige redução de velocidade e aumento de pressão.

Portanto, este tipo de buraco precisa otimizar sua forma geométrica para diferentes posições. O furação a laser pode ser facilmente automatizada, mas a desvantagem é que haverá estresse na superfície interna.

A cauda do estator da turbina (cristal unidirecional, fora do assunto) precisa ser perfurada com orifícios de resfriamento de despertar para servir ao rotor da turbina subsequente. Este orifício é extremamente alongado e não pode suportar o estresse interno, então é feito usando corrosão eletroquímica. Claro, esses não são casos absolutos, e diferentes empresas têm métodos de processamento diferentes.

Depois de fazer isso, uma lâmina de turbina de cristal único foi obtida, mas ainda não foi revestida. As lâminas de turbinas modernas exigem um revestimento térmico de barreira de zircônia, um cerâmico de óxido de zircônio. Como é uma cerâmica, ela é frágil até certo ponto. Quando a turbina está funcionando, se houver uma pequena deformação, toda a peça pode se desprender e as lâminas da turbina derreterão imediatamente. Isso é absolutamente inaceitável dentro da Hangfa.

Então há o processo EB-PVD (Deposição Física a Vapor por Feixe Eletrônico), método de deposição a vapor.

Claro, existem muitas camadas de outros materiais antes de fazê-lo, como revestimento de platina (platina), projeção a plasma, entre outros. Também há uma camada para reforçar a zircônia e colá-la como uma cola. Claro, há pequenas diferenças entre cada empresa, e elas não são estáticas.

Primeiro, o feixe de elétrons emitido pelo canhão de elétrons é guiado pelo campo magnético e atinge o substrato de zircônia. O substrato bombardeado pelos elétrons entra em um estado gasoso, e a zircônia gasosa é direcionada para a superfície da lâmina para começar a crescer. A zircônia crescerá em pequenos bastonetes com um diâmetro de 1 micrômetro e comprimento de 50 micrômetros, cobrindo densamente a superfície das lâminas sem que os poros sejam revestidos. Como não é uma peça cerâmica inteira, os pequenos bastonetes podem se mover levemente uns em relação aos outros sem que a peça toda se descole, o que resolve o problema de falha causado por deformação.

A zircônia possui extrema dureza e condutividade térmica extremamente baixa, o que pode gerar um gradiente de temperatura muito acentuado entre o substrato de níquel e o fluxo de ar quente do núcleo. Com resfriamento interno e filme de ar, a lâmina pode funcionar por longos períodos com alta resistência e confiabilidade em um ambiente muito superior à sua própria temperatura de fusão.

Neste ponto, a superfície da lâmina está concluída. Para se encaixar na roda da turbina, a lâmina também precisa de uma raiz de lâmina com estrutura em forma de pinho ou encaixe macho-fêmea.

Como mencionado acima, cada lâmina da turbina suporta mais de dez toneladas de força centrífuga durante o trabalho, e a base da lâmina também precisa ser processada com muita precisão. A superliga à base de níquel é muito dura, resistente ao calor e muito difícil de processar.

A base da lâmina é polida. A lâmina é fixada por um dispositivo especial, e as mós superiores e inferiores com geometria oposta (moldes femininos) poluem para dentro.

Isso fará com que a pedra de moer falhe rapidamente, então uma pedra de moer diamantada positiva é adicionada ao lado de fora das duas pedras de moer para lixar continuamente a pedra de moer e mantê-la funcionando. Os diamantes industriais na roda diamantada são colados por robôs.

Após esses processos e inspeção, a lâmina está pronta para trabalhar. Ela é apenas uma parte de um motor de avião, e um motor de avião é apenas um módulo em um avião.