Lâminas de turbina monocristalinas: um avanço tecnológico que rompe os limites de alta temperatura

1 Desenvolvimento de motores de turbina a gás para aviação

À medida que os requisitos de desempenho para aeronaves de transporte, militares, produção e outros propósitos aumentaram, os primeiros motores a pistão não conseguiam mais atender às necessidades de voo em alta velocidade. Portanto, desde a década de 1950, os motores de turbina a gás gradualmente se tornaram populares.

Em 1928, Sir Frank Whittle do Reino Unido destacou em sua tese de graduação "Desenvolvimento Futuro em Design de Aeronaves" enquanto estudava na academia militar que, sob o conhecimento técnico da época, o desenvolvimento futuro de motores de hélice não poderia se adaptar às necessidades de alta altitude ou velocidades de voo superiores a 800 km/h. Ele primeiro propôs o conceito do que hoje é chamado de motor a jato (motor): o ar comprimido é fornecido à câmara de combustão (combustão) por meio de um pistão tradicional, e o gás de alta temperatura gerado é usado diretamente para impulsionar o voo, o que pode ser considerado um motor de hélice mais um projeto de câmara de combustão. Em pesquisas subsequentes, ele abandonou a ideia de usar um pistão pesado e ineficiente e propôs usar uma turbina (turbina) para fornecer ar comprimido à câmara de combustão, e a potência da turbina foi obtida a partir do gás de exaustão de alta temperatura. Em 1930, Whittle solicitou uma patente e, em 1937, desenvolveu o primeiro motor turbojato centrífugo do mundo, que foi oficialmente usado na aeronave Gloster E.28/39 em 1941. Desde então, os motores de turbina a gás dominam a potência da aviação e são um símbolo importante do nível industrial científico e tecnológico de um país e da força nacional abrangente.

Os motores de aeronaves podem ser divididos em quatro tipos básicos de acordo com seus usos e características estruturais: motores turbojato, motores turbofan, motores turboeixo e motores turboélice:

Os motores de turbina a gás de aviação são chamados de motores turbojato, que são os primeiros motores de turbina a gás usados. Da perspectiva da maneira como o empuxo é gerado, os motores turbojato são os motores mais simples e diretos. O raciocínio depende da força de reação gerada pela injeção de alta velocidade do vórtice. No entanto, o fluxo de ar de alta velocidade retira muito calor e energia cinética ao mesmo tempo, causando grande perda de energia.

O motor turbofan divide o ar que flui para dentro do motor em dois caminhos: o duto interno e o duto externo, o que aumenta o fluxo total de ar e reduz a temperatura de exaustão e a velocidade do fluxo de ar do duto interno.

Os motores turboeixo e turboélice não geram empuxo por injeção de fluxo de ar, então a temperatura e a velocidade do escapamento são bastante reduzidas, a eficiência térmica é relativamente alta e a taxa de consumo de combustível do motor é baixa, o que é adequado para aeronaves de longo alcance. A velocidade da hélice geralmente não muda, e diferentes empuxos são obtidos ajustando o ângulo da lâmina.

O motor propfan é um motor entre motores turboélice e turbofan. Ele pode ser dividido em motores propfan com caixas de hélice canalizadas e motores propfan sem caixas de hélice canalizadas. O motor propfan é o motor de economia de energia mais competitivo e adequado para voo subsônico.

Os motores aeroespaciais civis passaram por mais de meio século de desenvolvimento. A estrutura do motor evoluiu do motor de turbina centrífuga inicial para o motor de fluxo axial de rotor único, do motor turbojato de rotor duplo para o motor turbofan de baixa taxa de desvio e, em seguida, para o motor turbofan de alta taxa de desvio. A estrutura foi continuamente otimizada com a busca de eficiência e confiabilidade. A temperatura de entrada da turbina era de apenas 1200-1300K na primeira geração de motores turbojato nas décadas de 1940 e 1950. Ela aumentou em cerca de 200K com cada atualização da aeronave. Na década de 1980, a temperatura de entrada da turbina dos jatos de caça avançados de quarta geração atingiu 1800-2000K[1].

O princípio do compressor de ar centrífugo é que o impulsor aciona o gás para girar em alta velocidade, de modo que o gás gere força centrífuga. Devido ao fluxo de pressão de expansão do gás no impulsor, a vazão e a pressão do gás após passar pelo impulsor são aumentadas, e o ar comprimido é produzido continuamente. Ele tem uma dimensão axial curta e uma alta taxa de pressão de estágio único. O compressor de ar de fluxo axial é um compressor no qual o fluxo de ar flui basicamente paralelo ao eixo do impulsor rotativo. O compressor de fluxo axial consiste em vários estágios, cada estágio contém uma fileira de pás do rotor e uma fileira subsequente de pás do estator. O rotor são as pás de trabalho e a roda, e o estator é o guia. O ar é primeiro acelerado pelas pás do rotor, desacelerado e comprimido no canal da pá do estator e repetido nas pás de vários estágios até que a taxa de pressão total atinja o nível necessário. O compressor de fluxo axial tem um diâmetro pequeno, o que é conveniente para uso em tandem de vários estágios para obter uma taxa de pressão mais alta.  

Os motores turbofan geralmente usam a taxa de desvio, a taxa de pressão do motor, a temperatura de entrada da turbina e a taxa de pressão do ventilador como parâmetros de projeto:

Razão de desvio (BPR): A razão entre a massa de gás que flui pelos dutos de saída e a massa de gás que flui pelos dutos internos do motor. O rotor na frente de um motor turbojato é geralmente chamado de compressor de baixa pressão, e o rotor na frente de um motor turbofan é geralmente chamado de fan. O gás pressurizado que passa pelo compressor de baixa pressão passa por todas as partes do motor turbojato; o gás que passa pelo fan é dividido nos dutos interno e externo. Desde o surgimento dos motores turbofan, o BPR vem aumentando, e essa tendência é particularmente evidente em motores turbofan civis.

Relação de pressão do motor (EPR): A relação entre a pressão total na saída do bico e a pressão total na entrada do compressor.

Temperatura de entrada da turbina: A temperatura do escapamento da câmara de combustão quando entra na turbina.

Taxa de compressão do ventilador: também chamada de taxa de compressão, é a relação entre a pressão do gás na saída do compressor e a pressão do gás na entrada.

Duas eficiências:

Eficiência térmica: Uma medida de quão eficientemente um motor converte a energia térmica gerada pela combustão em energia mecânica.

Eficiência de propulsão: Uma medida da proporção da energia mecânica gerada pelo motor que é usada para impulsionar a aeronave.

2 Desenvolvimento de lâminas de turbina

Desenvolvimento iterativo

Tomando um motor turbofan como exemplo, o valor das lâminas é responsável por até 35%, e elas são um componente crítico na fabricação de motores de aeronaves. Em um motor, há de 3,000 a 4,000 lâminas de aviação, que podem ser divididas em três categorias: lâminas de ventilador, lâminas de compressor e lâminas de turbina. O valor das lâminas de turbina é o mais alto, chegando a 63%. Ao mesmo tempo, elas também são as lâminas com maior dificuldade de fabricação e custo de fabricação em motores turbofan [2].    

Na década de 1970, os Estados Unidos foram os primeiros a usar lâminas de solidificação direcional PWA1422 em motores de aeronaves militares e civis.

Após a década de 1980, a relação empuxo-peso do motor de terceira geração aumentou para mais de 8, e as lâminas da turbina começaram a usar o SX de primeira geração, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 e DD3 da China. Sua capacidade de suportar temperatura é 80K maior do que a da melhor liga de alta temperatura de fundição de solidificação direcional PWA1422. Vantagens. Juntamente com a tecnologia oca de canal único de resfriamento de filme, a temperatura operacional das lâminas da turbina atinge 1600-1750K. .

O motor turbofan de quarta geração usa o SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 e DD6 de segunda geração. Ao adicionar elementos Re e tecnologia de resfriamento de ar de alta pressão multicanal, a temperatura operacional das lâminas da turbina atinge 1800K-2000K. A 2000K e 100h A resistência duradoura atinge 140MPa.

A terceira geração do SX desenvolvida após a década de 1990 inclui RenéN6, CMRX-10 e DD9, que têm vantagens de resistência à fluência muito óbvias sobre a segunda geração do SX. Sob a proteção de canais de resfriamento complexos e revestimentos de barreira térmica, a temperatura de entrada da turbina que ele pode suportar atinge 3000K. A liga composta intermetálica usada nas lâminas atinge 2200K, e a resistência duradoura de 100h atinge 100MPa.

Atualmente em desenvolvimento estão a quarta geração SX representada por MC-NG[4], TMS-138, etc., e a quinta geração SX representada por TMS-162, etc. Sua composição é caracterizada pela adição de novos elementos de terras raras, como Ru e Pt, o que melhora significativamente o desempenho de fluência em alta temperatura do SX. A temperatura de trabalho da liga de alta temperatura de quinta geração atingiu 1150°C, o que está próximo da temperatura operacional limite teórica de 1226°C.

3 Desenvolvimento de superligas monocristalinas à base de níquel

3.1 Características de composição e composição de fases de superligas monocristalinas à base de níquel

De acordo com o tipo de elementos da matriz, ligas de alta temperatura podem ser divididas em à base de ferro, à base de níquel e à base de cobalto, e ainda subdivididas em macroestruturas de fundição, forjamento e metalurgia do pó. Ligas à base de níquel têm melhor desempenho em alta temperatura do que os outros dois tipos de ligas de alta temperatura e podem trabalhar por um longo tempo em ambientes severos de alta temperatura.

Ligas de alta temperatura à base de níquel contêm pelo menos 50% de Ni. Sua estrutura FCC as torna altamente compatíveis com alguns elementos de liga. O número de elementos de liga adicionados durante o processo de projeto geralmente excede 10. A comunalidade dos elementos de liga adicionados é classificada da seguinte forma: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo e W são elementos de primeira classe, que servem como elementos estabilizadores de austenita; (2) Al, Ti, Ta e Nb têm raios atômicos maiores, que promovem a formação de fases de fortalecimento, como o composto Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), e são elementos de segunda classe; (3) B, C e Zr são elementos de terceira classe. Seu tamanho atômico é muito menor do que o dos átomos de Ni, e eles são facilmente segregados para os limites de grão da fase γ, desempenhando um papel no fortalecimento do limite de grão [14].

As fases das ligas monocristalinas de alta temperatura à base de níquel são principalmente: fase γ, fase γ', fase de carboneto e fase topológica compacta (fase TCP).

Fase γ: a fase γ é uma fase austenítica com estrutura cristalina de FCC, que é uma solução sólida formada por elementos como Cr, Mo, Co, W e Re dissolvidos em níquel.

Fase γ': a fase γ' é um composto intermetálico Ni3(Al, Ti) do FCC, que é formado como uma fase de precipitação e mantém uma certa coerência e incompatibilidade com a fase da matriz, e é rico em Al, Ti, Ta e outros elementos.

Fase de carboneto: A partir da segunda geração de SX à base de níquel, uma pequena quantidade de C é adicionada, resultando no aparecimento de carbonetos. Uma pequena quantidade de carbonetos é dispersa na matriz, o que melhora o desempenho de alta temperatura da liga até certo ponto. Geralmente é dividido em três tipos: MC, M23C6 e M6C.

Fase TCP: No caso de envelhecimento de serviço, elementos refratários excessivos como Cr, Mo, W e Re promovem a precipitação da fase TCP. O TCP é geralmente formado na forma de uma placa. A estrutura da placa tem um impacto negativo nas propriedades de ductilidade, fluência e fadiga. A fase TCP é uma das fontes de trincas de ruptura por fluência.

Mecanismo de Fortalecimento

A resistência das superligas à base de níquel vem do acoplamento de múltiplos mecanismos de endurecimento, incluindo reforço por solução sólida, reforço por precipitação e tratamento térmico para aumentar a densidade de discordância e desenvolver subestrutura de discordância para fornecer reforço.

O endurecimento por solução sólida visa melhorar a resistência básica adicionando diferentes elementos solúveis, incluindo Cr, W, Co, Mo, Re e Ru.

Os diferentes raios atômicos levam a um certo grau de distorção da rede atômica, o que inibe o movimento de discordância. O fortalecimento da solução sólida aumenta com o aumento da diferença de tamanho atômico.

O reforço da solução sólida também tem o efeito de reduzir a energia de falha de empilhamento (SFE), inibindo principalmente o deslizamento cruzado de discordância, que é o principal modo de deformação de cristais não ideais em altas temperaturas.

Aglomerados atômicos ou microestruturas de ordem de curto alcance são outro mecanismo que ajuda a obter fortalecimento por meio de solução sólida. Átomos de Re em SX segregam na região de tensão de tração do núcleo de discordância na interface γ/γ', formando uma "atmosfera de Cottrell", que efetivamente previne o movimento de discordância e a propagação de trincas. (Átomos de soluto são concentrados na área de tensão de tração de discordâncias de borda, reduzindo a distorção da rede, formando uma estrutura de gás Coriolis e produzindo um forte efeito de fortalecimento de solução sólida. O efeito aumenta com o aumento da concentração de átomos de soluto e o aumento da diferença de tamanho)

Re, W, Mo, Ru, Cr e Co fortalecem efetivamente a fase γ. O fortalecimento da solução sólida da matriz γ desempenha um papel extremamente importante na resistência à fluência de ligas de alta temperatura à base de níquel.

O efeito de endurecimento por precipitação é afetado pela fração de volume e tamanho da fase γ'. O objetivo de otimizar a composição de ligas de alta temperatura é principalmente aumentar a fração de volume da fase γ' e melhorar as propriedades mecânicas. As ligas SX de alta temperatura podem conter 65%-75% da fase γ', resultando em boa resistência à fluência. Isso representa o valor máximo útil do efeito de fortalecimento da interface γ/γ', e um aumento adicional levará a uma diminuição significativa na resistência. A resistência à fluência de ligas de alta temperatura com uma alta fração de volume da fase γ' é afetada pelo tamanho das partículas da fase γ'. Quando o tamanho da fase γ' é pequeno, as discordâncias tendem a subir ao redor dela, resultando em uma diminuição na resistência à fluência. Quando as discordâncias são forçadas a cortar a fase γ', a resistência à fluência atinge seu máximo. À medida que as partículas da fase γ' aumentam de tamanho, as discordâncias tendem a se dobrar entre elas, resultando em uma diminuição na resistência à fluência [14].

Existem três mecanismos principais de fortalecimento da precipitação:

Fortalecimento da incompatibilidade de rede: a fase γ' é dispersa e precipitada na matriz da fase γ de forma coerente. Ambas são estruturas FCC. A incompatibilidade de rede reflete a estabilidade e o estado de estresse da interface coerente entre as duas fases. O melhor caso é que a matriz e a fase precipitada tenham a mesma estrutura cristalina e parâmetros de rede da mesma geometria, de modo que mais fases precipitadas possam ser preenchidas na fase γ. A faixa de incompatibilidade de ligas de alta temperatura à base de níquel é de 0~±1%. Re e Ru são obviamente segregados com a fase γ. O aumento de Re e Ru aumenta a incompatibilidade de rede.

Fortalecimento da ordem: O corte por deslocamento causará desordem entre a matriz e a fase precipitada, exigindo mais energia

Mecanismo de desvio de deslocamento: chamado mecanismo Orowan (curvatura de Orowan), é um mecanismo de fortalecimento no qual a fase precipitada na matriz metálica impede que o deslocamento em movimento continue a se mover. Princípio básico: quando o deslocamento em movimento encontra uma partícula, ele não consegue passar, resultando em comportamento de desvio, crescimento da linha de deslocamento e a força motriz necessária aumenta, resultando em efeito de fortalecimento.

3.3 Desenvolvimento de métodos de fundição de ligas de alta temperatura

A primeira liga usada em ambientes de alta temperatura pode ser rastreada até a invenção do Nichrome em 1906. O surgimento de turbocompressores e motores de turbina a gás estimulou o desenvolvimento substancial de ligas de alta temperatura. As lâminas da primeira geração de motores de turbina a gás foram produzidas por extrusão e forjamento, o que obviamente tinha as limitações da época. Atualmente, as lâminas de turbina de liga de alta temperatura são feitas principalmente por fundição de investimento, especificamente solidificação direcional (DS). O método DS foi inventado pela primeira vez pela equipe Versnyder da Pratt & Whitney nos Estados Unidos na década de 1970 [3]. Nas décadas de desenvolvimento, o material preferido para lâminas de turbina mudou de cristais equiaxiais para cristais colunares e, então, otimizados para materiais de liga de alta temperatura de cristal único.

A tecnologia DS é usada para produzir componentes de liga de núcleo colunar SX, o que melhora significativamente a ductilidade e a resistência ao choque térmico de ligas de alta temperatura. A tecnologia DS garante que os cristais colunares produzidos tenham uma orientação [001], que é paralela ao eixo de tensão principal da peça, em vez de uma orientação de cristal aleatória. Em princípio, a DS precisa garantir que a solidificação do metal fundido na fundição seja realizada com o metal de alimentação líquido sempre em um estado recém-solidificado.

A fundição de cristais colunares precisa atender a duas condições: (1) O fluxo de calor unidirecional garante que a interface sólido-líquido no ponto de crescimento do grão se mova em uma direção; (2) Não deve haver nucleação na frente da direção de movimento da interface sólido-líquido.

Como a fratura da lâmina geralmente ocorre na estrutura fraca de alta temperatura do contorno do grão, para eliminar o contorno do grão, um molde de solidificação com uma estrutura de "seletor de grãos" é usado durante o processo de solidificação direcional. O tamanho da seção transversal dessa estrutura é próximo ao tamanho do grão, de modo que apenas um único grão cultivado de forma ideal entra na cavidade do molde da fundição e, então, continua a crescer na forma de um único cristal até que toda a lâmina seja composta de apenas um grão.

O seletor de cristal pode ser dividido em duas partes: o bloco inicial e a espiral:

No início do processo DS, os grãos começam a nuclear na parte inferior do bloco inicial. No estágio inicial do crescimento dos grãos, o número é grande, o tamanho é pequeno e a diferença de orientação é grande. O comportamento de crescimento competitivo entre os grãos domina, e o efeito de bloqueio geométrico da parede lateral é fraco. Neste momento, o efeito de otimização da orientação é óbvio; quando a altura dos grãos no bloco inicial aumenta, o número de grãos diminui, o tamanho aumenta e a orientação é próxima. O comportamento de crescimento competitivo entre os grãos diminui e o efeito de bloqueio geométrico da parede lateral domina, garantindo que a direção do cristal possa ser continuamente otimizada, mas o efeito de otimização da orientação é enfraquecido. Ao reduzir o raio do bloco inicial e aumentar a altura do bloco inicial, a orientação dos grãos que entram na seção espiral pode ser efetivamente otimizada. No entanto, aumentar o comprimento do bloco inicial encurtará o espaço de crescimento efetivo da fundição e fornecerá um ciclo de produção e custo de preparação. Portanto, é necessário projetar razoavelmente a estrutura geométrica do substrato.

A principal função da espiral é selecionar monocristais de forma eficiente, e a capacidade de otimizar a orientação dos grãos é fraca. Quando o processo DS é realizado em uma espiral, o canal curvo fornece espaço para o crescimento do ramo dendrítico, e os dendritos secundários dos grãos avançam na direção da linha liquidus. Os grãos têm uma forte tendência de desenvolvimento lateral, e a orientação dos grãos está em um estado flutuante, com um efeito de otimização fraco. Portanto, a seleção de grãos na espiral depende principalmente da vantagem de restrição geométrica, vantagem de crescimento competitivo e vantagem de expansão espacial dos grãos no segmento espiral [7], em vez da vantagem de crescimento da orientação preferida dos grãos, que tem uma forte aleatoriedade [6]. Portanto, a principal razão para o fracasso da seleção de cristais é que a espiral não desempenha o papel de seleção de cristais únicos. Ao aumentar o diâmetro externo da espiral, reduzir o passo, o diâmetro da superfície da espiral e reduzir o ângulo inicial, o efeito de seleção do cristal pode ser significativamente melhorado.

A preparação de lâminas de turbina de cristal único oco requer mais de uma dúzia de etapas (fundição de liga mestre, preparação de casca de membrana de cristal único, preparação de núcleo cerâmico de configuração complexa, fundição por fusão, solidificação direcional, tratamento térmico, tratamento de superfície, preparação de revestimento de barreira térmica, etc.). O processo complexo é propenso a vários defeitos, como grãos dispersos, sardas, contornos de grãos de ângulo pequeno, cristais de listras, desvio de orientação, recristalização, contornos de grãos de ângulo grande e falha na seleção de cristais.