Lame de turbină monocristal: o prăbușire tehnică care depășește limitele temperaturii ridicate

1 Dezvoltarea motorilor cu turbine gaz pentru aviație

Pe măsură ce cerințele de performanță ale aeronavelor pentru transport, militar, producție și alte scopuri au crescut, cele mai vechi motoare cu piston nu mai puteau să îndeplinească nevoile zborului la înaltă viteză. Prin urmare, din anii 1950, motoarele cu turbine gaz au devenit treptat mainstream.

În 1928, Sir Frank Whittle din Regatul Unit a menționat în teza sa de diplomă „Dezvoltarea viitoare a proiectării avioanelor” pe care o studia la academia militară că, pe baza cunoștințelor tehnice ale acelei vremi, dezvoltarea viitoare a motorilor cu elice nu ar putea să-și îndeplinească cerințele zborurilor la înălțimi mari sau a vitezelor depășind 800 km/h. El a propus pentru prima dată conceptul ceea ce acum se numește motor reacție (motor jet): aer comprimat este furnizat camerei de combustie (combustie) prin intermediul unui piston tradițional, iar gazele la înaltă temperatură generate sunt folosite direct pentru a propulsa zborul, ceea ce poate fi considerat ca un motor cu elice plus o concepție a camerei de combustie. În cercetările ulterioare, el a renunțat la ideea utilizării unui piston greu și nesupravegheat și a propus să se folosească un turbină (turbina) pentru a furniza aer comprimat camerei de combustie, iar puterea turbinei era obținută din gazele de epurare la înaltă temperatură. În 1930, Whittle a depus o cerere de brevet, iar în 1937, el a dezvoltat primul motor turbo-jet centrifug al lumii, care a fost oficial introdus în avionul Gloster E.28/39 în 1941. Din atunci, motoarele cu turbine gaz si-au asumat rolul dominant în domeniul propulsiei aeronautice și reprezintă un simbol important al nivelului științific și tehnic industrial al unei națiuni, precum și al forței sale naționale generale.

Motorurile de aviație pot fi împărțite în patru tipuri de bază în funcție de utilizare și caracteristici structurale: motoare turbojet, motoare turbofan, motoare turboshaft și motoare turboprop:

Motorurile cu turbină gaz aeroportate sunt denumite motoare turbojet, care reprezintă cele mai vechi motoare cu turbină gaz folosite. Din perspectiva modului în care se generează propulsia, motoarele turbojet sunt cele mai simple și directe motoare. Răzonamentul se bazează pe forța de reacție generată de iniecția la mare viteză a vorticității. Cu toate acestea, curgerea de aer la mare viteză își ducă o cantitate semnificativă de căldură și energie cinetică în același timp, ceea ce provoacă o pierdere mare de energie.

Motorul turbofan împarte curgerea de aer care intră în motor în două căi: conducta internă și conducta externă, ceea ce crește fluxul total de aer și reduce temperatura și viteza de scurgere a aerului din conducta internă.

Motorurile cu turbine pe axă și motorurile cu turbină propulsoare nu generează tracțiune prin injecția curgerea de aer, astfel că temperatura și viteza de eșalon sunt reduse considerabil, eficiența termică este relativ ridicată, iar rata de consum a combustibilului a motorului este mică, ceea ce este potrivit pentru aeronave cu zbor lung. Viteza elicei nu se schimbă general, iar diferite tracțiuni sunt obținute prin ajustarea unghiului alunecării.

Motorul propfan este un motor intermediar între motorul cu turbină propulsoară și motorul cu turbină fan. Poate fi împărțit în motoare propfan cu carcase de elice ductate și motoare propfan fără carcase de elice ductate. Motorul propfan este cel mai competitiv dintre motoarele noi economice de energie, potrivite pentru zbor subsonic.

Motorurile aerospațiale civile au trecut prin mai mult de jumătate de secol de dezvoltare. Structura motorului a evoluat de la motorul cu turbină centrifugă din perioada inițială la motorul cu flux axial cu un singur rotor, de la motorul cu două rotori cu turbină jet la motorul cu turbină fan cu raport redus de derivare, și apoi la motorul cu turbină fan cu raport ridicat de derivare. Structura a fost continuu optimizată în urma căutării eficienței și fiabilității. Temperatura de intrare a turbinei era doar de 1200-1300K în prima generație de motoare turbojet din anii 1940 și 1950. Aceasta a crescut cu aproximativ 200K la fiecare modernizare a avionului. Până în anii 1980, temperatura de intrare a turbinei pentru a patra generație de avioane de luptă avansate a ajuns la 1800-2000K[1].

Principiul compresorului de aer centrifugal este că turbină impulsionază gazul să rotească la o viteză ridicată, astfel încât gazul să genereze forța centrifugă. Datorită fluxului de presiune a gazelor în turbină, viteza și presiunea gazelor după trecerea prin turbină cresc, iar aerul comprimat se produce în mod continuu. Acesta are o dimensiune axială scurtă și un raport de presiune unic mai mare. Compresorul de aer cu flux axial este un compresor în care fluxul de aer curge în general paralel cu axa turbină rotitoare. Compresorul cu flux axial constă din mai multe etape, fiecare etapă conținând o serie de lame de rotor și o serie următoare de lame de stator. Rotorul reprezintă lamele de lucru și roata, iar statorul este ghidajul. Aerul este mai întâi accelerat de lamele rotorului, apoi decelerat și comprimat în canalul format de lamele statorului, procesul fiind repetat pe mai multe etape până când raportul total de presiune ajunge la nivelul necesar. Compresorul cu flux axial are un diametru mic, ceea ce permite utilizarea în serie multiplă pentru a obține un raport de presiune mai ridicat.   

Motorurile turbofan utilizează de obicei raportul de depasare, raportul de presiune al motorului, temperatura de intrare a turbinelor și raportul de presiune al ventilatorului ca parametri de proiectare:

Raportul de depasare (BPR): Raportul dintre masa aerului care curge prin conductele de iesire și masa aerului care curge prin conductele interne ale motorului. Rotorul din fața motorului turbojet este denumit de obicei compresor de presiune mică, iar rotorul din fața motorului turbofan este denumit de obicei ventilator. Gazul presurizat care trece prin compresorul de presiune mică trece prin toate părțile motorului turbojet; gazul care trece prin ventilator este împărțit în conductele interne și externe. De la apariția motorilor turbofan, BPR a crescut continuu, această tendință fiind mai evidentă în motoarele turbofan civile.

Raportul de presiune al motorului (EPR): Raportul dintre presiunea totală la iesirea difuzorului și presiunea totală la intrarea în compresor.

Temperatura de intrare a turbinei: Temperatura exausului camerei de combustie când aceasta intra în turbină.

Raportul de compresie al ventilatorului: Se mai numește și raport de compresie, fiind raportul dintre presiunea gazelor la ieșirea compresorului și presiunea gazelor la intrare.

Două eficiențe:

Eficiența termică: O măsură a modului în care un motor convertește cu eficiență energia termică generată prin combustie în energie mecanică.

Eficiența propulsiei: O măsură a proporției energiei mecanice generate de motor care este folosită pentru a propulsa aeronava.

2 Dezvoltare a lamelor de turbină

Dezvoltare iterativă

Luând ca exemplu un motor turbofan, valoarea lamelor reprezintă până la 35%, iar acestea sunt un component critic în fabricarea motorilor de avioane. Într-un motor, există între 3.000 și 4.000 de lame aeronautice, care pot fi împărțite în trei categorii: lame de ventilator, lame de compresor și lame de turbină. Valoarea lamilor de turbină este cea mai mare, ajungând la 63%. În același timp, acestea sunt și lamele cu cea mai mare dificultate de fabricație și costuri de producție în motoare turbofan [2].

În anii '70, Statele Unite au fost primele să folosească lame de solidificare direcțională PWA1422 în motoarele de avioane militare și civile.

După anii 1980, raportul forță de tracțiune-masă a motorului de generația a treia a crescut la mai mult de 8, iar turbinele au început să folosească prima generație de SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 și DD3 din China. Capacitatea sa de suportare a temperaturii este cu 80K mai mare decât cea a celei mai bune aleierei înaltă temperatura solidificate direcțional PWA1422. Avantaje. În combinație cu tehnologia de răcire prin film singur canal gol, temperatura de funcționare a turbinelor ajunge la 1600-1750K.

Motorul turbofan de generația a patra utilizează a doua generație de SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4, și DD6. Prin adăugarea elementelor Re și tehnologia de răcire cu aer sub presiune multi-canal, temperatura de funcționare a turbinelor ajunge la 1800K-2000K. La 2000K și 100h rezistența durabilă ajunge la 140MPa.

Generația a treia de SX dezvoltată după anii '90 include RenéN6, CMRX-10 și DD9, care au avantaje foarte evidente în ceea ce privește rezistența la fluaj față de generația a doua de SX. Sub protecția canalurilor de răcire complexe și a revăruiturilor termice, temperatura de intrare a turbinelor pe care o poate suporta ajunge la 3000K. Aliajul de compuși intermetaliți folosit în lame ajunge la 2200K, iar rezistența sa pe 100 de ore este de 100MPa.

În prezent sunt în curs de dezvoltare generația a patra de SX reprezentată de MC-NG[4], TMS-138, etc., și generația a cincea de SX reprezentată de TMS-162, etc. Compoziția sa este caracterizată prin adăugarea de noi elemente rare terelnate precum Ru și Pt, care îmbunătățesc semnificativ performanța la fluaj la temperaturi ridicate a lui SX. Temperatura de lucru a aliajelor de înaltă temperatură din generația a cincea a ajuns la 1150°C, ceea ce este aproape de limita teoretică de funcționare de 1226°C.

3 Dezvoltarea aliajelor superrezistente bazate pe nici

3.1 Caracteristici de compoziție și compoziție de fază a superaloiurilor pe bază de nicleu monocristalin

Conform tipului de elemente de matrice, aliajele la înălți temperaturi pot fi împărțite în cele pe bază de fier, pe bază de nicleu și pe bază de cobalt, și mai departe subdivizate în macrostructuri de tip castare, forjare și metalurgie a pudrului. Aliajele pe bază de nicleu au o performanță mai bună la temperaturi ridicate decât celelalte două tipuri de aliaje la înălți temperaturi și pot funcționa pe termen lung în medii cu temperaturi ridicate și severe.

Alegerile de aleaje bazate pe nicleu conțin cel puțin 50% Ni. Structura lor FCC le face foarte compatibile cu unele elemente de aleare. Numărul elementelor de aleare adăugate în timpul procesului de proiectare depășește adesea 10. Comunalitatea elementelor de aleare adăugate este clasificată astfel: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo și W sunt elemente de primă clasă, care funcționează ca elemente de stabilizare a austenitului; (2) Al, Ti, Ta și Nb au raze atomice mai mari, care promovează formarea de faze de întărcere, cum ar fi compusul Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), fiind elemente de a doua clasă; (3) B, C și Zr sunt elemente de a treia clasă. Mărimea atomică a acestora este mult mai mică decât cea a atomilor de nicleu, iar acestea se segregează ușor la limitele de granul a fazei γ, jucând un rol în întărcerea limitelor de granul [14].

Fazele alelor de înaltă temperatură pe bază de monocristal de nicleu sunt în principal: fază γ, fază γ', fază carburetă și fază topologic împachetată (faza TCP).

Faza γ: Faza γ este o fază de austenit cu o structură cristalină FCC, care este o soluție solidă formată prin dizolvarea elementelor precum Cr, Mo, Co, W și Re în nicleu.

Faza γ': Faza γ' este un compus intermetalic Ni3(Al, Ti) de tip FCC, care se formează ca o fază de precipitație, păstrând o anumită coerență și discrepanță față de fază de matrice, fiind bogată în elemente precum Al, Ti, Ta și altele.

Faza carbura: Începând cu a doua generație de SX bazat pe nicleu, este adăugată o cantitate mică de C, ceea ce duce la apariția carburelor. O cantitate mică de carburi sunt dispuse în matrice, ceea ce îmbunătățește performanța la înălțări ale alei într-o anumită măsură. Este de obicei împărțită în trei tipuri: MC, M23C6 și M6C.

Faza TCP: În cazul învechirii serviciului, elementele refractare excessive, cum ar fi Cr, Mo, W și Re, promovează precipitarea fazei TCP. TCP este de obicei format sub forma unei plăci. Structura de tip placă are un impact negativ asupra ductilității, alunecării și proprietăților de obosit. Faza TCP este una dintre sursele deșpadării prin obosit.

Mecanism de întărire

Rezistența aleiazoarelor bazate pe nicleu provine din cuplarea mai multor mecanisme de întărire, inclusiv întărcerea prin soluție solidă, întărcerea prin precipitație și tratament termic pentru a crește densitatea de dislocații și a dezvolta substructuri de dislocații care oferă întărire.

Întărcerea prin soluție solidă constă în îmbunătățirea rezistenței de bază prin adăugarea de elemente solubile diferite, inclusiv Cr, W, Co, Mo, Re și Ru.

Razele atomice diferite determină o anumită distorsiune a rețelei atomice, ceea ce inhibă mișcarea dislocațiilor. Întărcerea prin soluție solidă crește cu creșterea diferenței de mărime atomică.

Îmbunătățirea prin soluție solidă are, de asemenea, efectul de reducere a energiei de defect al stivei (SFE), inhibând în principal glisarea croșetată a dislocațiilor, care este modul principal de deformare al cristalurilor neideale la temperaturi ridicate.

Microstructurile în formă de grupe atomice sau ordine la scara mică sunt un alt mecanism care contribuie la îmbunătățire prin soluție solidă. Atomii Re din SX se segregă în regiunea de stres tracțional din nucleul dislocației la interfața γ/γ’, formând o "atmosferă Cottrell", care previne eficient mișcarea dislocațiilor și propagarea crăpăturilor. (Atomii soluți se concentrează în zona de stres tracțional a dislocațiilor marginale, reducând distorsia rețelei, formând o structură de tip Coriolis și producând un efect puternic de îmbunătățire prin soluție solidă. Acest efect crește cu creșterea concentrației de atomi soluți și cu creșterea diferenței de dimensiuni.)

Re, W, Mo, Ru, Cr și Co consolidă eficient faza γ. Încrengarea prin soluție solidă a matricei γ joacă un rol extrem de important în rezistența la fluaj a aliajelor pe bază de nici.

Efektul de consolidare prin precipitație este influențat de fracțiunea volumetrică și dimensiunea fazei γ'. Scopul optimizării compoziției aleilor la înaltă temperatură este în principal de a crește fracțiunea volumetrică a fazei γ' și de a îmbunătăți proprietățile mecanice. Aleale SX la înaltă temperatură pot conține între 65% și 75% din fază γ', ceea ce duce la o rezistență bună la fluaj. Acest lucru reprezintă valoarea utilă maximă a efectului de consolidare al interfeței γ/γ', iar orice creștere ulterioară va duce la o scădere semnificativă a rezistenței. Rezistența la fluaj a aleilor la înaltă temperatură cu o fracțiune volumetrică ridicată a fazei γ’ este influențată de dimensiunea particulelor fazei γ’. Când dimensiunea fazei γ’ este mică, dislocațiile tin să se ridice în jurul acesteia, ceea ce duce la o scădere a rezistenței la fluaj. Când dislocațiile sunt forțate să taie fază γ’, rezistența la fluaj atinge valoarea sa maximă. Pe măsură ce particulele fazei γ’ cresc în dimensiune, dislocațiile tin să se încovoi pe între ele, ceea ce duce la o scădere a rezistenței la fluaj [14].

Există trei mecanisme principale de consolidare prin precipitație:

Consolidarea prin dezacord al rețelei cristaline: Faza γ’ este dispersată și precipitată în matricea de fază γ într-un mod coerent. Ambele sunt structuri FCC. Dezacordul rețelei cristaline reflectă stabilitatea și starea de stres a interfeței coerente între cele două faze. Cel mai bun caz este acela în care matricea și faza precipitată au aceeași structură cristalină și parametri de rețea de aceeași geometrie, astfel încât mai multe faze precipitate pot fi umplute în fața γ. Intervalul de dezacord pentru alegerile bazate pe nicleu este de 0~±1%. Re și Ru sunt evident segregate cu fața γ. Creșterea lui Re și Ru crește dezacordul rețelei.

Consolidarea prin ordonare: Tăierea prin dislocații va provoca neordonarea între matrice și fază precipitată, necesitând mai multă energie.

Mecanism de depășire a dislocațiilor: denumit mecanism Orowan (curbarea Orowan), este un mecanism de consolidare prin care faza precipitată în matricea metalică împiedică dislocația în mișcare să continue să se deplaseze. Principiul de bază: Când dislocația în mișcare întâlnește o particulă, aceasta nu poate să treacă prin ea, ceea ce duce la comportamentul de depășire, creșterea liniei de dislocație și creșterea forței motrice necesare, rezultând într-un efect de consolidare.

3.3 Dezvoltarea metodelor de turnare a aleilor la temperaturi ridicate

Cele mai vechi aliaje folosite în medii cu temperaturi ridicate pot fi urmărite înapoi până la inventarea Nichrome-ului în 1906. Apariția compresorilor turbo și a motorelor cu turbine de gaz a stimulat dezvoltarea substanțială a aliajelor rezistente la temperaturi ridicate. Lamele primei generații de motoare cu turbine de gaz erau fabricate prin extrudare și forjare, care evident aveau limitările epocii. În prezent, lamele din aliaj rezistent la temperaturi ridicate sunt fabricate majoritar prin turnare sub presiune, specific direcțională (DS). Metoda DS a fost inventată pentru prima dată de echipa lui Versnyder de la Pratt & Whitney din Statele Unite în anii '70 [3]. În deceniile de dezvoltare, materialul preferat pentru lamele turbinelor a trecut de la cristale echiaxe la cristale colonare, apoi optimizat spre materiale de aliaj la temperaturi ridicate cu cristale unice.

Tehnologia DS este folosită pentru a produce componente ale legurii SX cu nucleu columnar, ceea ce îmbunătățește semnificativ plasticitatea și rezistența la șoc termic a aliajelor la temperaturi ridicate. Tehnologia DS asigură că cristalele columnare produse au o orientare [001], care este paralelă cu axa principala de stres a piesei, în loc să aibă o orientare aleatorie a cristalului. În principiu, DS trebuie să asigure că solidificarea metalului lichid din lemnă se realizează astfel încât metalul lichid să fie întotdeauna într-o stare aproape solidificată.

Lemnarea cristalilor columnare trebuie să respecte două condiții: (1) Fluxul unidirectional de căldură asigură că interfața solid-lichid la punctul de creștere al grainului se mișcă într-o singură direcție; (2) Nu trebuie să existe niciun nucleare în fața direcției de mișcare a interfeței solid-lichid.

Deoarece fractura lamei se produce de obicei în structura slabă de la limita de granul în regim de temperaturi ridicate, pentru a elimina limita de granul, în timpul procesului de solidificare direcțională se utilizează o formă de solidificare cu o structură "selector de granul". Dimensiunea secțiunii acestei structuri este apropiată de dimensiunea granului, astfel încât doar un singur gran optimal, care crește corect, intră în cavitatea formei de fundire și apoi continuă să crească sub forma unui cristal unic până când întreaga lamă este compusă dintr-un singur gran.

Selectorul de cristal poate fi împărțit în două părți: blocul de start și spirală:

La începutul procesului DS, grănele încep să se nucleizeze în partea de jos a blocului de start. În stadiul inițial de creștere a granelor, numărul este mare, dimensiunea este mică, iar diferența de orientare este mare. Comportamentul de creștere competitiv între grane domnește, iar efectul de blocare geometrică al peretelui lateral este slab. În acest moment, efectul de optimizare a orientării este evident; când înălțimea granelor din blocul de start crește, numărul de grane scade, dimensiunea crește, iar orientarea este apropiată. Comportamentul de creștere competitiv între grane scade, iar efectul de blocare geometrică al peretelui lateral devine dominant, asigurând că direcția cristalului poate fi continuu optimizată, dar efectul de optimizare a orientării se slăbește. Prin reducerea razei blocului de start și creșterea înălțimii acestuia, orientarea granelor care intră în secțiunea spirală poate fi optimizată eficient. Cu toate acestea, creșterea lungimii blocului de start va scurta spațiul eficient de creștere al lingotei, precum și ciclul de producție și costurile de pregătire. Prin urmare, este necesar să se proiecteze cu grijă structura geometrică a substratului.

Funcția principală a spiralii este de a selecționa în mod eficient cristale unice, iar capacitatea de a optimiza orientarea granului este slabă. Atunci când procesul DS este realizat într-o spirală, canalul curbat oferă spațiu pentru creșterea ramurilor dendritice, iar dendritele secundare ale granului avansează în direcția liniei liquidus. Granele au o tendință puternică de dezvoltare laterală, iar orientarea granului se află într-un stadiu fluctuant, cu un efect de optimizare slab. Prin urmare, selecția granului în spirală se bazează în principal pe avantajele de restricție geometrică, creștere competitivă și expansiune spațială ale granului în segmentul spiral [7], mai degrabă decât pe avantajul de creștere al orientării preferate a granului, care are o mare aleatorietate [6]. Prin urmare, principala cauză a eșecului în selecția cristalului este că spirala nu joacă rolul de selecție a cristalului unic. Prin creșterea diametrului exterior al spiralii, reducerea pasului, diametrului suprafeței spiralei și reducerea unghiului de start, efectul de selecție al cristalului poate fi îmbunătățit semnificativ.

Prepararea lemnelor turbinare monocristale goale necesită mai mult de o duzină de pași (topirea aleiajei materice, pregătirea coșului monocristalin membranar, pregătirea nucleului ceramic cu configurare complexă, topirea cu direcționare, solidificare direcțională, tratament termic, tratament superficial, pregătirea revestirii de barieră termică, etc.). Procesul complex este predispus la diverse defecțiuni, cum ar fi grane străine, pete, limite de grane cu unghiuri mici, cristale striate, deviere de orientare, recrystalizare, limite de grane cu unghiuri mari și eșecul selecției de cristal.