Pale de turbină cu un singur cristal: o descoperire tehnologică care depășește limitele ridicate de temperatură România

1 Dezvoltarea motoarelor cu turbine cu gaz pentru aviație

Pe măsură ce cerințele de performanță pentru aeronavele pentru transport, militare, producție și alte scopuri au crescut, primele motoare cu piston nu mai puteau satisface nevoile zborului de mare viteză. Prin urmare, din anii 1950, motoarele cu turbine cu gaz au devenit treptat mainstream.

În 1928, Sir Frank Whittle al Regatului Unit a subliniat în lucrarea sa de absolvire „Dezvoltarea viitoare în proiectarea avioanelor”, în timp ce studia la academia militară, că, în baza cunoștințelor tehnice de la acea vreme, dezvoltarea viitoare a motoarelor cu elice nu se putea adapta nevoilor. de mare altitudine sau viteze de zbor care depășesc 800 km/h. El a propus mai întâi conceptul a ceea ce se numește acum un motor cu reacție (motor motor): aer comprimat este furnizat camerei de ardere (combustie) printr-un piston tradițional, iar gazul la temperatură ridicată generat este utilizat direct pentru propulsarea zborului, care poate să fie considerat un motor cu elice plus un design al camerei de ardere. În cercetările ulterioare, el a abandonat ideea folosirii unui piston greu și ineficient și a propus utilizarea unei turbine (turbină) pentru a furniza aer comprimat camerei de ardere, iar puterea turbinei a fost obținută din gazele de evacuare la temperatură înaltă. În 1930, Whittle a solicitat un brevet, iar în 1937, a dezvoltat primul motor turborreactor centrifugal din lume, care a fost utilizat oficial în aeronava Gloster E.28/39 în 1941. De atunci, motoarele cu turbine cu gaz au dominat puterea aviației și sunt un simbol important al nivelului industrial științific și tehnologic al unei țări și al puterii naționale cuprinzătoare.

Motoarele de aeronave pot fi împărțite în patru tipuri de bază în funcție de utilizările și caracteristicile lor structurale: motoare cu turboreacție, motoare cu turboventilator, motoare cu turboax și motoare cu turbopropulsor:

Motoarele cu turbină cu gaz de aviație sunt denumite motoare cu turboreacție, care sunt cele mai vechi motoare cu turbină cu gaz utilizate. Din perspectiva modului în care este generată tracțiunea, motoarele cu turboreacție sunt cele mai simple și mai directe motoare. Raționamentul se bazează pe forța de reacție generată de injecția de mare viteză a vortexului. Cu toate acestea, fluxul de aer de mare viteză ia multă căldură și energie cinetică în același timp, provocând pierderi mari de energie.

Motorul turboventilator împarte aerul care curge în motor în două căi: conducta interioară și conducta exterioară, ceea ce mărește debitul total de aer și reduce temperatura de evacuare și viteza fluxului de aer din conducta interioară.

Motoarele cu turbopropulsoare și turbopropulsoare nu generează tracțiune prin injecția cu flux de aer, astfel încât temperatura și viteza de evacuare sunt mult reduse, eficiența termică este relativ ridicată, iar rata de consum de combustibil al motorului este scăzută, ceea ce este potrivit pentru aeronavele cu rază lungă. Viteza elicei, în general, nu se modifică și se obțin diferite împingeri prin reglarea unghiului palei.

Motorul propfan este un motor între motoarele turboprop și turboventilator. Poate fi împărțit în motoare propfan cu carcase de elice conducte și motoare de propfan fără carcase de elice conducte. Motorul propfan este cel mai competitiv nou motor de economisire a energiei, potrivit pentru zborul subsonic.

Motoarele aerospațiale civile au trecut prin mai mult de jumătate de secol de dezvoltare. Structura motorului a evoluat de la motorul cu turbină centrifugă timpurie la motorul cu un singur rotor cu flux axial, de la motorul turboreactor cu două rotoare la motorul turboventilator cu raport de bypass scăzut și apoi la motorul turboventilator cu raport de bypass mare. Structura a fost optimizată continuu, urmărind eficiența și fiabilitatea. Temperatura de admisie a turbinei a fost de numai 1200-1300K în prima generație de motoare cu turboreacție în anii 1940 și 1950. A crescut cu aproximativ 200 cu fiecare modernizare a aeronavei. În anii 1980, temperatura de intrare a turbinei avioanelor de luptă avansate din a patra generație a ajuns la 1800-2000K[1].

Principiul compresorului de aer centrifugal este că rotorul conduce gazul să se rotească la viteză mare, astfel încât gazul să genereze forță centrifugă. Datorită debitului de presiune de expansiune a gazului în rotor, debitul și presiunea gazului după trecerea prin rotor sunt crescute și aerul comprimat este produs continuu. Are o dimensiune axială scurtă și un raport ridicat al presiunii într-o singură etapă. Compresorul de aer cu flux axial este un compresor în care fluxul de aer curge practic paralel cu axa rotorului rotativ. Compresorul cu flux axial este format din mai multe trepte, fiecare treaptă conține un rând de pale de rotor și un rând ulterior de pale de stator. Rotorul este paletele de lucru și roata, iar statorul este ghidajul. Aerul este mai întâi accelerat de paletele rotorului, decelerat și comprimat în canalul paletei statorului și repetat în paletele cu mai multe trepte până când raportul de presiune totală atinge nivelul necesar. Compresorul cu debit axial are un diametru mic, ceea ce este convenabil pentru utilizarea tandem în mai multe etape pentru a obține un raport de presiune mai mare.  

Motoarele cu turboventilator folosesc de obicei raportul de bypass, raportul de presiune al motorului, temperatura de admisie a turbinei și raportul de presiune al ventilatorului ca parametri de proiectare:

Raport de bypass (BPR): Raportul dintre masa de gaz care curge prin conductele de evacuare și masa de gaz care curge prin conductele interioare din motor. Rotorul din partea din față a unui turboreactor este de obicei numit compresor de joasă presiune, iar rotorul din partea din față a unui turboreactor este de obicei numit ventilator. Gazul sub presiune care trece prin compresorul de joasă presiune trece prin toate părțile motorului cu turboreacție; gazul care trece prin ventilator este împărțit în conductele interioare și exterioare. De la apariția motoarelor cu turboventilator, BPR a crescut, iar această tendință este evidentă în special la motoarele cu turboventilatoare civile.

Raportul presiunii motorului (EPR): Raportul dintre presiunea totală la ieșirea duzei și presiunea totală la admisia compresorului.

Temperatura de intrare a turbinei: temperatura evacuarii camerei de ardere atunci când intră în turbină.

Raportul de compresie al ventilatorului: Denumit și raport de compresie, raportul dintre presiunea gazului la ieșirea compresorului și presiunea gazului la intrare.

Două eficiențe:

Eficiența termică: O măsură a cât de eficient un motor convertește energia termică generată de ardere în energie mecanică.

Eficiența propulsiei: O măsură a proporției de energie mecanică generată de motorul care este utilizat pentru propulsarea aeronavei.

2 Dezvoltarea palelor turbinei

Dezvoltare iterativă

Luând ca exemplu un motor turboventilator, valoarea paletelor reprezintă până la 35% și sunt o componentă critică în fabricarea motoarelor de aeronave. Într-un motor, există între 3,000 și 4,000 de pale de aviație, care pot fi împărțite în trei categorii: pale de ventilator, pale de compresor și pale de turbină. Valoarea palelor turbinei este cea mai mare, ajungând la 63%. În același timp, acestea sunt și paletele cu cea mai mare dificultate de fabricație și cost de fabricație la motoarele cu turboventilator [2].    

În anii 1970, Statele Unite au fost primele care au folosit lame de solidificare direcțională PWA1422 în motoarele de aeronave militare și civile.

După anii 1980, raportul tracțiune-greutate al motorului din a treia generație a crescut la mai mult de 8, iar paletele turbinei au început să folosească prima generație SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 și DD3 din China. Capacitatea sa de susținere a temperaturii este cu 80K mai mare decât cea a celui mai bun aliaj de temperatură înaltă turnat prin solidificare direcțională PWA1422. Avantaje. Împreună cu tehnologia cu un singur canal de răcire cu film, temperatura de funcționare a palelor turbinei ajunge la 1600-1750K. .

Motorul turboventilator din a patra generație folosește a doua generație SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 și DD6. Adăugând elemente Re și tehnologie de răcire cu aer de înaltă presiune multicanal, temperatura de funcționare a palelor turbinei ajunge la 1800K-2000K. La 2000K și 100h Rezistența de durată ajunge la 140MPa.

A treia generație SX dezvoltată după anii 1990 include RenéN6, CMRX-10 și DD9, care au avantaje foarte evidente de rezistență la fluaj față de a doua generație SX. Sub protecția canalelor complexe de răcire și a straturilor de barieră termică, temperatura de intrare a turbinei pe care o poate rezista ajunge la 3000K. Aliajul compus intermetalic folosit în lame ajunge la 2200K, iar rezistența de 100h ajunge la 100MPa.

În prezent sunt în curs de dezvoltare a patra generație SX reprezentată de MC-NG[4], TMS-138 etc., și a cincea generație SX reprezentată de TMS-162 etc. Compoziția sa se caracterizează prin adăugarea de noi elemente de pământuri rare precum precum Ru și Pt, ceea ce îmbunătățește semnificativ performanța de fluaj la temperatură înaltă a SX. Temperatura de lucru a aliajului de temperatură înaltă de a cincea generație a atins 1150 ° C, ceea ce este aproape de temperatura limită teoretică de funcționare de 1226 ° C.

3 Dezvoltarea superaliajelor monocristaline pe bază de nichel

3.1 Caracteristicile compoziției și compoziția de fază a superaliajelor monocristale pe bază de nichel

În funcție de tipul de elemente ale matricei, aliajele la temperatură înaltă pot fi împărțite în pe bază de fier, pe bază de nichel și pe bază de cobalt și, în continuare, subdivizate în macrostructuri de turnare, forjare și metalurgie a pulberilor. Aliajele pe bază de nichel au o performanță mai bună la temperatură înaltă decât celelalte două tipuri de aliaje la temperatură înaltă și pot funcționa mult timp în medii dure cu temperatură înaltă.

Aliajele la temperaturi înalte pe bază de nichel conțin cel puțin 50% Ni. Structura lor FCC le face foarte compatibile cu unele elemente de aliere. Numărul de elemente de aliere adăugate în timpul procesului de proiectare depășește adesea 10. Caracterul comun al elementelor de aliere adăugate este clasificat după cum urmează: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo și W sunt elemente de primă clasă , care servesc ca elemente de stabilizare a austenitei; (2) Al, Ti, Ta și Nb au raze atomice mai mari, care promovează formarea fazelor de întărire precum compusul Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) și sunt elemente de clasa a doua; (3) B, C și Zr sunt elemente de clasa a treia. Dimensiunea lor atomică este mult mai mică decât cea a atomilor de Ni și sunt ușor segregați la granițele de granule ale fazei γ, jucând un rol în întărirea granițelor [14].

Fazele aliajelor cu un singur cristal la temperatură înaltă pe bază de nichel sunt în principal: faza γ, faza γ', faza de carbură și faza topologică compactă (faza TCP).

Faza γ: faza γ este o fază de austenită cu o structură cristalină de FCC, care este o soluție solidă formată din elemente precum Cr, Mo, Co, W și Re dizolvate în nichel.

Faza γ': faza γ' este un compus intermetalic Ni3(Al, Ti) al FCC, care se formează ca o fază de precipitare și menține o anumită coerență și nepotrivire cu faza matricei și este bogat în Al, Ti, Ta și alte elemente.

Faza de carbură: Începând cu a doua generație de SX pe bază de nichel, se adaugă o cantitate mică de C, rezultând apariția carburilor. O cantitate mică de carburi este dispersată în matrice, ceea ce îmbunătățește într-o anumită măsură performanța la temperatură ridicată a aliajului. În general, este împărțit în trei tipuri: MC, M23C6 și M6C.

Faza TCP: În cazul îmbătrânirii în serviciu, elementele refractare excesive precum Cr, Mo, W și Re promovează precipitarea fazei TCP. TCP se formează de obicei sub forma unei plăci. Structura plăcii are un impact negativ asupra proprietăților de ductilitate, fluaj și oboseală. Faza TCP este una dintre sursele de fisuri ale rupturii prin fluaj.

Mecanismul de consolidare

Rezistența superaliajelor pe bază de nichel provine din cuplarea mai multor mecanisme de întărire, inclusiv consolidarea soluției solide, întărirea prin precipitare și tratamentul termic pentru a crește densitatea dislocării și a dezvolta o substructură de dislocare pentru a oferi întărire.

Întărirea în soluție solidă este de a îmbunătăți rezistența de bază prin adăugarea diferitelor elemente solubile, inclusiv Cr, W, Co, Mo, Re și Ru.

Razele atomice diferite duc la un anumit grad de distorsiune a rețelei atomice, care inhibă mișcarea de dislocare. Consolidarea soluției solide crește odată cu creșterea diferenței de dimensiune atomică.

Întărirea soluției solide are, de asemenea, efectul de reducere a energiei defectului de stivuire (SFE), în principal inhibând alunecarea transversală a dislocației, care este principalul mod de deformare al cristalelor neideale la temperaturi ridicate.

Grupurile atomice sau microstructurile de ordin scurt sunt un alt mecanism care ajută la obținerea întăririi prin soluție solidă. Atomii de Re din SX se segregă în regiunea tensiunii de tracțiune a miezului de dislocare la interfața γ/γ’, formând o „atmosferă Cottrell”, care previne eficient mișcarea dislocației și propagarea fisurilor. (Atomii de soluție sunt concentrați în zona de tensiuni de tracțiune a dislocațiilor marginilor, reducând distorsiunea rețelei, formând o structură de gaz Coriolis și producând un efect puternic de întărire a soluției solide. Efectul crește odată cu creșterea concentrației atomului de dizolvat și cu creșterea dimensiunii diferenţă)

Re, W, Mo, Ru, Cr și Co întăresc eficient faza γ. Întărirea în soluție solidă a matricei γ joacă un rol extrem de important în rezistența la fluaj a aliajelor la temperatură înaltă pe bază de nichel.

Efectul de întărire prin precipitare este afectat de fracția de volum și dimensiunea fazei γ'. Scopul optimizării compoziției aliajelor la temperatură înaltă este în principal creșterea fracției volumice a fazei γ' și îmbunătățirea proprietăților mecanice. Aliajele SX la temperatură înaltă pot conține 65%-75% din faza γ', rezultând o rezistență bună la fluaj. Aceasta reprezintă valoarea maximă utilă a efectului de întărire al interfeței γ/γ', iar creșterea suplimentară va duce la o scădere semnificativă a rezistenței. Rezistența la fluaj a aliajelor la temperatură înaltă cu o fracție de volum de fază γ' mare este afectată de dimensiunea particulelor de fază γ'. Când dimensiunea fazei γ' este mică, dislocațiile au tendința de a urca în jurul acesteia, rezultând o scădere a rezistenței la fluaj. Când luxațiile sunt forțate să taie faza γ', rezistența la fluaj atinge maximul. Pe măsură ce particulele de fază γ' cresc în dimensiune, dislocațiile tind să se îndoaie între ele, rezultând o scădere a rezistenței la fluaj [14].

Există trei mecanisme principale de întărire a precipitațiilor:

Întărirea nepotrivirii rețelei: faza γ' este dispersată și precipitată în matricea fazei γ într-o manieră coerentă. Ambele sunt structuri FCC. Nepotrivirea rețelei reflectă stabilitatea și starea de stres a interfeței coerente dintre cele două faze. Cel mai bun caz este că 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 faza γ. Intervalul de nepotrivire al aliajelor de temperatură înaltă pe bază de nichel este de 0~±1%. Re și Ru sunt în mod evident segregate cu faza γ. Creșterea lui Re și Ru crește nepotrivirea rețelei.

Întărirea ordinii: tăierea prin dislocare va provoca dezordine între matrice și faza precipitată, necesitând mai multă energie

Mecanism de ocolire a dislocării: numit mecanism Orowan (înclinarea Orowan), este un mecanism de întărire în care faza precipitată din matricea metalică împiedică dislocarea în mișcare să continue să se miște. Principiu de bază: Atunci când dislocarea în mișcare întâlnește o particulă, aceasta nu poate trece, rezultând un comportament de ocolire, creșterea liniei de dislocare, iar forța motrice necesară crește, rezultând un efect de întărire.

3.3 Dezvoltarea metodelor de turnare a aliajelor la temperatură înaltă

Cel mai vechi aliaj utilizat în medii cu temperaturi ridicate poate fi urmărit până la invenția Nichrome în 1906. Apariția turbocompresoarelor și a motoarelor cu turbină cu gaz a stimulat dezvoltarea substanțială a aliajelor de înaltă temperatură. Paletele primei generații de motoare cu turbină cu gaz au fost produse prin extrudare și forjare, care aveau, evident, limitările vremurilor. În prezent, paletele turbinelor din aliaj de temperatură înaltă sunt fabricate în mare parte prin turnare cu investiții, în special prin solidificare direcțională (DS). Metoda DS a fost inventată pentru prima dată de echipa Versnyder a lui Pratt & Whitney în Statele Unite în anii 1970 [3]. În deceniile de dezvoltare, materialul preferat pentru paletele turbinei s-a schimbat de la cristale echiaxiale la cristale columnare, iar apoi s-a optimizat la materiale de aliaj cu un singur cristal la temperatură înaltă.

Tehnologia DS este utilizată pentru a produce componente SX din aliaj cu miez columnar, care îmbunătățește semnificativ ductilitatea și rezistența la șocuri termice a aliajelor la temperatură înaltă. Tehnologia DS asigură că cristalele columnare produse au o orientare [001], care este paralelă cu axa principală a tensiunii piesei, mai degrabă decât o orientare aleatoare a cristalului. În principiu, DS trebuie să se asigure că solidificarea metalului topit în turnare se realizează cu metalul de alimentare lichid întotdeauna într-o stare tocmai solidificată.

Turnarea cristalelor columnare trebuie să îndeplinească două condiții: (1) Fluxul de căldură unidirecțional asigură că interfața solid-lichid la punctul de creștere al boabelor se mișcă într-o singură direcție; (2) Nu trebuie să existe nucleare în fața direcției de mișcare a interfeței solid-lichid.

Deoarece fractura lamei are loc de obicei în structura slabă la temperatură înaltă a graniței granulelor, pentru a elimina limita granulelor, în timpul procesului de solidificare direcțională este utilizată o matriță de solidificare cu o structură „selector de cereale”. Dimensiunea secțiunii transversale a acestei structuri este apropiată de dimensiunea granulelor, astfel încât doar un singur bob crescut optim intră în cavitatea turnării și apoi continuă să crească sub forma unui singur cristal până când întreaga lamă este compusă din doar un bob.

Selectorul de cristal poate fi împărțit în două părți: blocul de pornire și spirala:

La începutul procesului DS, boabele încep să se nucleeze în partea de jos a blocului de pornire. În stadiul incipient al creșterii cerealelor, numărul este mare, dimensiunea este mică și diferența de orientare este mare. Comportamentul competitiv de creștere între boabe domină, iar efectul de blocare geometrică al peretelui lateral este slab. În acest moment, efectul de optimizare a orientării este evident; când înălțimea boabelor din blocul de pornire crește, numărul de boabe scade, dimensiunea crește, iar orientarea este apropiată. Comportamentul competitiv de creștere între boabe scade, iar efectul de blocare geometrică al peretelui lateral domină, asigurând că direcția cristalului poate fi optimizată continuu, dar efectul de optimizare a orientării este slăbit. Prin reducerea razei blocului de pornire și creșterea înălțimii blocului de pornire, orientarea boabelor care intră în secțiunea spirală poate fi optimizată eficient. Cu toate acestea, creșterea lungimii blocului de pornire va scurta spațiul efectiv de creștere al turnării și vă va oferi un ciclu de producție și un cost de pregătire. Prin urmare, este necesar să se proiecteze în mod rezonabil structura geometrică a substratului.

Funcția principală a spiralei este de a selecta eficient monocristalele, iar capacitatea de a optimiza orientarea cerealelor este slabă. Când procesul DS se desfășoară în spirală, canalul curbat oferă spațiu pentru creșterea ramurilor dendritei, iar dendritele secundare ale boabelor avansează în direcția liniei lichidus. Boabele au o tendință puternică de dezvoltare laterală, iar orientarea boabelor este în stare fluctuantă, cu un efect de optimizare slab. Prin urmare, selecția boabelor în spirală depinde în principal de avantajul de restricție geometrică, avantajul de creștere competitivă și avantajul de expansiune spațială a boabelor din segmentul de spirală [7], mai degrabă decât de avantajul de creștere al orientării preferate a boabelor, care are o aleatorie puternică [6]. Prin urmare, principalul motiv pentru eșecul selecției cristalului este că spirala nu joacă rolul selecției unui singur cristal. Prin creșterea diametrului exterior al spiralei, reducerea pasului, diametrul suprafeței spiralei și reducerea unghiului de pornire, efectul de selecție a cristalului poate fi îmbunătățit semnificativ.

Pregătirea palelor de turbine cu un singur cristal necesită mai mult de o duzină de etape (topirea aliajului principal, pregătirea carcasei membranei monocristaline, pregătirea miezului ceramic cu configurație complexă, turnarea în topitură, solidificarea direcțională, tratament termic, tratarea suprafeței, pregătirea acoperirii cu barieră termică etc. ). Procesul complex este predispus la diferite defecte, cum ar fi granule rătăcite, pistrui, granițe cu unghi mic, cristale cu dungi, abatere de orientare, recristalizare, granițe cu unghi mare și eșec de selecție a cristalului.