Как изготавливаются рабочие лопатки турбин высокого давления авиационных двигателей?

Принцип производства лопаток высокотемпературного турбинного ротора авиадвигателя очень прост, но различные параметры этого процесса требуют много экспериментов для получения параметров каждого узла, состава вспомогательных материалов и много везения.

Во-первых, лопатки высокотемпературного турбинного ротора требуют сложных внутренних каналов охлаждающего воздуха (см. рисунок ниже). Сначала изготавливаются внутренние каналы охлаждающего воздуха (без учета отверстий для охлаждающего воздуха, о чем будет рассказано позже). Затем создается восковая форма, которая отливается специальной керамикой для формирования каналов.

После получения керамической формы для воздушного канала, соедините её с внешней формой лопасти и поместите в литейную печь. Расплавленный сверхалloy* поступает в полость формы сверху вниз (включая керамическую внутреннюю форму воздушного канала и восковую внешнюю форму). Очень хлопотно наносить бесчисленные слои покрытий между каждым этапом изготовления форм. Немецкие компании используют роботов для этого, а, кажется, Россия всё ещё использует щётки тётушки. Эти покрытия напрямую определяют качество отливки, и допуск крайне мал.

В этот момент машина для литья строго контролирует температуру расплавленного сверхalloy, а затем позволяет ему затвердеть на горизонтальной плоскости (то есть рост кристалла), снизу вверх, когда кристаллы растут спиралью (селектор кристаллов), они взаимодействуют и отбирают друг друга, и в конце концов остаётся только один кристалл, который ближе всего к предварительно заданному направлению, и этот кристалл продолжит расти вверх.

Поскольку высоконапорная шестерня должна вращаться более 10 000 раз, каждая деталь подвергается центробежной силе более 10 тонн, и поскольку прочность никелевых кристаллов в каждом направлении различна, его диагональ (самое сильное направление) должна находиться в пределах 10 градусов от направления центробежной силы. (Кстати, однокристальная никелевая сплавная лига, используемая в роторе низконапорной турбины, требует кристаллического направления, но не только одного кристалла, потому что температура плавления одно kristall выше на 50K, чем у поликристаллической (включая однонаправленный кристалл)).

Эффективность процесса невысока. Насколько я знаю, многие отличные заводы точной литья в Германии бросили вызов этому процессу и в конечном итоге обанкротились. Порог действительно слишком высок.

Наконец, получается готовый продукт, и используется специальное щелочное вещество для растворения керамической формы, оставшейся в канале, чтобы сделать отверстия для охлаждения. Существуют электрохимические отверстия и электродиссоциативные отверстия. Наиболее распространенные отверстия создаются лазером. Форма отверстий также довольно сложная. Затем производится гальваническое покрытие, которое также представляет собой огромную область знаний.

На изображении ниже слева показан поликристалл, посередине — унитарный кристалл, а справа — однокристаллическая структура.

Однако, после литья лопасти не имеют воздухозаборных отверстий, соединяющих внутренний охлаждающий воздуховод и поверхность лопасти. Это обычно делается лазером. Поскольку охлаждающий воздух теряет много давления при его извлечении из высоконапорного компрессора и движении от полого вала к высоконапорной турбине, хотя основной воздушный поток также теряет давление при прохождении через камеру сгорания, а процесс от вала до лопасти имеет определенный центрифужный сжимающий и повышающий давление эффект, все еще требуется более высокое статическое давление для подачи охлаждающего воздуха на поверхность лопасти. В этот момент необходимо отверстие с расширяющимся поперечным сечением для обработки охлаждающего воздуха, снижения динамического давления и увеличения статического давления, а затем охлаждающий воздух отталкивает горячий основной воздушный поток от поверхности лопасти (много чепухи). Кроме того, слишком высокая скорость может вызвать прямое впрыскивание охлаждения в основной воздушный поток, и у него есть другая задача — образование слоя охлаждающей воздушной пленки на поверхности лопасти для защиты лопасти, что требует замедления и повышения давления.

Поэтому этот тип отверстия требует оптимизации своей геометрической формы для различных положений. Процесс лазерного сверления можно легко автоматизировать, но недостатком является то, что появится внутренний поверхностный стресс.

В хвостовой части статора турбины (однокристаллического, оффтопик) необходимо пробивать отверстия для охлаждения следа, чтобы обслуживать последующий турбинный ротор. Это отверстие крайне удлиненное и не может выдерживать внутренний стресс, поэтому оно изготавливается с использованием электрохимической коррозии. Конечно, это не абсолютные правила, и у разных компаний разные методы обработки.

После этого получается лопасть турбины из однокристаллического материала, но она еще не покрыта. Современные лопасти турбин требуют слоя термобарьерного покрытия из циркония, керамического оксида циркония. Поскольку это керамика, она хрупкая в определенной степени. Когда турбина работает, если произойдет незначительная деформация, вся деталь может отслоиться, и лопасти турбины сразу расплавятся. Это абсолютно недопустимо в Hangfa.

Затем используется процесс EB-PVD (электронно-лучевое физическое паровое осаждение), метод парофазного осаждения.

Конечно, перед этим наносятся многослойные материалы других типов, такие как покрытие платиной (платина), плазменная напылениz и так далее. Также есть слой для усиления циркония и его склеивания, как клей. Конечно, между компаниями существуют небольшие различия, и они не статичны.

Сначала электронная пушка испускает пучок электронов, который направляется магнитным полем и ударяет по субстрату из циркония. Субстрат, подвергнутый бомбардировке электронами, переходит в газообразное состояние, и газообразный цирконий направляется на поверхность лопасти, чтобы начать рост. Цирконий вырастает в маленькие палочки диаметром 1 микрон и длиной 50 микрон, плотно покрывая поверхность лопасти без закрытия пор. Поскольку это не цельный керамический элемент, маленькие палочки могут немного двигаться относительно друг друга, не отслаиваясь полностью, что решает проблему повреждений, вызванных деформацией.

Цирконий обладает чрезвычайно высокой твердостью и крайне низкой теплопроводностью, что позволяет создать очень крутой температурный градиент между никелевым субстратом и горячим потоком воздуха. При использовании внутреннего охлаждения и воздушной пленочной защиты лопасть может длительное время работать с высокой прочностью и надежностью в условиях, значительно превышающих ее собственную температуру плавления.

На этом этапе поверхность лопасти готова. Чтобы установить ее в турбинное колесо, лопасти также необходим корневой участок с шпоночной или шлицевой структурой.

Как упоминалось выше, каждая турбинная лопасть выдерживает более десяти тонн центробежной силы при работе, поэтому корень лопасти также должен быть обработан очень точно. Никелевые сверхалloys очень твердые, жаростойкие и крайне сложные для обработки.

Корень лопасти формируется шлифованием. Лопасть фиксируется специальным приспособлением, а верхние и нижние шлифовальные диски с противоположной геометрией (матрица) выполняют внутреннее шлифование.

Это приведет к быстрому износу шлифовального круга, поэтому снаружи двух шлифовальных кругов добавляется положительный алмазный шлифовальный круг для непрерывной шлифовки шлифовального круга, чтобы поддерживать его работоспособность. Алмазы на алмазном круге приклеены роботами.

После этих процессов и проверки лезвие готово к работе. Это всего лишь часть авиадвигателя, а авиадвигатель — всего лишь модуль на самолете.