Jednokrystalové vrtule: technologický prelom, ktorý premáva obmedzenia vysokých teplôt

1 Vývoj leteckých plynúkových turbínových motorov

Keď sa zvýšili požiadavky na výkonnosť lietadiel pre dopravu, vojenské účely, výrobu a iné účely, najstaršie pístové motory už nemohli spĺňať potreby rýchlejho letu. Preto od 50. rokov minulého storočia postupne plynúkové turbínové motory stalí hlavnou silou.

V roku 1928 vyučenec Sir Frank Whittle z Veľkej Británie uviedol v svojej diplomovej práci „Budúci vývoj v konštrukcii lietadlov“ počas štúdia na vojenskej akadémii, že pod technickým vedomím v tom čase nemohol budúci vývoj vrtuľových motorov spĺňať potreby vysokých nadmorských výšok alebo rýchlostí letu presahujúcich 800 km/h. Popri tom bol prvým, ktorý predložil myšlienku toho, čo dnes nazývame reaktivný motor (motor): komprimovaný vzduch je dodávaný do spalovacej komory (spalovanie) pomocou tradičneho pístu a vysoce horečné plyny sa priamo používajú na pohon letu, čo môžeme považovať za kombináciu vrtuľového motora s navrhnutím spalovacej komory. V následnom výskume zavrhol myšlienku použitia ťažkého a neefektívneho pístu a navrhol použitie turbíny (turbína) na dodávanie komprimovaného vzduchu do spalovacej komory, pričom energiu pre túto turbínu získava z vysoko teplých výfukových plynov. V roku 1930 si Whittle podal patent a v roku 1937 vyvinul prvé centrifugálne turboreaktívne motory na svete, ktoré boli oficiálne použité na lietadle Gloster E.28/39 v roku 1941. Odtedy dominujú plynové turbínové motory v leteckej silnej technológii a sú dôležitým symblom vedecko-technologickej úrovne a celkového národného silovania krajiny.

Lietadlové motory sa dajú rozdeliť do štyroch základných typov podľa ich použitia a štrukturálnych charakteristík: turboreaktívne motory, turbovzdušné motory, turbodravé motory a turbopropelérne motory:

Aviačne plynúce turbine sú známe ako turboreaktívne motory, ktoré sú najstaršími plynúcimi motormi použitými. Z hľadiska spôsobu vytvárania pohonia sú turboreaktívne motory najjednoduchšie a najpriamejšie motory. Rozumenie je založené na reakčnej sile vyvolanej vysokorýchlym vystrelovaním víru. Však vysokorýchly vzduch odnáša veľa tepla a kinetickú energiu, čo spôsobuje významné straty energie.

Turbovzdušný motor rozdeľuje vzduch tekúci do motora do dvoch cest: vnútorného kanála a vonkajšieho kanála, čo zvyšuje celkový prietok vzduchu a zníži teplotu a rýchlosť vypustného vzduchu vnútorného kanála.

Turbosvorné a turbopropové motory nerobia pôsobenie tlačníka vzduchom, takže je významne znížená výstupná teplota a rýchlosť, tepelná účinnosť je relatívne vysoká a spotreba paliva motorom je nízka, čo je vhodné pre letouny na dlhé vzdialenosti. Rýchlosť vrtuľa sa obvykle nezmení, a rôzne pôsobenia sú dosiahnuté prispôsobením uhlom vyklopenia lopatiek.

Motor propfan je motormi medzi turbopropovým a turbofanovým motormi. Dajú sa rozdeliť na motory propfan s trubkovitými hrubami pre vrtuľ a motory propfan bez trubkovitých hrbu pre vrtuľ. Motor propfan je najkonkurентnejším novým úsporným motorm, ktorý je vhodný pre podzvukový let.

Motorové letectvo prešlo viac ako polovicou storočia vývoja. Konštrukcia motora sa vyvinula od raného centrifužného turbinového motora po jednorotorový axiálny prúdový motor, od dvojrotorovej turbojetovej motory po motor s nízkym stupeňom obchodu a potom k motorom so vysokým stupeňom obchodu. Štruktúra je neustále optimalizovaná v snahe o efektivitu a spoľahlivosť. Teplota vstupu do turbíny bola v prvej generácii turbojetových motorm v 40. a 50. rokoch len 1200-1300K. Zvyšovala sa asi o 200K s každou modernizáciou lietadla. Do 80. rokov sa teplota vstupu do turbíny u štvrtej generácie pokročilých bojových lietadiel zvýšila na 1800-2000K[1].

Princíp centrifugálneho vzduchového kompresora spočíva v tom, že lopatka pohania plyn na veľkú rýchlosť rotácie, čo spôsobuje vznik centrifugálnej sily u plynu. V dôsledku tlakového prúdenia pri rozšírení plynu v lopatke sa zvýši rýchlosť a tlak plynu po prechode cez lopatku, čo vytvára neustále komprimovaný vzduch. Má krátke axiálne rozmery a vysoký jednostupňový tlakový pomer. Axialný vzduchový kompresor je kompresor, v ktorom sa vzduchový tok základne pohybuje rovnobežne s osou rotujúcej lopatky. Axialný kompresor sa skladá z viacerých stupňov, každý obsahuje rad lopatiek rotoru a nasledujúcich lopatiek statoru. Rotor sú pracovné lopatky a koleso, stator je vodič. Vzduch sa najprv zrýchli lopatkami rotoru, potom sa spomali a stlačí v kanáli lopatiek statoru, čo sa opakuje v viacerých stupňoch lopatiek, kým celkový tlakový pomer nedosiahne požadovanú úroveň. Axialný kompresor má malý priemer, čo umožňuje ľahké použitie viacerých stupňov v sérii na dosiahnutie vyššieho tlakového pomeru.   

Turbínové motory s ventilátorom obvykle používajú pomerné číslo prechodu, pomer tlaku motoru, teplotu vstupu do turbíny a pomer tlaku ventilátora ako dizajnové parametre:

Pomerné číslo prechodu (BPR): Pomer hmotnosti plynu prechádzajúceho cez výfukové trubky ku hmotnosti plynu prechádzajúceho cez vnútorné trubky v motore. Rotor na prednej strane turbojetového motora sa obvykle nazýva nízkotlaký kompresor, a rotor na prednej strane turboventilátorového motora sa obvykle nazýva ventilátor. Tlakový plyn prechádzajúci cez nízkotlaký kompresor prejde všetkými časťami turbojetového motora; plyn prechádzajúci cez ventilátor sa rozdeľuje do vnútorných a vonkajších trubok. Od vzniku turboventilátorových motorov sa BPR neustále zvyšuje, a táto tendencia je osobitne viditeľná v občianskych turboventilátorových motorech.

Pomer tlaku motoru (EPR): Pomer celkového tlaku na výstupe z trysky ku celkovému tlaku na vstupe do kompresora.

Teplota vstupu do turbíny: Teplota výfukových plynov z palivovej komory pri ich vstupe do turbíny.

Stupňovosť ventilácie: Taktiež označovaná ako stupňovosť kompresie, pomer tlaku plynu na výstupe kompresora ku tlaku plynu na jeho vstupe.

Dve účinnosti:

Tepelná účinnosť: Meranie toho, ak efektívne motore premení tepelnú energiu vygenerovanú spalovaním na mechanickú energiu.

Účinnosť pohybového systému: Meranie toho, aká časť mechanickej energie vygenerованej motorm je použitá na pohyb letouna.

Vývoj listov turbíny

Iteratívny vývoj

Použitím turboventilového motora ako príkladu, zastupujú čepele až 35 % jeho hodnoty a sú kľúčovou súčasťou výroby leteckých motorov. V jednom motore je 3 000 až 4 000 letectvých čepiel, ktoré sa dajú rozdeliť do troch kategórií: ventilové čepele, kompresorové čepele a turbínové čepele. Turbínové čepele majú najvyššiu hodnotu, dosahujúci až 63 %. Zároveň sú to tiež čepele s najväčšou výrobnou náročnosťou a výrobnými nákladmi v turboventilových motoreoch [2].

V 70. rokoch minulého storočia bola Spojená štátka prvou, ktorá použila smerovo zvieradlové čepele PWA1422 v vojenských a civilných leteckých motorech.

Po 80. rokoch sa pomer tahu ku hmotnosti tretej generácie motorov zvýšil na viac ako 8, a turbínové listy začali používať prvé generáciu materiálov SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 a Číny DD3. Ich teplotná kapacita je o 80K vyššia ako u najlepšieho smerovo zatvrdzovaného kovového spoja vysokotemperatúrnej aliancie PWA1422. Výhody. Spolu s technológiou filmového chladenia jednopruhovej dutiny sa teplota prevádzky turbínových laliek zvyšuje na 1600-1750K.

Štvrtá generácia turboventilového motora používa druhú generáciu materiálov SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 a DD6. Pridáním Re elementov a viacopruhovou vysokotlakovou vzduchovou chladivou technológiou sa teplota prevádzky turbínových laliek zvyšuje na 1800K-2000K. Pri 2000K a 100 hodínach je trvalá sila 140MPa.

Tretia generácia SX vyvinutá po 90. rokoch zahŕňa RenéN6, CMRX-10 a DD9, ktoré majú veľmi významné výhody v odolnosti pred plazmovým deformovaním voči druhej generácii SX. Pod ochranou komplexných chladivých kanálov a tepelných izolačných nátierov dosahuje teplota vstupu do turbíny, ktorú môže vydržať, 3000K. Medzikovová liga použitá v listoch dosahuje 2200K a 100h trvanlivá sila dosahuje 100MPa.

Momentálne sa vyvíjaju štvrtá generácia SX reprezentovaná MC-NG[4], TMS-138 atď., a pätá generácia SX reprezentovaná TMS-162 atď. Jej súčasť je charakterizovaná pridávaním nových redkозemelých prvkov ako sú Ru a Pt, čo významne zlepšuje vysokoteplú odolnosť pred plazmom SX. Pracovná teplota piatej generácie vysokoteplých ligie dosiahla 1150°C, čo je blízko k teoretickému limitnému pracovnému bodu 1226°C.

3 Vývoj niklových jednoduchokrystaliných superligi

3.1 Charakteristiky súčinového složenia a fázového složenia niklových jednofázových kryštálových superligatúr

Podľa typu maticových prvkov môžu byť vysokoteplné ligatúry rozdelené na železobazické, niklobazické a kobaltbazické, a ďalej podrobené na lisovanie, kovárenské a práškovometalurgické makroštruktúry. Niklové ligatúry majú lepšie vysokoteplné vlastnosti ako ostatné dva typy vysokoteplných ligatúr a môžu pracovať dlhodobo v náročných vysokoteplných prostrediah.

Nikelové vysokoteplotné slitiny obsahujú aspoň 50% Ni. Ich FCC štruktúra ich robí veľmi kompatibilnými s niektorými pridávanými prvami. Počet pridávaných zložiek počas dizajnového procesu často presahuje 10. Spoločnosť pridávaných zložiek je klasifikovaná nasledovne: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo a W sú prvky prvej triedy, ktoré slúžia ako stabilizátory austenitu; (2) Al, Ti, Ta a Nb majú väčšie atómove polomerky, čo podporuje tvorbu posilujúcich fází, ako je spojivosť Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), a sú to prvky druhej triedy; (3) B, C a Zr sú tretie triedy prvkov. Ich atómová veľkosť je oveľa menšia než u niklových atomov a ľahko sa segregujú na hranice zrnočiek fázy γ, hranične posilňujúc [14].

Fáze nikelových jednofázových vysokoteplotných slitín sú hlavne: fáza γ, fáza γ', karbidová fáza a topologicky blízko zabalená fáza (TCP fáza).

Fáza γ: Fáza γ je fáza austenitu s krystalickou štruktúrou FCC, ktorá je pevným riešením tvoreným prvkami ako Cr, Mo, Co, W a Re disolvovanými v nikle.

Fáza γ': Fáza γ' je mezikovová zlúčenina Ni3(Al, Ti) s FCC, ktorá sa tvorí ako vykrystalkovačná fáza a udržiava určitú koherenciu a nesúlad s maticovou fázou, bohatú na prvky ako Al, Ti, Ta a iné.

Karbidová fáza: Od druhej generácie niklových SX sa pridáva malé množstvo C, čo spôsobuje vytvorenie karbidov. Malé množstvo karbidov je rozptýlených v matrici, čo do istej miery zlepšuje vysokoťažnú vlastnosť ligatúry. Obvykle sa delí na tri typy: MC, M23C6 a M6C.

Fáza TCP: V prípade starnutia materiálu sa prebytkové žarove odolné prvký, ako sú Cr, Mo, W a Re, podieľajú na vytváraní fázy TCP. Fáza TCP sa obvykle tvorí vo forme pláta. Plátová štruktúra má záporný vplyv na kovkosť, pohyblivosť a únavové vlastnosti. Fáza TCP je jednou zdrojom trhlin pri krčobnom prerušení.

Mechanizmus posilnenia

Silnosť niklových superligoviek pochádza z kombinácie viacerých mechanizmov posilnenia, vrátane pevnostného posilnenia, krištáľového posilnenia a tepelných spracovaní, ktoré zvyšujú hustotu dislokácií a vyvíjajú dislokáčnú podštruktúru na posilnenie materiálu.

Pevnostné posilnenie sa uskutočňuje pridávaním rôznych rozpustných prvkov, vrátane Cr, W, Co, Mo, Re a Ru, aby sa zvýšila základná pevnosť.

Rozdielné atómove polomerky spôsobujú určitú stupeň deformácie atómovej sieťe, čo bráni pohybu dislokácií. Pevnostné posilnenie sa zvyšuje s nárastom rozdielu v veľkosti átomov.

Zpevňovanie pevnou riešeninou má tiež vplyv na zníženie energie zlyhania vrstev (SFE), hlavne na potlačenie krížového posuvu dislokácií, čo je hlavným režimom deformácie neideálnych krystalov pri vysokých teplotách.

Atómove skupiny alebo mikroštruktúry s krátkovrchovým poriadkom sú ďalším mechanizmom, ktorý pomáha dosiahnuť zpevnenie cez pevnú riešeninu. Atómy Re v SX sa segregujú v oblastiťahovej strechy v jadre dislokácie na rozhraní γ/γ', tvoriace "Cottrellovu atmosféru", ktorá účinne bráni pohybu dislokácií a šíreniu trhlin. (Roztokové atómy sa koncentrujú v oblasti tahovej strechy hraničných dislokácií, čo zníži deformáciu siete, tvorí Coriolisovu plynovú štruktúru a vyvolá silné zpevňovanie pevnou riešeninou. Tento efekt sa zvyšuje s nárastom koncentrácie roztokových átomov a s nárastom rozdielu veľkostí.)

Re, W, Mo, Ru, Cr a Co účinné zvyšujú silu fázy γ. Upevnenie rozpustnosti matricy γ má významný vplyv na pevnosť pri plzeni niklových vysokoteplotných alejov.

Efekt tvrdnutia precipitáciou je ovplyvnený objemovým podielom a veľkosťou fázy γ'. Cieľ optimalizácie sústavy vysokoteplotných ligatúr spočíva hlavne v zvyšovaní objemového podielu fázy γ' a vylepšovaní mechanických vlastností. Vysokoteplotné ligatúry typu SX môžu obsahovať 65% - 75% fázy γ', čo viedlo k dobrým vlastnostiam odporu predkrápu. Toto predstavuje užitočný maximálny hodnotu efektu posilnenia rozhraním γ/γ', ďalšie zvýšenie by spôsobilo významné zníženie pevnosti. Odpor predkrápu vysokoteplotných ligatúr s vysokým objemovým podielom fázy γ' je ovplyvňovaný veľkosťou častíc fázy γ'. Keď je veľkosť fázy γ' malá, dislokácie sa sklonia obchádzať ju, čo spôsobí zníženie odporu predkrápu. Keď sú dislokácie nútené preťažiť fázu γ', dosahuje sa maximálny odpor predkrápu. S rastúcimi rozmierami častíc fázy γ' sa dislokácie sklonia ohyňovať medzi nimi, čo spôsobí zníženie odporu predkrápu [14].

Existujú tri hlavné mechanizmy zvyšovania pevnosti krútením:

Zvyšovanie pevnosti nerovnosťou sieťovej štruktúry: fáza γ’ je disperzne a krútne v matrici fázy γ súdržne. Obe majú FCC štruktúru. Nerovnosť sieťovej štruktúry odráža stabilitu a streseový stav súdržného rozhrania medzi oboma fázami. Najlepším prípadom je, keď matrica a krútacia fáza majú rovnakú krystalografickú štruktúru a sieťové parametre rovnakej geometrie, aby sa do fázy γ dalo zaplniť viac krútacích fáz. Rozsah nerovnosti u niklových vysokoteplotných ligatúr je 0~±1%. Re a Ru sú zjavne segregované s fázou γ. Zvýšenie Re a Ru zvyšuje nerovnosť sieťovej štruktúry.

Zvyšovanie pevnosti usporiadaním: Pri rezu dislokáciou nastane nerovnosť medzi maticou a krútacou fázou, čo vyžaduje viac energie.

Mechanizmus obchádzania dislokácií: sa nazýva Orowanov mechanizmus (Orowan bowing), je to mechanizmus zpevnenia, pri ktorom fáza vytvorená v kovovej matici bráni pohybu dislokácie. Základný princíp: Keď sa pohybujúca dislokácia stretne s časticiou, nemôže ju prekročiť, čo spôsobí jej obchádzanie, rast dislokačnej čiary a potrebná pohonová sila sa zvyšuje, čo má za následok zpevňujúci efekt.

3.3 Vývoj metód lietania vysokohtových spojov

Najstaršia slitina použitá v vysokoťažkých prostrediah sa dá vyťahovať až k vynálezu Nichrome v roku 1906. Vznik turbo kompresorov a plynutých turbín stimuloval podstatný rozvoj vysokoťažkých slitín. Lalie prvej generácie plynutých turbín boli vyrobené extrúzou a kovanie, čo zjavne malo obmedzenia svojho času. V súčasnosti sú lalie z vysokoťažkých slitín hlavne vyrobené investičným kovaniu, konkrétne smerovanou krystalizáciou (DS). Metóda DS bola popriamo vynálezom tímu Versnydera spoločnosti Pratt & Whitney v USA v 70. rokoch 20. storočia [3]. Počas decádий rozvoja sa preferované materiály pre lalie zmenili od izotropických krystalov na slúpcovité krystaly a následne optimalizované na jediné krystálové vysokoťažké slitiny.

DS technológia sa používa na výrobu slúpcových jadier z aliancu SX, čo významne zvyšuje kovateľnosť a odolnosť pred teplotným šokom vysoko-teplotných aliancov. DS technológia zabezpečuje, aby vytvorené slúpcové krystaly mali orientáciu [001], ktorá je rovnobežná s hlavnou stresovou osou komponentu, namiesto náhodnej krystalovej orientácie. Zásadne povedané, DS musí zabezpečiť, aby sa zaťaženie hliny v odlive vykonávalo tak, aby bolo kovové živadlo vždy v práve zaťaženom stave.

Odlievanie slúpcových krystalov musí spĺňať dve podmienky: (1) Jednosmerný toks prepoja, aby sa rozhranie pevná-tekutá pri raste zrno pohybovalo v jednom smere; (2) Pred pohybom rozhrania pevná-tekutá nesmie dôjsť k vytváraniu jadier.

Pretože prelomenie čepu obvykle nastáva v vysokoteplotnej slabej štruktúre na hranici zrnočiek, aby sa odstránila hranica zrnočiek, počas smerového zpevňovania sa používa zpevňovacia forma s "výberom zrna". Rozmery tohto útvaru sú blízke veľkosti zrna, takže do formy odlitku vstupuje len jediné optimálne rastúce zrno, ktoré potom pokračuje vo raste v tvare jednoduchého krystálu, kým celý čep nie je skladaný iba z jedného zrna.

Výber krystalov sa dá rozdeliť do dvoch častí: začiatočného bloku a špirály:

Na začiatku procesu DS sa v základničke začínajú tvoriť krystaly na jej spodnej strane. V predchádzajúcej fáze rastu krystalov je ich počet veľký, veľkosť malá a orientačný rozdiel je veľký. Dominuje súťaživé rastúce správanie medzi krystalmi, zatiaľ čo geometrický blokujúci efekt bočnej steny je slabý. V tomto momente je efekt optimalizácie orientácie zreteľný; keď sa zvýši výška krystalov v základničke, počet krystalov klesá, veľkosť sa zväčší a ich orientácia sa približuje. Súťaživé rastúce správanie medzi krystalmi klesá a geometrický blokujúci efekt bočnej steny dominuje, čo zabezpečí, že sa smerná optimalizácia môže neustále zlepšovať, ale efekt optimalizácie orientácie sa oslabí. Zmenšením polomeru základničky a zvýšením jej výšky sa môže efektívne optimalizovať orientácia krystalov prechádzajúcich do špirálového oddielu. Avšak zvýšenie dĺžky základničky skrátka efektívny rastový priestor lievnicou a prinesie vyššie produkčné náklady a pripravné časy. Preto je potrebné racionálne navrhnúť geometrickú štruktúru podložky.

Hlavnou funkcou spirály je efektívne výber jednoduchých krystalov, pričom schopnosť optimalizovať orientáciu zrnenia je slabá. Keď sa DS proces vykonáva v spirále, zakrivený kanál poskytuje priestor na rast vetvení dendritov a sekundárne dendrity zrnenia postupujú v smere čiary kapalného štátu. Zrná majú silnú bočnú tendenciu rozvoja a ich orientácia je v fluktuujúcom stave, s malým efektom optimalizácie. Preto sa výber zrn v spirále závisí hlavne od geometrického obmedzovacieho výhodu, výhodu konkurencnej rasti a priestorovej expanziónej výhody zrn v úseku spirály [7], namiesto rastovej výhody preferovaných orientácií zrn, ktorá má veľkú náhodnosť [6]. Preto hlavný dôvod neúspechu výberu krystalov je ten, že spirála neprejavuje úlohu výberu jednotlivých krystalov. Zvyšovaním vonkajšieho priemeru spirály, znížením hriechu, priemeru povrchu spirály a znížením začiatočného uhla môže byt výber krystalov výrazne zlepšený.

Príprava dutých jednokrystalových turbínových lopatiek vyžaduje viac ako tucet krokov (tavenie materiálového spoja, príprava jednokrystalovej membránovej obaly, príprava keramického jadierka s komplexnou konfiguráciou, tavenie pri roztajení, smerová zpevnenie, tepelná spracovanie, povrchová úprava, príprava termicko-barierného nátieru atď.). Zložitý proces je predĺžený na rôzne defekty, ako sú pohyblivé vlačky, fleky, maloúhlé granularné hranice, štriekové krystalky, odchýlka orientácie, rekrystalizácia, veľkouhlé granularné hranice a neúspešná výber krystalov.