Jednokryštálové turbínové lopatky: technologický prelom, ktorý prekonáva vysoké teplotné limity Slovensko

1 Vývoj leteckých plynových turbínových motorov

S rastúcimi výkonnostnými požiadavkami na lietadlá na prepravu, armádu, výrobu a iné účely, prvé piestové motory už nedokázali vyhovovať potrebám vysokorýchlostného letu. Preto sa od 1950. rokov minulého storočia motory s plynovou turbínou postupne stali hlavným prúdom.

V roku 1928 Sir Frank Whittle zo Spojeného kráľovstva vo svojej diplomovej práci „Budúci vývoj v dizajne lietadiel“ počas štúdia na vojenskej akadémii poukázal na to, že pri vtedajších technických znalostiach sa budúci vývoj vrtuľových motorov nedal prispôsobiť potrebám. vo vysokej nadmorskej výške alebo rýchlosťou letu presahujúcou 800 km/h. Prvýkrát navrhol koncepciu toho, čo sa dnes nazýva prúdový motor (motorový motor): stlačený vzduch sa privádza do spaľovacej komory (spaľovania) cez tradičný piest a generovaný plyn s vysokou teplotou sa priamo používa na pohon letu, ktorý môže považovať za vrtuľový motor plus konštrukciu spaľovacej komory. V následnom výskume opustil myšlienku použitia ťažkého a neefektívneho piestu a navrhol použiť turbínu (turbínu) na dodávanie stlačeného vzduchu do spaľovacej komory a výkon turbíny sa získaval z vysokoteplotných výfukových plynov. V roku 1930 Whittle požiadal o patent a v roku 1937 vyvinul prvý odstredivý prúdový motor na svete, ktorý bol oficiálne použitý v lietadle Gloster E.28/39 v roku 1941. Odvtedy dominujú v letectve motory s plynovou turbínou a sú dôležitým symbolom vedeckej a technologickej priemyselnej úrovne krajiny a komplexnej národnej sily.

Letecké motory možno podľa použitia a konštrukčných vlastností rozdeliť do štyroch základných typov: prúdové motory, turbodúchadlové motory, turbohriadeľové motory a turbovrtuľové motory:

Letecké motory s plynovou turbínou sa označujú ako prúdové motory, čo sú prvé používané motory s plynovou turbínou. Z hľadiska spôsobu generovania ťahu sú prúdové motory najjednoduchšie a najpriamejšie motory. Úvaha sa opiera o reakčnú silu generovanú vysokorýchlostným vstrekovaním víru. Vysokorýchlostné prúdenie vzduchu však odoberá veľa tepla a zároveň kinetickej energie, čo spôsobuje veľké energetické straty.

Motor s turbodúchadlom rozdeľuje vzduch prúdiaci do motora na dve cesty: vnútorné potrubie a vonkajšie potrubie, čím sa zvyšuje celkový prietok vzduchu a znižuje sa teplota výfukových plynov a rýchlosť prúdenia vzduchu vo vnútornom potrubí.

Turbohriadeľové a turbovrtuľové motory nevytvárajú ťah vstrekovaním prúdu vzduchu, takže teplota a rýchlosť výfukových plynov sú výrazne znížené, tepelná účinnosť je relatívne vysoká a spotreba paliva motora je nízka, čo je vhodné pre lietadlá s dlhým doletom. Rýchlosť vrtule sa vo všeobecnosti nemení a nastavením uhla listu sa získajú rôzne ťahy.

Propfan motor je motor medzi turbovrtuľovým a turboventilátorovým motorom. Možno ho rozdeliť na propfan motory s vrtuľovými skriňami a propfan motory bez vrtuľových skríň. Propfanový motor je najkonkurencieschopnejší nový energeticky úsporný motor vhodný na podzvukový let.

Motory civilného letectva prešli viac ako polstoročným vývojom. Štruktúra motora sa vyvinula zo skorého odstredivého turbínového motora na jednorotorový motor s axiálnym prietokom, z dvojrotorového prúdového motora na turbodúchadlový motor s nízkym obtokovým pomerom a potom na turbodúchadlový motor s vysokým obtokovým pomerom. Štruktúra bola neustále optimalizovaná s cieľom efektívnosti a spoľahlivosti. Vstupná teplota turbíny bola len 1200-1300 K v prvej generácii prúdových motorov v 1940. a 1950. rokoch 200. storočia. S každou modernizáciou lietadla sa zvýšil o približne 1980 1800. V osemdesiatych rokoch minulého storočia dosiahla vstupná teplota turbíny vyspelých stíhačiek štvrtej generácie 2000-1 K[XNUMX].

Princíp odstredivého vzduchového kompresora spočíva v tom, že obežné koleso poháňa plyn, aby sa otáčal vysokou rýchlosťou, takže plyn vytvára odstredivú silu. V dôsledku expanzného tlakového prietoku plynu v obežnom kolese sa zvyšuje prietok a tlak plynu po prechode obežným kolesom a neustále sa vytvára stlačený vzduch. Má krátky axiálny rozmer a vysoký jednostupňový tlakový pomer. Axiálny vzduchový kompresor je kompresor, v ktorom prúd vzduchu prúdi v podstate rovnobežne s osou rotujúceho obežného kolesa. Axiálny kompresor pozostáva z viacerých stupňov, každý stupeň obsahuje rad lopatiek rotora a následný rad lopatiek statora. Rotor sú pracovné lopatky a koleso a stator je vedenie. Vzduch je najskôr zrýchľovaný listami rotora, spomalený a stlačený v kanáli lopatiek statora a opakovaný vo viacstupňových lopatkách, kým celkový tlakový pomer nedosiahne požadovanú úroveň. Axiálny prietokový kompresor má malý priemer, čo je vhodné pre viacstupňové tandemové použitie na získanie vyššieho tlakového pomeru.  

Turboventilátorové motory zvyčajne používajú ako konštrukčné parametre obtokový pomer, tlakový pomer motora, vstupnú teplotu turbíny a tlakový pomer ventilátora:

Obtokový pomer (BPR): Pomer hmotnosti plynu prúdiaceho cez výstupné potrubie k hmotnosti plynu prúdiaceho cez vnútorné potrubie v motore. Rotor v prednej časti prúdového motora sa zvyčajne nazýva nízkotlakový kompresor a rotor v prednej časti motora s turbodúchadlom sa zvyčajne nazýva ventilátor. Stlačený plyn prechádzajúci cez nízkotlakový kompresor prechádza všetkými časťami prúdového motora; plyn prechádzajúci ventilátorom je rozdelený na vnútorné a vonkajšie potrubie. Od vzniku turbodúchadlových motorov sa BPR zvyšuje a tento trend je zrejmý najmä v civilných turbodúchadlových motoroch.

Tlakový pomer motora (EPR): Pomer celkového tlaku na výstupe z dýzy k celkovému tlaku na vstupe kompresora.

Vstupná teplota turbíny: Teplota výfukových plynov zo spaľovacej komory, keď vstupujú do turbíny.

Kompresný pomer ventilátora: Tiež označovaný ako kompresný pomer, pomer tlaku plynu na výstupe kompresora k tlaku plynu na vstupe.

Dve účinnosti:

Tepelná účinnosť: Meradlo toho, ako efektívne motor premieňa tepelnú energiu generovanú spaľovaním na mechanickú energiu.

Účinnosť pohonu: Miera podielu mechanickej energie generovanej motorom, ktorá sa používa na pohon lietadla.

2 Vývoj lopatky turbíny

Iteračný vývoj

Ak vezmeme ako príklad motor s turbodúchadlom, hodnota lopatiek predstavuje až 35 % a sú kritickým komponentom pri výrobe leteckých motorov. V motore je 3,000 4,000 až 63 2 lopatiek letectva, ktoré možno rozdeliť do troch kategórií: lopatky ventilátora, lopatky kompresora a lopatky turbíny. Najvyššia je hodnota lopatiek turbín, ktorá dosahuje XNUMX %. Zároveň sú to aj lopatky s najvyššou výrobnou náročnosťou a výrobnými nákladmi v turboventilátorových motoroch [XNUMX].    

V 1970. rokoch minulého storočia USA ako prvé použili smerové tuhnúce lopatky PWA1422 vo vojenských a civilných leteckých motoroch.

Po 1980. rokoch sa pomer ťahu a hmotnosti motora tretej generácie zvýšil na viac ako 8 a lopatky turbíny začali používať prvú generáciu SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 a čínsky DD3. Jeho teplotná únosnosť je o 80 K vyššia ako u najlepšej vysokoteplotnej zliatiny PWA1422 so smerovým tuhnutím. Výhody. V spojení s jednokanálovou dutou technológiou filmového chladenia dosahuje prevádzková teplota lopatiek turbíny 1600-1750 K. .

Štvrtá generácia turboventilátorového motora využíva druhú generáciu SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 a DD6. Pridaním prvkov Re a viackanálovej technológie vysokotlakového vzduchového chladenia dosahuje prevádzková teplota lopatiek turbíny 1800K-2000K. Pri 2000K a 100h Trvalá pevnosť dosahuje 140MPa.

Tretia generácia SX vyvinutá po 1990. rokoch zahŕňa RenéN6, CMRX-10 a DD9, ktoré majú oproti druhej generácii SX veľmi zjavné výhody pevnosti pri tečení. Pod ochranou komplexných chladiacich kanálov a tepelných bariérových povlakov dosahuje vstupná teplota turbíny, ktorú dokáže vydržať, 3000 K. Intermetalická zliatina použitá v čepeľách dosahuje 2200 K a 100h trvalá pevnosť dosahuje 100 MPa.

V súčasnosti je vo vývoji štvrtá generácia SX reprezentovaná MC-NG[4], TMS-138 atď., a piata generácia SX reprezentovaná TMS-162 atď. Jej zloženie je charakteristické pridaním nových prvkov vzácnych zemín ako napr. ako Ru a Pt, čo výrazne zlepšuje výkon SX pri tečení pri vysokých teplotách. Pracovná teplota vysokoteplotnej zliatiny piatej generácie dosiahla 1150°C, čo je blízko teoretickej limitnej prevádzkovej teploty 1226°C.

3 Vývoj monokryštálových superzliatin na báze niklu

3.1 Charakteristiky zloženia a fázové zloženie monokryštálových superzliatin na báze niklu

Podľa typu matricových prvkov možno vysokoteplotné zliatiny rozdeliť na železné, niklové a kobaltové a ďalej deliť na makroštruktúry odlievania, kovania a práškovej metalurgie. Zliatiny na báze niklu majú lepší výkon pri vysokých teplotách ako ostatné dva typy vysokoteplotných zliatin a môžu pracovať dlhú dobu v drsnom prostredí s vysokou teplotou.

Vysokoteplotné zliatiny na báze niklu obsahujú najmenej 50 % Ni. Ich FCC štruktúra ich robí vysoko kompatibilnými s niektorými legovacími prvkami. Počet legujúcich prvkov pridaných počas procesu návrhu často presahuje 10. Spoločnosť pridaných legujúcich prvkov je klasifikovaná takto: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo a W sú prvotriedne prvky. , ktoré slúžia ako prvky stabilizujúce austenit; (2) Al, Ti, Ta a Nb majú väčšie atómové polomery, ktoré podporujú tvorbu spevňujúcich fáz, ako je zlúčenina Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), a sú to prvky druhej triedy; (3) B, C a Zr sú prvky tretej triedy. Ich veľkosť atómov je oveľa menšia ako veľkosť atómov Ni a ľahko sa oddeľujú k hraniciam zŕn fázy γ, čo hrá úlohu pri spevňovaní hraníc zŕn [14].

Fázy monokryštálových vysokoteplotných zliatin na báze niklu sú hlavne: γ fáza, γ' fáza, karbidová fáza a topologická uzavretá fáza (TCP fáza).

γ fáza: γ fáza je austenitová fáza s kryštálovou štruktúrou FCC, čo je tuhý roztok tvorený prvkami ako Cr, Mo, Co, W a Re rozpustenými v nikle.

γ' fáza: γ' fáza je Ni3(Al, Ti) intermetalická zlúčenina FCC, ktorá sa tvorí ako precipitačná fáza a zachováva si určitú koherenciu a nesúlad s fázou matrice a je bohatá na Al, Ti, Ta a iné prvkov.

Karbidová fáza: Počnúc druhou generáciou SX na báze niklu sa pridáva malé množstvo C, čo vedie k vzniku karbidov. V matrici je rozptýlené malé množstvo karbidov, čo do určitej miery zlepšuje vlastnosti zliatiny pri vysokých teplotách. Vo všeobecnosti sa delí na tri typy: MC, M23C6 a M6C.

TCP fáza: V prípade starnutia služby, nadmerné žiaruvzdorné prvky ako Cr, Mo, W a Re podporujú precipitáciu TCP fázy. TCP je zvyčajne vytvorený vo forme platne. Štruktúra dosky má negatívny vplyv na ťažnosť, tečenie a únavové vlastnosti. TCP fáza je jedným zo zdrojov trhliny pri tečení.

Posilňovací mechanizmus

Pevnosť superzliatin na báze niklu pochádza zo spojenia viacerých vytvrdzovacích mechanizmov, vrátane spevnenia tuhým roztokom, precipitačného spevnenia a tepelného spracovania na zvýšenie hustoty dislokácií a vyvinutie dislokačnej subštruktúry na zabezpečenie spevnenia.

Vytvrdzovanie v tuhom roztoku je zlepšenie základnej pevnosti pridaním rôznych rozpustných prvkov, vrátane Cr, W, Co, Mo, Re a Ru.

Rôzne polomery atómov vedú k určitému stupňu skreslenia atómovej mriežky, čo bráni pohybu dislokácie. Spevnenie tuhého roztoku sa zvyšuje so zvyšovaním rozdielu veľkosti atómov.

Spevnenie tuhého roztoku má tiež účinok na zníženie energie stohovacej chyby (SFE), najmä inhibíciu priečneho sklzu dislokácie, čo je hlavný deformačný režim neideálnych kryštálov pri vysokých teplotách.

Atómové zhluky alebo mikroštruktúry s krátkym dosahom sú ďalším mechanizmom, ktorý pomáha dosiahnuť spevnenie prostredníctvom tuhého roztoku. Atómy Re v SX segregujú v oblasti ťahového napätia jadra dislokácie na rozhraní γ/γ' a vytvárajú „Cottrellovu atmosféru“, ktorá účinne zabraňuje pohybu dislokácie a šíreniu trhlín. (Atómy rozpustenej látky sa sústreďujú v oblasti ťahového napätia pri dislokáciách hrán, čím sa znižuje deformácia mriežky, vytvára sa Coriolisova štruktúra plynu a vytvára sa silný účinok zosilnenia tuhého roztoku. Účinok sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou atómov rozpustenej látky a zväčšením veľkosti rozdiel)

Re, W, Mo, Ru, Cr a Co účinne posilňujú γ fázu. Spevnenie matrice γ v tuhom roztoku zohráva mimoriadne dôležitú úlohu v pevnosti pri tečení vysokoteplotných zliatin na báze niklu.

Účinok precipitačného vytvrdzovania je ovplyvnený objemovým zlomkom a veľkosťou γ' fázy. Účelom optimalizácie zloženia vysokoteplotných zliatin je najmä zvýšenie objemového podielu γ' fázy a zlepšenie mechanických vlastností. Vysokoteplotné zliatiny SX môžu obsahovať 65 % až 75 % fázy γ', čo vedie k dobrej pevnosti pri tečení. To predstavuje užitočnú maximálnu hodnotu spevňujúceho účinku rozhrania γ/γ' a ďalšie zvyšovanie povedie k výraznému poklesu pevnosti. Pevnosť pri tečení vysokoteplotných zliatin s vysokým objemovým podielom fázy γ' je ovplyvnená veľkosťou častíc fázy γ'. Keď je veľkosť fázy γ' malá, dislokácie majú tendenciu okolo nej stúpať, čo vedie k zníženiu pevnosti pri tečení. Keď sú dislokácie nútené prerušiť fázu γ', pevnosť pri tečení dosiahne maximum. Keď sa častice fázy γ' zväčšujú, dislokácie majú tendenciu sa medzi nimi ohýbať, čo vedie k zníženiu pevnosti pri tečení [14].

Existujú tri hlavné mechanizmy posilňovania zrážok:

Posilnenie nesúladu mriežky: γ' fáza je dispergovaná a precipitovaná v matrici γ fázy koherentným spôsobom. Obidve sú štruktúry FCC. Nesúlad mriežky odráža stabilitu a stresový stav koherentného rozhrania medzi dvoma fázami. Najlepší prípad je, že matrica a precipitovaná fáza majú rovnakú kryštálovú štruktúru a mriežkové parametre rovnakej geometrie, takže vo fáze γ môže byť naplnených viac precipitovaných fáz. Rozsah nesúladu vysokoteplotných zliatin na báze niklu je 0~±1%. Re a Ru sú zjavne segregované s γ fázou. Zvýšenie Re a Ru zvyšuje nesúlad mriežky.

Zosilnenie poriadku: Dislokačné rezanie spôsobí neporiadok medzi matricou a precipitovanou fázou, čo si vyžaduje viac energie

Mechanizmus premostenia dislokácie: nazývaný Orowanov mechanizmus (Orowanov úklon), je to posilňujúci mechanizmus, v ktorom vyzrážaná fáza v kovovej matrici bráni pohybu dislokácie v ďalšom pohybe. Základný princíp: Keď pohyblivá dislokácia narazí na časticu, nemôže ňou prejsť, čo má za následok obchádzanie, rast dislokačnej čiary a zvyšuje sa potrebná hnacia sila, čo vedie k zosilňovaciemu účinku.

3.3 Vývoj metód odlievania vysokoteplotných zliatin

Najstaršiu zliatinu používanú vo vysokoteplotných prostrediach možno vysledovať až k vynálezu Nichrome v roku 1906. Vznik turbokompresorov a motorov s plynovou turbínou podnietil podstatný vývoj vysokoteplotných zliatin. Lopatky prvej generácie motorov s plynovou turbínou sa vyrábali vytláčaním a kovaním, čo malo samozrejme svoje obmedzenia doby. V súčasnosti sa lopatky turbín z vysokoteplotnej zliatiny vyrábajú prevažne vytaviteľným liatím, konkrétne smerovým tuhnutím (DS). Metóda DS bola prvýkrát vynájdená Versnyderovým tímom Pratt & Whitney v Spojených štátoch v 1970. rokoch 3. storočia [XNUMX]. Počas desaťročí vývoja sa preferovaný materiál pre lopatky turbín zmenil z rovnoosých kryštálov na stĺpcové kryštály a potom sa optimalizoval na monokryštálové vysokoteplotné zliatinové materiály.

Technológia DS sa používa na výrobu komponentov zo zliatiny so stĺpcovým jadrom SX, ktorá výrazne zlepšuje ťažnosť a odolnosť vysokoteplotných zliatin. Technológia DS zabezpečuje, že vyrobené stĺpcové kryštály majú orientáciu [001], ktorá je rovnobežná s hlavnou osou napätia dielu, a nie náhodnú orientáciu kryštálov. V zásade musí DS zabezpečiť, aby tuhnutie roztaveného kovu v odliatku prebiehalo s tekutým vstupným kovom vždy v práve stuhnutom stave.

Odlievanie stĺpcových kryštálov musí spĺňať dve podmienky: (1) Jednosmerný tepelný tok zaisťuje, že sa rozhranie tuhá látka-kvapalina v bode rastu zrna pohybuje jedným smerom; (2) Pred smerom pohybu rozhrania tuhá látka-kvapalina nesmie dochádzať k nukleácii.

Pretože k lomu čepele zvyčajne dochádza vo vysokoteplotnej slabej štruktúre hranice zŕn, na elimináciu hranice zŕn sa pri procese smerového tuhnutia používa tuhovacia forma so štruktúrou "selektor zŕn". Veľkosť prierezu tejto štruktúry je blízka veľkosti zrna, takže do dutiny formy odliatku vstupuje iba jediné optimálne narastené zrno a potom pokračuje v raste vo forme jediného kryštálu, až kým sa celá čepeľ nezloží z len jedno zrnko.

Kryštálový volič možno rozdeliť na dve časti: štartovací blok a špirálu:

Na začiatku procesu DS začnú zrná nukleovať na dne štartovacieho bloku. V počiatočnom štádiu rastu zrna je počet veľký, veľkosť je malá a rozdiel v orientácii je veľký. Konkurenčné rastové správanie medzi zrnami dominuje a geometrický blokovací účinok bočnej steny je slabý. V tomto čase je efekt optimalizácie orientácie zrejmý; keď sa výška zŕn vo východiskovom bloku zväčší, počet zŕn sa zníži, veľkosť sa zväčší a orientácia sa priblíži. Konkurenčné rastové správanie medzi zrnami sa znižuje a dominuje geometrický blokovací účinok bočnej steny, čo zaisťuje, že smer kryštálov možno nepretržite optimalizovať, ale účinok optimalizácie orientácie je oslabený. Zmenšením polomeru štartovacieho bloku a zvýšením výšky štartovacieho bloku možno efektívne optimalizovať orientáciu zŕn vstupujúcich do špirálovej časti. Zväčšenie dĺžky štartovacieho bloku však skráti efektívny rastový priestor odliatku a poskytne vám výrobný cyklus a náklady na prípravu. Preto je potrebné rozumne navrhnúť geometrickú štruktúru podkladu.

Hlavnou funkciou špirály je efektívny výber monokryštálov a schopnosť optimalizovať orientáciu zŕn je slabá. Keď sa DS proces uskutočňuje špirálovito, zakrivený kanál poskytuje priestor pre rast dendritických vetví a sekundárne dendrity zŕn postupujú v smere likvidnej línie. Zrná majú silný laterálny vývojový trend a orientácia zŕn je v kolísajúcom stave so slabým optimalizačným efektom. Výber zŕn v špirále preto závisí najmä od výhody geometrického obmedzenia, konkurenčnej rastovej výhody a výhody priestorovej expanzie zŕn v špirálovom segmente [7], a nie od výhody rastu preferovanej orientácie zŕn, ktorá má silnú náhodnosť [6]. Hlavným dôvodom zlyhania kryštálovej selekcie je preto to, že špirála nehrá rolu selekcie jediného kryštálu. Zväčšením vonkajšieho priemeru špirály, zmenšením stúpania, priemeru povrchu špirály a zmenšením počiatočného uhla možno výrazne zlepšiť efekt výberu kryštálov.

Príprava dutých monokryštálových turbínových lopatiek vyžaduje viac ako tucet krokov (tavenie predzliatiny, príprava plášťa monokryštálovej membrány, príprava keramického jadra s komplexnou konfiguráciou, odlievanie taveniny, smerové tuhnutie, tepelné spracovanie, povrchová úprava, príprava tepelnej bariéry atď. ). Komplexný proces je náchylný na rôzne defekty, ako sú bludné zrná, pehy, hranice zŕn s malým uhlom, pruhové kryštály, odchýlka orientácie, rekryštalizácia, hranice zŕn s veľkým uhlom a zlyhanie výberu kryštálov.