Enstaka kristallturbinblad: en teknologisk genombrott som bryter igenom högtemperaturgränser

Utveckling av flygplansgasdieselmotorer

När prestandakraven på flygplan för transport, militär, produktion och andra syften ökade kunde de tidigare pistonymotorerna inte längre uppfylla behoven för höghastighetsflygning. Därför har gasdieselmotorer alltmer blivit dominerande sedan 1950-talet.

I 1928 påpekade Sir Frank Whittle från Storbritannien i sin examensavhandling "Framtida utveckling inom flygplansdesign" vid militärakademin att under den tekniska kunskapen som då fanns, kunde inte framtida utvecklingen av propellermotorer anpassas till behoven för höga altituder eller flyghastigheter över 800 km/h. Han var den förste som lade fram konceptet för vad nu kallas en jetmotor (motor): komprimerad luft levereras till förgasningskammaren (förgasning) via en traditionell pistong och de högtemperatureda gaserna som produceras används direkt för att driva flyget, vilket kan ses som en kombination av en propellermotor och en förgasningskammarutformning. I efterföljande forskning avslog han idén om att använda en tung och ineffektiv pistong och föreslog istället att använda en turbin (turbin) för att leverera komprimerad luft till förgasningskammaren, och turbinens kraft hämtades från det högtemperatureda utslagsgaset. År 1930 sökte Whittle om patent, och 1937 utvecklade han världens första centrifugala turbojetmotor, som officiellt användes i Gloster E.28/39-flygplanet 1941. Sedan dess har gasturbinmotorer dominerat inom flygmotorer och är ett viktigt tecken på ett lands vetenskapliga och tekniska industrinivå samt dess totala nationella styrka.

Flygmotor kan delas in i fyra grundläggande typer enligt deras användning och konstruktionsegenskaper: turbojetmotorer, turbofanmotorer, turboshaftmotorer och turboböpmotorer:

Luftfartsbränsleeldningsmotorer kallas turbojetmotorer, vilka är de äldsta gaseldningsmotorerna som används. Ur perspektivet på hur driften genereras är turbojetmotorer de enklaste och mest direktverkande motorerna. Resonemanget bygger på reaktionskraften som uppstår vid den höghastighetsinsprutningen av virveln. Dock tar den höghastighetsluftströmmen bort mycket värme och kinetisk energi samtidigt, vilket orsakar stora energiförluster.

Turbofanmotorn delar upp luftströmmen som flödar in i motorn i två banor: den inre ledningen och den yttre ledningen, vilket ökar den totala luftflödet och minskar utslugets temperatur och hastighet av den inre luftströmmen.

Turboskruv- och turbopropmotorer genererar inte dragningskraft genom luftflödesinjektion, så utsläppstemperaturen och hastigheten minskas kraftigt, termisk effektivitet är relativt hög och motorns bränsleförbrukning är låg, vilket är lämpligt för långdistansflygplan. Skruvans hastighet ändras vanligtvis inte, och olika dragningskrafter erhålls genom att justera bladvinkeln.

Propfan-motorn är en motor mellan turboprop- och turbofanmotorer. Den kan delas in i propfanmotorer med strömlinjeformade skruvhuss och propfanmotorer utan strömlinjeformade skruvhuss. Propfan-motorn är den mest konkurrenskraftiga nya energisparande motortypen som är lämplig för subsonisk flygning.

Civila flygmotor har gått igenom mer än hälften av ett sekel av utveckling. Motorens struktur har utvecklats från de tidiga centrifugalturbinmotorerna till den enkla rotoraxiala flödesmotorn, från två-lokkad turbojet-motor till låg bypass-förhållande turbofan-motor och sedan till hög bypass-förhållande turbofan-motor. Strukturen har kontinuerligt optimerats i jakt på effektivitet och pålitlighet. Turbinens inträdestemperatur var bara 1200-1300K i den första generationen av turbojet-motorer under 1940- och 1950-talen. Den ökade med ungefär 200K vid varje flygfartypgradering. Till 1980-talet hade turbinens inträdestemperatur för den fjärde generationens avancerade stridsflygplan nått 1800-2000K[1].

Principen för en centrifugal luftkompressor är att fläkten driver gasen att rotera med hög hastighet, så att gasen genererar en centrifugalkraft. På grund av expansionstrycksströmmen i fläkten ökas både flöden och trycket på gasen efter att den passerat fläkten, och komprimerad luft produceras kontinuerligt. Den har en kort axiell dimension och ett högt enskilt tryckförhållande. En axialflödesluftkompressor är en kompressor där luftflödet i huvudsak strömmar parallellt med axeln för den rotierande fläkten. Axialflödeskompressorn består av flera steg, varje steg innehåller en rad rotorblad och en efterföljande rad statörblad. Rotorn är arbetsbladen och hjulet, och statören är guiden. Luften accelereras först av rotorbladen, decelereras och komprimeras i kanalen mellan statörbladen, och upprepas genom de flera bladsstegen tills det totala tryckförhållandet når nödvändiga nivåer. Axialflödeskompressorn har en liten diameter, vilket gör den lämplig för flera stegs tandemanvändning för att få ett högre tryckförhållande.   

Turbofan-motorer använder vanligtvis bypassförhållande, motortrycksförhållande, turbininträdestemperatur och fantrycksförhållande som designparametrar:

Bypassförhållande (BPR): Förhållandet mellan massan av gas som flödar genom utgångsduken och massan av gas som flödar genom de inre duken i motorn. Rotorn framför en turbojet-motor kallas vanligtvis för lågtryckskompressorn, medan rotorn framför en turbofan-motor kallas vanligtvis för fanen. Den tryckfyllda gasen som passerar lågtryckskompressorn går igenom alla delar av turbojetmotorn; gasen som passerar genom fanen delas upp i inre och yttre duken. Sedan turbofanmotorerna introducerades har BPR ökat, och denna trend är särskilt tydlig i civila turbofanmotorer.

Motortrycksförhållande (EPR): Förhållandet mellan den totala trycket vid uttaget och den totala trycket vid kompressorens inlet.

Turbininträdes temperatur: Temperaturerna för brännkammarens utslag när det når turbinen.

Växelkompressionsförhållande: Kallas även kompressionsförhållande, förhållandet mellan gastrycket vid kompressorsutgången och gastrycket vid ingången.

Två effektiviteter:

Termisk effektivitet: En måtta på hur effektivt en motor omvandlar värmeenergin genererad av förseningen till mekanisk energi.

Fördrivningseffektivitet: En måtta på andelen av den mekaniska energin som genereras av motorn som används för att driva flygplanet.

2 Turbinbladsutveckling

Iterativ utveckling

Att ta ett turbofan-motor som exempel, så utgör bladen en värdeandel på hela 35 % och de är en kritisk komponent i tillverkningen av flygmotorer. I en motor finns det 3 000 till 4 000 flygblad, vilka kan delas in i tre kategorier: ventilblad, kompressorblad och turbinblad. Turbinbladen har den högsta värdeandelen, vilken når 63 %. Samtidigt är de också de blad som är svårast att tillverka och har den högsta produktionskostnaden i turbofan-motorer [2].

I 1970-talet var USA de första som använde riktningssolidifieringsblad av typen PWA1422 i militära och civila flygmotorer.

Efter 1980-talet ökade tyngdflödesförhållandet för den tredje generationens motor till mer än 8, och turbinbladen började använda det första generations SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 och Kinas DD3. Dess temperaturbärighet är 80K högre än den bästa riktningssolidifieringsgjutna högtemperatursplassen PWA1422. Fördelar. Tillsammans med filmkylning med enkanals tom teknik når turbinbladens driftstemperatur 1600-1750K.

Den fjärde generations turbofanmotor använder andra generations SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 och DD6. Genom att lägga till Re-element och flerkanals höghållbar luftkylingsteknik når turbinbladen driftstemperaturen 1800K-2000K. Vid 2000K och 100h når hållfastheten 140MPa.

Den tredje generationen SX som utvecklades efter 1990-talet inkluderar RenéN6, CMRX-10 och DD9, vilka har mycket tydliga fördelar i krypstyrka jämfört med den andra generationen SX. Under skyddet av komplexa köldkanaler och termiska barriärbeläggningar når den turbininträffstemperatur som den kan hantera 3000K. Den metalliska sammansättningsalloyen som används i bladen når 2200K, och den 100h-längdstyrkan når 100MPa.

För närvarande utvecklas den fjärde generationen SX som representeras av MC-NG[4], TMS-138 osv., och den femte generationen SX som representeras av TMS-162 osv. Dess sammansättning karakteriseras av tilläggen av nya jordalkalimetaller som Ru och Pt, vilket betydligt förbättrar SX:s högtemperaturskrypprestanda. Arbetstemperaturen för den femte generationens högtemperaturalloy har nått 1150°C, vilket är nära det teoretiska gränsvärdet för driftstemperatur på 1226°C.

3 Utveckling av nikkobaserade enkristallsuperalloyer

3.1 Sammansättningskaraktäristik och fasbeteckning av nikelbaserade enkristallsuperalloys

Enligt typen av matriselement kan högtemperaturslegeringar delas in i järnbas, nikelföda och kobaltbaserade, och ytterligare indelas i kastnings-, smednings- och pulvermetallurgiska makrostrukturer. Nikelbaserade legeringar har bättre högtemperaturprestationer än de två andra typerna av högtemperaturslegeringar och kan arbeta länge i stränga högtemperaturmiljöer.

Nickelbaserade högtemperaturslegeringar innehåller minst 50% Ni. Deras FCC-struktur gör dem mycket kompatibla med vissa legeringselement. Antalet legeringselement som läggs till under designprocessen överskrider ofta 10. De tillagda legeringselementen klassas som följer: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo och W är förstaklassiga element, vilka fungerar som austenitstabiliserande element; (2) Al, Ti, Ta och Nb har större atomräder, vilket främjar bildningen av förstärkningsfaser såsom sammansättningen Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), och är andra-klassiga element; (3) B, C och Zr är tredje-klassiga element. Deras atomstorlek är mycket mindre än hos Ni-atomer, och de segregeras lätt till korngränserna i γ-fasen, där de spelar en roll vid korngränsförstärkning [14].

Faserna i nickelbaserade enskiktshögtemperaturslegeringar är huvudsakligen: γ-fas, γ'-fas, karbidfas och topologiskt närt packad fas (TCP-fas).

γ-fas: γ-fasen är en austenitfas med en kristallstruktur av FCC, vilken är en fast lösning bildad av element som Cr, Mo, Co, W och Re som har lösts i nickel.

γ'-fas: γ'-fasen är ett Ni3(Al, Ti) intermetalliskt före med FCC, vilket bildas som en nedfallsfas och håller en viss sammanhängandehet och missmatch med matrisfasen och är rik på Al, Ti, Ta och andra element.

Karbiderfas: Från den andra generationen av nikelbaserade SX läggs en liten mängd C till, vilket leder till att karbider dyker upp. En liten mängd karbider är spridda i matrisen, vilket förbättrar den högtemperaturiga prestandan av alleén till viss del. Det delas vanligtvis in i tre typer: MC, M23C6 och M6C.

TCP-fas: Vid åldring av tjänsten främjar övermåttiga refraktära element som Cr, Mo, W och Re utvecklingen av TCP-fas. TCP bildas vanligtvis i form av en platta. Den plattformade strukturen påverkar negativt dragbarheten, kröpningsegenskaper och trötthetsresistens. TCP-fas är en av källorna till kracksprickor vid kröpbristning.

Förstärkningsmekanism

Styrkan hos nikelbaserade superlegeringar härrör från kombinationen av flera förstärkningsmekanismer, inklusive fasta lösningar, partikelförstärkning och värmebehandling för att öka dislokeringsdensiteten och utveckla dislokeringsunderstrukturen för att ge förstärkning.

Fast lösningförstärkning innebär att olika lösliga element läggs till för att förbättra grundstyrkan, bland annat Cr, W, Co, Mo, Re och Ru.

De olika atomrädena leder till en viss grad av atomgitterdeformation, vilket hindrar dislokeringsrörelse. Fast lösningförstärkning ökar med ökande atomsizedifferens.

Fastlösningsskydd har också effekten att minska stackningsfelenergin (SFE), huvudsakligen genom att inhämta dislokationskorsglidning, som är den huvudsakliga deformationsläget för icke-ideala kristaller vid höga temperaturer.

Atomkluster eller mikrostrukturer med kortreichordning är en annan mekanism som hjälper till att få skydd genom fastlösning. Re-atomer i SX segregerar i dragstresstillståndet av dislokeringskärnan vid γ/γ'-gränserna, vilket bildar en "Cottrell atmosfär", som effektivt förhindrar dislokeringsrörelse och sprickutbredning. (Lösningsatomer koncentreras i dragstresstillståndet av kantdislokationer, vilket minskar gitterförvridningen, bildar en Coriolisgasstruktur och producerar ett starkt skydd genom fastlösning. Effekten ökar med ökningen av lösningsatoms koncentration och storleksdifferensen.)

Re, W, Mo, Ru, Cr och Co förstärker effektivt γ-fasen. Den kroppslösa lösningen av γ-matrisen spelar en extremt viktig roll för kruppskaftet i nikelbaserade högtemperaturslegeringar.

Effekten av kornfördensning påverkas av volymfraktionen och storleken på γ'-fasen. Syftet med att optimera sammansättningen av högtemperaturslegeringar är främst att öka volymfraktionen av γ'-fasen och förbättra de mekaniska egenskaperna. SX-högtemperaturslegeringar kan innehålla 65%-75% av γ'-fasen, vilket resulterar i god kravikraft. Detta representerar den användbara maximala värdet av styrkeffekten hos γ/γ'-gränserna, och en ytterligare ökning leder till en betydande minskning av styrkan. Kravikraften hos högtemperaturslegeringar med hög volymfraktion av γ'-fasen påverkas av storleken på γ'-faspartiklarna. När γ'-fasstorleken är liten tenderar dislokationer att klättra runt det, vilket resulterar i en minskning av kravikraften. När dislokationer tvingas skära γ'-fasen når kravikraften sin maximi. Som γ'-faspartiklarna ökar i storlek tenderar dislokationer att böja sig mellan dem, vilket resulterar i en minskning av kravikraften [14].

Det finns tre huvudsakliga mekanismer för kraftstödning genom nedfallning:

Gittermismatchstyrkning: γ’-fasen är fördelad och nedfallen i γ-fasmatrisen på ett sammanhängande sätt. Båda har FCC-strukturer. Gittermismatchen speglar stabiliteten och spänningstillståndet vid det sammanhängande gränssnittet mellan de två faserna. Den bästa situationen är att matrisen och den nedfallna fasen har samma krystalstruktur och gitterparametrar av samma geometri, så att fler nedfallna faser kan fyllas i γ-fasen. Mismatchomfånget för nikelbaserade högtemperaturlegeringar är 0~±1%. Re och Ru är tydligt segregerade med γ-fasen. Ökningen av Re och Ru ökar gittermismatchen.

Ordningstyrkning: Dislokationsgenomskärning orsakar oordning mellan matrisen och den nedfallna fasen, vilket kräver mer energi

Mechanism för dislokalöpning: kallad Orowan-mekanism (Orowan böjning), det är en styrkningmekanism där den utslagenade fasen i metallmatrisen hindrar den rörliga dislokationen från att fortsätta röra sig. Grundprincip: När den rörliga dislokationen möter en partikel kan den inte gå igenom, vilket leder till omgående beteende, tillväxt av dislokeringslinje och ökad krävd drivkraft, vilket resulterar i en styrkningseffekt.

3.3 Utveckling av högtemperaturslegeringsmetoder

Den äldsta legeringen som användes i högtemperatursmiljöer kan spåras tillbaka till uppfinningen av Nichrome 1906. Uppkomsten av turbokompressorer och gasstrålmotorer stimulerade den substansiella utvecklingen av högtemperaturslegeringar. Bladen i den första generationen av gasstrålmotorer producerades genom extrusion och smedning, vilket uppenbarligen hade tidsmässiga begränsningar. I dag är de flesta högtemperaturslegeringsbladen gjorda genom investmentsformning, specifikt riktad förgätning (DS). DS-metoden uppfinnades först av Versnyder-laget på Pratt & Whitney i USA på 1970-talet [3]. Under decennierna av utveckling har den föredragna materialtypen för turbinbladen förändrats från likformiga kristaller till kolonnkristaller och sedan optimerats till enkristalls högtemperaturslegeringsmaterial.

DS-tekniken används för att producera kolonnformade kärnalloyskomponenter av SX, vilket betydligt förbättrar ductiliteten och termiska chockresistensen hos högtemperaturocklar. DS-tekniken säkerställer att de producerade kolonnformade kristallerna har en [001]-orientering, vilket är parallellt med den huvudsakliga spänningsaxeln för delen, snarare än en slumpmässig kristallorientering. I princip måste DS säkerställa att förgjutningens metall alltid befinner sig i ett nyssolidifierat tillstånd under solidifieringen.

Förgjutningen av kolonnformade kristaller måste uppfylla två villkor: (1) En ensidig värmeledning säkerställer att den fasta-vätska gränssnittet vid växtpunkten rör sig i en enda riktning; (2) Det får inte ske någon kristallbildning framför den rörliga riktningen för det fasta-vätska gränssnittet.

Eftersom bladets spricka vanligtvis inträffar i den högtemperaturiga svaga strukturen vid korngränsen, används under riktad förgättningsprocessen en förgätningsskivor med en "kornväljar"-struktur för att eliminera korngränser. Den här strukturens tvärsnittsstorlek är nära kornstorleken, så att endast ett ensamt optimalt växande korn går in i skivorhålet av det gjutna verktyget och sedan fortsätter att växa i form av en enda kristall fram till att hela bladet består av endast ett korn.

Kristallväljaren kan delas in i två delar: startblocket och spiraln:

Längst innan i DS-processen börjar kornen att nukleera längst ner i startblocket. I den tidiga fasen av kornväxten är antalet stort, storleken liten och orienterings skillnaden stor. Den konkurrensbaserade växelbeteendet mellan kornen dominerar och geometrisk blockeringseffekt av sidoväggen är svag. Just då är orienterings optimeringseffekten tydlig; när höjden på kornen i startblocket ökar, minskar antalet korn, storleken ökar och orienteringen blir närmare. Det konkurrensbaserade växelbeteendet mellan kornen minskar och geometrisk blockeringseffekt av sidoväggen dominerar, vilket säkerställer att krystalet kan kontinuerligt optimeras, men orienterings optimeringseffekten försvagas. Genom att minska radien på startblocket och höja startblockets höjd kan man effektivt optimera orienteringen av kornen som går in i spiralavsnittet. Dock, att öka längden på startblocket kommer att förkorta det effektiva växtrymmet för gjutningen och ge dig en produktionscykel och förberedelsekostnad. Därför är det nödvändigt att rimligt designa geometriska strukturen av basytan.

Huvudsakliga funktionen av spiralen är att effektivt välja enskilda kristaller, och förmågan att optimera kornorienteringen är svag. När DS-processen utförs i en spiral ger den krökta kanalen utrymme för tillväxt av dendritiska grenar, och de sekundära dendriterna på kornen förflyttar sig i riktning mot likvattenslinjen. Korna har en stark lateralt utvecklings倾向, och orienteringen av korna är i ett fluktuerande tillstånd med en svag optimerings-effekt. Därför beror kornvalen i spiralen främst på de geometriska begränsningsfördelarna, konkurrensutvecklingsfördelarna och rymdexpansionsfördelarna hos kornen i spiralavsnittet [7], snarare än på tillväxten fördel hos de föredragna orienteringarna hos kornen, vilket har en stark slumpmässighet [6]. Därför är huvudsakliga orsaken till misslyckandet med kristallval att spiralen inte uppfyller sin roll som enskild kristallväljare. Genom att öka den yttre diametern på spiralen, minska draget, diametern på spiralytan och minska startvinkeln kan kristallvals-effekten förbättras på ett betydande sätt.

Framställningen av tömda enkristallturbinsblad kräver mer än ett dussin steg (smältning av masterlegering, förberedelse av enkristallmembranskal, förberedelse av keramisk kärna med komplex konfiguration, smältningsgjutning, riktad fördensning, värmebehandling, yttbehandling, förberedelse av termisk barriärbeläggning etc.). Den komplexa processen är benägen att orsaka olika typer av defekter, såsom vilsekomna kristaller, fläckar, småvinkliga kristallgränser, strejkristaller, orienteringsavvikelse, omkristallisering, störavinkliga kristallgränser och misslyckande vid kristalselection.