ใบพัดเทอร์ไบน์ผลึกเดี่ยว: การก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ผ่านข้อจำกัดด้านอุณหภูมิสูง

การพัฒนาเครื่องยนต์กังหันแก๊สสำหรับการบิน

เมื่อความต้องการด้านสมรรถนะของอากาศยานสำหรับการขนส่ง การทหาร การผลิต และวัตถุประสงค์อื่น ๆ เพิ่มขึ้น เครื่องยนต์ลูกสูบชุดแรกไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการบินความเร็วสูงได้อีกต่อไป ดังนั้นตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา เครื่องยนต์กังหันแก๊สจึงค่อย ๆ กลายเป็นกระแสหลัก

ในปี 1928 นายพลเซอร์แฟรงก์ วิตเทิล จากสหราชอาณาจักรได้กล่าวไว้ในวิทยานิพนธ์การสำเร็จการศึกษาของเขา "การพัฒนาในอนาคตของการออกแบบเครื่องบิน" ในขณะที่เขากำลังศึกษาอยู่ที่โรงเรียนนายร้อยทหารว่า ด้วยความรู้ทางเทคนิคในยุคนั้น การพัฒนาในอนาคตของเครื่องยนต์เกียร์ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการบินที่ระดับความสูงสูงหรือความเร็วเกินกว่า 800 กม./ชม. ได้ เขาเป็นผู้เสนอแนวคิดครั้งแรกของสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่าเครื่องยนต์ النفاث (motor engine): อากาศที่ถูกอัดจะถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้ (combustion) ผ่านลูกสูบแบบดั้งเดิม และแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งเกิดขึ้นจะถูกนำมาใช้เพื่อผลักดันการบินโดยตรง ซึ่งสามารถมองว่าเป็นการออกแบบเครื่องยนต์เกียร์บวกกับห้องเผาไหม้ ในงานวิจัยต่อมา เขาได้ละทิ้งแนวคิดของการใช้ลูกสูบที่หนักและไม่มีประสิทธิภาพ และเสนอให้ใช้เทอร์ไบน์ (turbine) เพื่อให้อากาศที่ถูกอัดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ และพลังงานของเทอร์ไบน์นั้นมาจากแก๊สไอเสียที่มีอุณหภูมิสูง ในปี 1930 วิตเทิลได้ยื่นขอสิทธิบัตร และในปี 1937 เขาได้พัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตแบบเหวี่ยงศูนย์กลางลำเลียงแรงแรกของโลก และในปี 1941 ได้มีการนำเครื่องยนต์นี้ไปใช้อย่างเป็นทางการในเครื่องบิน Gloster E.28/39 นับจากนั้นมา เครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์ก็ได้ครองตำแหน่งสำคัญในพลังงานการบิน และเป็นสัญลักษณ์สำคัญของระดับเทคโนโลยีอุตสาหกรรมและความแข็งแกร่งทางชาติของประเทศ

เครื่องยนต์อากาศยานสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภทพื้นฐานตามการใช้งานและลักษณะโครงสร้าง: เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน เครื่องยนต์เทอร์โบแชฟ และเครื่องยนต์เทอร์โบโพรพ:

เครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์สำหรับการบินเรียกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์รุ่นแรกที่ถูกนำมาใช้ จากมุมมองของการผลิตแรงดัน เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทเป็นเครื่องยนต์ที่ง่ายและตรงไปตรงมาที่สุด โดยอาศัยแรงปฏิกิริยาจากก๊าซวนที่พุ่งออกมาด้วยความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม การไหลออกของกระแสน้ำอากาศความเร็วสูงทำให้มีการสูญเสียความร้อนและพลังงานจลน์จำนวนมาก ซึ่งก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างมาก

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนแบ่งอากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์ออกเป็นสองทาง: ท่อนำภายในและท่อนำภายนอก ซึ่งเพิ่มปริมาณอากาศรวมและลดอุณหภูมิและความเร็วของไอเสียในอากาศจากท่อนำภายใน

เครื่องยนต์แบบเทอร์โบแชฟท์และเทอร์โบโพรพไม่สร้างแรงดันโดยการฉีดกระแสอากาศ ดังนั้นอุณหภูมิและความเร็วของไอเสียจึงลดลงอย่างมาก ประสิทธิภาพทางความร้อนค่อนข้างสูง และอัตราการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ก็น้อย ซึ่งเหมาะสำหรับเครื่องบินระยะไกล ความเร็วของใบพัดทั่วไปจะไม่เปลี่ยนแปลง และจะได้แรงดันที่แตกต่างกันโดยการปรับมุมของใบพัด

เครื่องยนต์แบบโปรพเฟนเป็นเครื่องยนต์ที่อยู่ระหว่างเครื่องยนต์เทอร์โบโพรพและเทอร์โบแฟน สามารถแบ่งออกเป็นเครื่องยนต์โปรพเฟนที่มีฝาครอบใบพัดและเครื่องยนต์โปรพเฟนที่ไม่มีฝาครอบใบพัด เครื่องยนต์โปรพเฟนเป็นเครื่องยนต์ประหยัดพลังงานรุ่นใหม่ที่แข่งขันได้มากที่สุดและเหมาะสำหรับการบินด้วยความเร็วน้อยกว่าเสียง

เครื่องยนต์อวกาศพลเรือนได้ผ่านการพัฒนามากว่าครึ่งศตวรรษแล้ว โครงสร้างของเครื่องยนต์ได้พัฒนาจากเครื่องยนต์กังหันเซนทริฟูจัลในยุคแรกสู่เครื่องยนต์แบบไหลตามแกนเดี่ยว จากเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตสองแกนหมุนสู่เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่มีอัตราส่วนไบพาสต่ำ และต่อมาเป็นเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่มีอัตราส่วนไบพาสสูง โครงสร้างได้ถูกปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อความมีประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ อุณหภูมิทางเข้าของกังหันในเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตชุดแรกในช่วงทศวรรษที่ 1940 และ 1950 มีเพียง 1200-1300K และเพิ่มขึ้นประมาณ 200K ในการอัปเกรดแต่ละครั้งของอากาศยาน จนกระทั่งในช่วงทศวรรษที่ 1980 อุณหภูมิทางเข้าของกังหันในเครื่องบินรบขั้นสูงรุ่นที่สี่ได้ถึง 1800-2000K[1]

หลักการทำงานของเครื่องอัดอากาศแบบเหวี่ยงศูนย์กลางคือ การที่ใบพัดขับเคลื่อนก๊าซให้หมุนด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดแรงเหวี่ยงแก่ก๊าซ เมื่อก๊าซขยายตัวในแรงดันจากการไหลผ่านใบพัด อัตราการไหลและความดันของก๊าซหลังจากผ่านใบพัดจะเพิ่มขึ้น และสามารถผลิตอากาศอัดได้อย่างต่อเนื่อง มีขนาดแกนสั้นและอัตราส่วนแรงดันเดี่ยวสูง เครื่องอัดอากาศแบบกระแสตามแกนเป็นเครื่องอัดอากาศที่กระแสอากาศไหลขนานกับแกนของใบพัดหมุน โดยทั่วไปแล้วเครื่องอัดอากาศแบบกระแสตามแกนมีหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนประกอบด้วยแถวของใบจักรและแถวถัดไปของใบสถิต ใบจักรคือใบพัดทำงานและล้อ ใบสถิตคือตัวชี้นำ ก๊าซจะถูกเร่งความเร็วด้วยใบจักร จากนั้นชะลอตัวและถูกบีบอัดในช่องของใบสถิต และกระบวนการนี้จะเกิดซ้ำในหลายขั้นตอนจนกว่าอัตราส่วนแรงดันรวมจะถึงระดับที่ต้องการ เครื่องอัดอากาศแบบกระแสตามแกนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก สะดวกต่อการใช้งานหลายขั้นตอนเพื่อให้ได้แรงดันสูงขึ้น   

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมักใช้สัดส่วนการเบี่ยงทาง ค่าอัตราดันของเครื่องยนต์ อุณหภูมิที่ปากไอน้ำของเทอร์ไบน์ และอัตราดันของพัดลมเป็นพารามิเตอร์ในการออกแบบ:

สัดส่วนการเบี่ยงทาง (BPR): อัตราส่วนของมวลก๊าซที่ไหลผ่านท่อระบายอากาศออกสู่มวลก๊าซที่ไหลผ่านท่อภายในในเครื่องยนต์ เครื่องหมุนที่ด้านหน้าของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทมักเรียกว่าคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำ และเครื่องหมุนที่ด้านหน้าของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมักเรียกว่าพัดลม ก๊าซที่ถูกอัดจากคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำจะไหลผ่านทุกส่วนของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท ในขณะที่ก๊าซที่ไหลผ่านพัดลมจะแบ่งไปยังท่อภายในและท่อภายนอก เมื่อเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนปรากฏขึ้นครั้งแรก สัดส่วนการเบี่ยงทาง (BPR) ก็ได้เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และแนวโน้มนี้ชัดเจนโดยเฉพาะในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนสำหรับการบินพลเรือน

ค่าอัตราดันของเครื่องยนต์ (EPR): อัตราส่วนของความดันรวมที่ปากปล่องไอเสียต่อความดันรวมที่เข้าสู่คอมเพรสเซอร์

อุณหภูมิที่เข้าสู่เทอร์ไบน์: อุณหภูมิของไอเสียจากห้องเผาไหม้เมื่อเข้าสู่เทอร์ไบน์

อัตราส่วนการอัดของพัดลม: บางครั้งเรียกว่าอัตราส่วนการอัด อัตราส่วนของแรงดันก๊าซที่ทางออกของคอมเพรสเซอร์ต่อแรงดันก๊าซที่ทางเข้า

ประสิทธิภาพสองแบบ:

ประสิทธิภาพทางความร้อน: มาตรวัดว่าเครื่องยนต์แปลงพลังงานความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นพลังงานกลได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด

ประสิทธิภาพของการขับเคลื่อน: มาตรวัดสัดส่วนของพลังงานกลที่เกิดจากเครื่องยนต์ที่ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนอากาศยาน

การพัฒนาใบจักรเทอร์ไบน์ 2

การพัฒนาแบบวนซ้ำ

ยกตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน ค่าของใบพัดมีสัดส่วนถึง 35% และเป็นชิ้นส่วนสำคัญในกระบวนการผลิตเครื่องยนต์สำหรับอากาศยาน ในเครื่องยนต์หนึ่งจะมีใบพัดทางการบินประมาณ 3,000 ถึง 4,000 ชิ้น ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ ใบพัดแรงดันต่ำ ใบพัดคอมเพรสเซอร์ และใบพัดเทอร์ไบน์ ค่าของใบพัดเทอร์ไบน์สูงที่สุด ถึง 63% นอกจากนี้ยังเป็นใบพัดที่มีความยากและต้นทุนในการผลิตสูงที่สุดในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน [2]

ในช่วงทศวรรษ 1970 สหรัฐอเมริกาเป็นประเทศแรกที่ใช้ใบพัดแบบการหล่อแข็งทิศทาง PWA1422 ในเครื่องยนต์อากาศยานทั้งทางทหารและพลเรือน

หลังจากยุค 1980 อัตราส่วนแรงดันต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์รุ่นที่สามเพิ่มขึ้นมากกว่า 8 และใบจานกังหันเริ่มใช้วัสดุรุ่นแรก เช่น SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 และของจีน DD3 ความสามารถในการทนอุณหภูมิสูงกว่าวัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูงแบบหล่อแข็งทิศทางเดียวที่ดีที่สุดอย่าง PWA1422 ถึง 80K นอกจากนี้เมื่อรวมกับเทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบฟิล์มและช่องว่างเดี่ยว ทำให้อุณหภูมิการทำงานของใบจานกังหันสูงถึง 1600-1750K

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนรุ่นที่สี่ใช้วัสดุรุ่นที่สอง เช่น SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 และ DD6 โดยเพิ่มธาตุ Re และเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศความดันสูงหลายช่อง ทำให้อุณหภูมิการทำงานของใบจานกังหันสูงถึง 1800K-2000K ที่อุณหภูมิ 2000K เป็นเวลา 100 ชั่วโมง ความแข็งแรงยังคงอยู่ที่ 140MPa

SX เจเนอเรชันที่สามที่พัฒนาขึ้นหลังจากยุค 1990s ประกอบด้วย RenéN6, CMRX-10 และ DD9 ซึ่งมีข้อได้เปรียบด้านความแข็งแรงของการคลานอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับ SX เจเนอเรชันที่สอง โดยภายใต้การปกป้องของช่องระบายความร้อนที่ซับซ้อนและเคลือบผิวทนความร้อน อุณหภูมิทางเข้าของกังหันที่สามารถทนได้มีค่าถึง 3000K ส่วนโลหะผสมสารประกอบโลหะในใบพัดมีค่าถึง 2200K และความแข็งแรงในการใช้งานต่อเนื่อง 100 ชั่วโมงถึง 100MPa

ปัจจุบันกำลังพัฒนา SX เจเนอเรชันที่สี่ เช่น MC-NG[4], TMS-138 และ SX เจเนอเรชันที่ห้า เช่น TMS-162 โดยองค์ประกอบของมันมีลักษณะเด่นจากการเพิ่มธาตุหายากใหม่ เช่น Ru และ Pt ซึ่งช่วยปรับปรุงสมรรถนะการคลานที่อุณหภูมิสูงของ SX อย่างมาก อุณหภูมิการทำงานของโลหะผสมอุณหภูมิสูงเจเนอเรชันที่ห้าได้ถึง 1150°C ซึ่งใกล้เคียงกับอุณหภูมิการทำงานสูงสุดตามทฤษฎีที่ 1226°C

3 การพัฒนาโลหะผสมซิงเกิลคริสตอลฐานนิกเกิล

3.1 ลักษณะขององค์ประกอบและองค์ประกอบเฟสของโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวที่อิงกับนิกเกิล

ตามชนิดของธาตุเมทริกซ์ โลหะทนความร้อนสามารถแบ่งออกได้เป็น แบบอิงเหล็ก แบบอิงนิกเกิล และแบบอิงโคบอลต์ และยังสามารถแบ่งย่อยได้อีกเป็นโครงสร้างมหภาคแบบหล่อ แบบขึ้นรูป และแบบผงโลหะ โลหะผสมที่อิงนิกเกิลมีสมรรถนะในการทนต่อความร้อนดีกว่าโลหะทนความร้อนสองประเภทอื่น และสามารถทำงานได้นานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอย่างรุนแรง

โลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ใช้ฐานนิกเกิลประกอบด้วยนิกเกิลไม่น้อยกว่า 50% ส่วนโครงสร้าง FCC ของพวกมันทำให้มีความเข้ากันได้สูงกับธาตุเสริมบางชนิด จำนวนของธาตุเสริมที่เพิ่มลงไปในกระบวนการออกแบบมักจะเกิน 10 ชนิด ธาตุเสริมที่เพิ่มนั้นมีการจัดประเภทดังนี้: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo และ W เป็นธาตุชั้นนำ ซึ่งทำหน้าที่เป็นธาตุเสถียรสำหรับออสเทนไนต์; (2) Al, Ti, Ta และ Nb มีรัศมีอะตอมใหญ่กว่า ซึ่งช่วยกระตุ้นการก่อตัวของเฟーズเสริม เช่น สารประกอบ Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) และเป็นธาตุชั้นรอง; (3) B, C และ Zr เป็นธาตุชั้นที่สาม ขนาดอะตอมของพวกมันเล็กกว่านิกเกิลมาก และมักแยกตัวไปยังขอบเมล็ดของเฟーズ γ ทำหน้าที่เสริมความแข็งแรงของขอบเมล็ด [14].

เฟーズของโลหะผสมอุณหภูมิสูงแบบผลึกเดี่ยวที่ใช้ฐานนิกเกิลมีหลัก ๆ คือ: เฟーズ γ, เฟーズ γ', เฟーズคาร์ไบด์ และเฟーズที่มีการจัดเรียงอย่างแน่นหนาทางทอโพโลจี (TCP phase).

เฟส γ: เฟส γ เป็นเฟสออสเตไนต์ที่มีโครงสร้างผลึกแบบ FCC ซึ่งเป็นสารละลายแข็งที่เกิดจากการที่ธาตุ เช่น Cr, Mo, Co, W และ Re ละลายอยู่ในนิกเกิล

เฟส γ': เฟส γ' เป็นสารประกอบโลหะอินเตอร์เมทาลลิก Ni3(Al, Ti) แบบ FCC ซึ่งเกิดขึ้นเป็นเฟสการตกผลึก โดยรักษาความสอดคล้องและความไม่สอดคล้องกับเฟสแมทริกซ์ในระดับหนึ่ง และมีปริมาณ Al, Ti, Ta และธาตุอื่นๆ สูง

เฟสคาร์ไบด์: เริ่มจากนิกเกิลฐาน SX รุ่นที่สอง มีการเพิ่ม C ในปริมาณเล็กน้อย ส่งผลให้มีการปรากฏของคาร์ไบด์ คาร์ไบด์จำนวนเล็กน้อยกระจายตัวอยู่ในแมทริกซ์ ซึ่งช่วยเพิ่มสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมได้ในระดับหนึ่ง โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามประเภท คือ MC, M23C6 และ M6C

เฟส TCP: ในกรณีที่บริการใช้งานนานเกินไป ธาตุทนไฟสูงเช่น Cr, Mo, W และ Re จะกระตุ้นให้เกิดการตกผลึกของเฟส TCP เฟสนี้มักจะก่อตัวในรูปแบบแผ่น โครงสร้างแผ่นนี้มีผลกระทบเชิงลบต่อสมบัติความยืดหยุ่น การคลาน และสมบัติความเหนียวทางแรงดึง เฟส TCP เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดรอยร้าวจากการคลาน

กลไกการเสริมความแข็งแรง

ความแข็งแรงของโลหะผสมนิกเกิลฐานมาจากหลายกลไกการเสริมความแข็งแรง เช่น การเสริมความแข็งแรงโดยสารละลาย การเสริมความแข็งแรงโดยการตกผลึก และการบำบัดความร้อนเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของเส้นเลื่อนและพัฒนาโครงสร้างย่อยของเส้นเลื่อนเพื่อให้เกิดการเสริมความแข็งแรง

การเสริมความแข็งแรงโดยสารละลายคือการเพิ่มความแข็งแรงพื้นฐานโดยการเติมธาตุที่สามารถละลายได้ เช่น Cr, W, Co, Mo, Re และ Ru

รัศมีอะตอมที่แตกต่างกันทำให้เกิดการบิดเบือนโครงข่ายอะตอมซึ่งยับยั้งการเคลื่อนที่ของเส้นเลื่อน การเสริมความแข็งแรงโดยสารละลายจะเพิ่มขึ้นตามขนาดความแตกต่างของอะตอม

การเสริมแรงด้วยสารละลายแข็งยังมีผลทำให้พลังงานความผิดพลาดของชั้นเรียงซ้อน (SFE) ลดลง โดยหลักแล้วจะยับยั้งการลื่นข้ามของเส้นคลาดเคลื่อน ซึ่งเป็นโหมดการ distort หลักของผลึกที่ไม่สมบูรณ์ที่อุณหภูมิสูง

กลุ่มอะตอมหรือโครงสร้างจุลภาคแบบลำดับระยะสั้นเป็นกลไกอีกประการหนึ่งที่ช่วยให้เกิดการเสริมแรงผ่านสารละลายแข็ง อะตอม Re ใน SX จะรวมตัวในพื้นที่ที่มีแรงดึงบริเวณแกนของเส้นคลาดเคลื่อนที่อินเทอร์เฟส γ/γ’ สร้าง "บรรยากาศของคอทรีล" ซึ่งป้องกันการเคลื่อนที่ของเส้นคลาดเคลื่อนและการแพร่กระจายของรอยร้าวอย่างมีประสิทธิภาพ (อะตอมสารเติมแต่งจะเข้มข้นในพื้นที่ที่มีแรงดึงของเส้นคลาดเคลื่อนขอบ ลดการบิดเบือนของโครงข่าย สร้างโครงสร้างก๊าซโคโรลิส และก่อให้เกิดผลของการเสริมแรงด้วยสารละลายแข็งที่แข็งแกร่ง ผลนี้เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของอะตอมสารเติมแต่งและความแตกต่างของขนาด)

Re, W, Mo, Ru, Cr, และ Co เสริมความแข็งแกร่งให้กับเฟส γ อย่างมีประสิทธิภาพ การเสริมแรงด้วยสารละลายของเมทริกซ์ γ มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อความแข็งแรงในการคลานของโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ฐาน никเกิล

ผลของการเสริมความแข็งด้วยการตกผลึกขึ้นอยู่กับสัดส่วนปริมาตรและความใหญ่ของเฟส γ' การปรับแต่งองค์ประกอบของโลหะอัลลอยด์ทนอุณหภูมิสูงมีจุดประสงค์หลักเพื่อเพิ่มสัดส่วนปริมาตรของเฟส γ' และปรับปรุงสมบัติกล SX โลหะอัลลอยด์ทนอุณหภูมิสูงสามารถมีสัดส่วนของเฟส γ' ได้ถึง 65%-75% ส่งผลให้มีความแข็งแรงต่อการคลานที่ดี ซึ่งแสดงถึงค่าสูงสุดที่เป็นประโยชน์ของผลกระทบจากการเสริมความแข็งของพื้นผิว γ/γ' และหากเพิ่มมากกว่านี้จะทำให้ความแข็งลดลงอย่างมาก ความแข็งแรงต่อการคลานของโลหะอัลลอยด์ทนอุณหภูมิสูงที่มีสัดส่วนปริมาตรของเฟส γ' สูงขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคของเฟส γ' เมื่อขนาดของเฟส γ' เล็ก รอยแตกมักจะเคลื่อนรอบๆ มัน ส่งผลให้ความแข็งแรงต่อการคลานลดลง เมื่อรอยแตกต้องตัดผ่านเฟส γ' ความแข็งแรงต่อการคลานจะถึงค่าสูงสุด เมื่ออนุภาคของเฟส γ' เพิ่มขนาดขึ้น รอยแตกมักจะโค้งระหว่างอนุภาคเหล่านั้น ส่งผลให้ความแข็งแรงต่อการคลานลดลง [14]

มีกลไกการเสริมความแข็งแรงด้วยการตกผลึกสามแบบหลัก:

การเสริมความแข็งแรงจากการไม่สอดคล้องของโครงข่าย結晶: เฟส γ’ จะกระจายและตกผลึกในเมทริกซ์เฟส γ อย่างสอดคล้องทั้งสองเฟสมีโครงสร้าง FCC การไม่สอดคล้องของโครงข่ายสะท้อนถึงความเสถียรและความเครียดของพื้นผิวที่สอดคล้องระหว่างสองเฟส กรณีที่ดีที่สุดคือ เมทริกซ์และเฟสที่ตกผลึกมีโครงสร้างผลึกและพารามิเตอร์ของโครงข่ายเดียวกันในแง่ของเรขาคณิต เพื่อให้มีเฟสที่ตกผลึกมากขึ้นในเฟส γ การไม่สอดคล้องของโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ฐานนิกเกิลจะอยู่ในช่วง 0~±1% Re และ Ru มีการแยกตัวอย่างชัดเจนกับเฟส γ การเพิ่ม Re และ Ru จะเพิ่มการไม่สอดคล้องของโครงข่าย

การเสริมความแข็งแรงด้วยลำดับ: การตัดของสายเลื่อนจะทำให้เกิดความไม่เป็นระเบียบระหว่างเมทริกซ์และเฟสที่ตกผลึก ซึ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้น

กลไกการเบี่ยงเบนของดิสโลเคชัน: เรียกว่า กลไกออโรแวน (Orowan bowing) เป็นกลไกที่เพิ่มความแข็งแรงโดยที่เฟーズที่ตกผลึกในเมทริกซ์โลหะขัดขวางการเคลื่อนที่ต่อเนื่องของดิสโลเคชัน หลักการพื้นฐาน: เมื่อดิสโลเคชันที่กำลังเคลื่อนที่พบกับอนุภาค มันไม่สามารถผ่านไปได้ ส่งผลให้มีพฤติกรรมการเบี่ยงเบน การเติบโตของเส้นดิสโลเคชัน และแรงขับเคลื่อนที่จำเป็นต้องเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดผลกระทบในการเพิ่มความแข็งแรง

3.3 การพัฒนาวิธีการหล่อโลหะผสมอุณหภูมิสูง

โลหะผสมชนิดแรกที่ใช้ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงสามารถย้อนกลับไปถึงการค้นพบ Nichrome ในปี 1906 การปรากฏตัวของเทอร์โบคอมเพรสเซอร์และเครื่องยนต์กังหันก๊าซได้กระตุ้นการพัฒนาอย่างมากของโลหะผสมอุณหภูมิสูง ใบพัดของเครื่องยนต์กังหันก๊าซรุ่นแรกผลิตขึ้นโดยกระบวนการบีบอัดและการชุบ ซึ่งแน่นอนว่ามีข้อจำกัดของยุคนั้น ปัจจุบัน ใบพัดกังหันโลหะผสมอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่ผลิตด้วยการหล่อแบบลงทุน โดยเฉพาะการแข็งตัวแบบทิศทาง (DS) วิธี DS ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดยทีมของ Versnyder จาก Pratt & Whitney ในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1970 [3] ในช่วงหลายทศวรรษของการพัฒนา วัสดุที่เลือกสำหรับใบพัดกังหันได้เปลี่ยนจากผลึกขนาดเท่ากัน (equiaxed crystals) เป็นผลึกทรงแท่ง และปรับปรุงให้เป็นวัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูงแบบผลึกเดี่ยว

เทคโนโลยี DS ถูกใช้เพื่อผลิตองค์ประกอบโลหะผสมแกนรูปทรงเสากลม SX ซึ่งช่วยปรับปรุงความยืดหยุ่นและต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโลหะทนความร้อนอย่างมาก เทคโนโลยี DS ยืนยันว่าผลึกทรงเสากลมที่ได้มีทิศทาง [001] ซึ่งขนานกับแกนแรงดึงหลักของชิ้นส่วน แทนที่จะเป็นทิศทางผลึกแบบสุ่ม โดยหลักการแล้ว เทคโนโลยี DS จำเป็นต้องทำให้เกิดการแข็งตัวของโลหะเหลวในกระบวนการหล่อโดยโลหะที่หล่ออยู่จะอยู่ในสถานะเพิ่งแข็งตัวเสมอ

การหล่อผลึกทรงเสากลมจำเป็นต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขสองประการ: (1) การไหลของความร้อนในทิศทางเดียวทำให้พื้นที่ระหว่างของแข็งและของเหลวที่จุดเติบโตของผลึกเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว; (2) ไม่มีการก่อตัวของผลึกใหม่ในหน้าที่กำลังเคลื่อนที่ของพื้นที่ระหว่างของแข็งและของเหลว

เนื่องจากความแตกของใบมีดมักเกิดขึ้นในโครงสร้างที่อ่อนตัวสูงบริเวณขอบเมล็ดystal เพื่อกำจัดขอบเมล็ดystal จึงใช้แม่พิมพ์การหล่อแบบที่มีโครงสร้าง "ตัวเลือกเมล็ดystal" ในกระบวนการการหล่อแบบทิศทาง ขนาดตัดขวางของโครงสร้างนี้ใกล้เคียงกับขนาดเมล็ดystal ทำให้มีเพียงเมล็ดystal เดียวที่เติบโตอย่างเหมาะสมเข้าสู่ช่องแม่พิมพ์ของการหล่อ จากนั้นจะเติบโตต่อไปในรูปแบบของผลึกเดี่ยวจนกระทั่งทั้งใบมีดประกอบด้วยเมล็ดystal เดียว

ตัวเลือกผลึกสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน: บล็อกเริ่มต้นและเกลียว

ในช่วงต้นของกระบวนการ DS เมล็ดพืชจะเริ่มก่อตัวที่ด้านล่างของบล็อกเริ่มต้น ในช่วงแรกของการเจริญเติบโตของเมล็ด พืชจำนวนมาก ขนาดเล็ก และความแตกต่างของทิศทางสูง การแข่งขันในการเจริญเติบโตระหว่างเมล็ดเป็นปัจจัยหลัก และผลกระทบของการบล็อกทางเรขาคณิตจากผนังด้านข้างยังอ่อน ในช่วงเวลานี้ การปรับปรุงทิศทางชัดเจน หากความสูงของเมล็ดในบล็อกเริ่มต้นเพิ่มขึ้น จำนวนเมล็ดจะลดลง ขนาดเพิ่มขึ้น และทิศทางใกล้เคียงกัน การแข่งขันในการเจริญเติบโตระหว่างเมล็ดลดลง และผลกระทบของการบล็อกทางเรขาคณิตจากผนังด้านข้างกลายเป็นปัจจัยหลัก ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าทิศทางของผลึกสามารถปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ผลกระทบของการปรับปรุงทิศทางจะลดลง โดยการลดรัศมีของบล็อกเริ่มต้นและเพิ่มความสูงของบล็อกเริ่มต้น สามารถปรับปรุงทิศทางของเมล็ดที่เข้าสู่ส่วนเกลียวได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความยาวของบล็อกเริ่มต้นจะทำให้พื้นที่เจริญเติบโตที่มีประสิทธิภาพของโลหะหล่อสั้นลง และเพิ่มเวลาในการผลิตและต้นทุนการเตรียมงาน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องออกแบบโครงสร้างเรขาคณิตของฐานให้เหมาะสม

หน้าที่หลักของเกลียวคือการคัดเลือกผลึกเดี่ยวอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ความสามารถในการปรับปรุงทิศทางของเม็ด @{$grain$} เป็นไปได้ยาก เมื่อกระบวนการ DS ดำเนินไปในเกลียว ช่องทางโค้งจะให้พื้นที่สำหรับการเจริญเติบโตของแขน dendrite และ dendrite ลำดับที่สองของเม็ด @{$grain$} จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของเส้น liquidus เม็ด @{$grain$} มีแนวโน้มการพัฒนาข้างเคียงอย่างมาก และทิศทางของเม็ด {$grain$} จะอยู่ในสถานะที่ผันผวน ซึ่งมีผลกระทบของการปรับปรุงที่อ่อนแอ ดังนั้น การคัดเลือกเม็ด {$grain$} ในเกลียวจึงขึ้นอยู่กับข้อได้เปรียบของการจำกัดทางเรขาคณิต ข้อได้เปรียบของการเจริญเติบโตแบบแข่งขัน และข้อได้เปรียบของการขยายตัวในพื้นที่ของเม็ด {$grain$} ในส่วนของเกลียว [7] แทนที่จะเป็นข้อได้เปรียบของการเจริญเติบโตตามทิศทางที่ต้องการของเม็ด {$grain$} ซึ่งมีความสุ่มสูง [6] ดังนั้น เหตุผลหลักที่ทำให้การคัดเลือกผลึกล้มเหลวคือเกลียวไม่สามารถทำหน้าที่ในการคัดเลือกผลึกเดี่ยวได้ โดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเกลียว ลดระยะห่างระหว่างเกลียว ลดเส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นผิวเกลียว และลดมุมเริ่มต้น ผลลัพธ์ของการคัดเลือกผลึกสามารถปรับปรุงได้อย่างเห็นได้ชัด

การเตรียมใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวรูพรุนต้องใช้ขั้นตอนมากกว่าสิบขั้นตอน (การหลอมโลหะผสมแม่พิมพ์ การเตรียมเปลือกเยื่อฟิล์มผลึกเดี่ยว การเตรียมแกนเซรามิกที่มีโครงสร้างซับซ้อน การหล่อโลหะ fused ทิศทางการแข็งตัว การบำบัดความร้อน การบำบัดผิว การเตรียมชั้นเคลือบกันความร้อน ฯลฯ) กระบวนการที่ซับซ้อนนี้มักเกิดข้อบกพร่องต่างๆ เช่น เกล็ดผลึกนอกเหนือจากตำแหน่งที่กำหนด จุดด่าง ขอบเขตผลึกมุมเล็ก ผลึกเส้น มุมเบี่ยงเบน การแปรผลึกใหม่ ขอบเขตผลึกมุมใหญ่ และการล้มเหลวในการคัดเลือกผลึก