ใบพัดกังหันแบบคริสตัลเดี่ยว: ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ก้าวข้ามขีดจำกัดอุณหภูมิสูง ประเทศไทย

1. การพัฒนาเครื่องยนต์กังหันแก๊สสำหรับเครื่องบิน

เนื่องจากความต้องการด้านประสิทธิภาพของเครื่องบินสำหรับการขนส่ง การทหาร การผลิต และวัตถุประสงค์อื่นๆ เพิ่มขึ้น เครื่องยนต์ลูกสูบรุ่นแรกๆ จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการบินความเร็วสูงได้อีกต่อไป ดังนั้น ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา เครื่องยนต์กังหันแก๊สจึงค่อยๆ กลายเป็นกระแสหลัก

ในปี 1928 เซอร์แฟรงก์ วิทเทิลแห่งสหราชอาณาจักรได้ชี้ให้เห็นในวิทยานิพนธ์รับปริญญาของเขาเรื่อง "การพัฒนาในอนาคตในการออกแบบเครื่องบิน" ในขณะที่กำลังศึกษาอยู่ที่สถาบันการทหารว่าภายใต้ความรู้ทางเทคนิคในเวลานั้น การพัฒนาเครื่องยนต์ใบพัดในอนาคตไม่สามารถตอบสนองความต้องการในระดับความสูงหรือความเร็วในการบินเกิน 800 กม./ชม. ได้ เขาได้เสนอแนวคิดของสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่าเครื่องยนต์ไอพ่น (เครื่องยนต์มอเตอร์) เป็นครั้งแรก โดยอากาศอัดจะถูกส่งไปที่ห้องเผาไหม้ (การเผาไหม้) ผ่านลูกสูบแบบดั้งเดิม และก๊าซอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นจะถูกใช้โดยตรงเพื่อขับเคลื่อนการบิน ซึ่งสามารถถือได้ว่าเป็นเครื่องยนต์ใบพัดที่รวมกับการออกแบบห้องเผาไหม้ ในการวิจัยในเวลาต่อมา เขาได้ละทิ้งแนวคิดในการใช้ลูกสูบที่หนักและไม่มีประสิทธิภาพ และเสนอให้ใช้กังหัน (กังหัน) เพื่อส่งอากาศอัดไปที่ห้องเผาไหม้ และพลังงานของกังหันจะได้รับจากก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูง ในปี 1930 Whittle ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตร และในปี 1937 เขาได้พัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตแบบแรงเหวี่ยงตัวแรกของโลก ซึ่งใช้ในเครื่องบิน Gloster E.28/39 อย่างเป็นทางการในปี 1941 นับแต่นั้นมา เครื่องยนต์กังหันแก๊สก็เข้ามามีบทบาทสำคัญต่อพลังการบิน และเป็นสัญลักษณ์สำคัญของระดับอุตสาหกรรมทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของประเทศ และความแข็งแกร่งที่ครอบคลุมของชาติ

เครื่องยนต์เครื่องบินสามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ประเภทพื้นฐานตามการใช้งานและลักษณะโครงสร้าง ได้แก่ เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน เครื่องยนต์เทอร์โบชาฟท์ และเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพ

เครื่องยนต์กังหันแก๊สสำหรับการบินเรียกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต ซึ่งเป็นเครื่องยนต์กังหันแก๊สรุ่นแรกๆ ที่ใช้กัน เมื่อพิจารณาจากวิธีการสร้างแรงขับแล้ว เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตถือเป็นเครื่องยนต์ที่ง่ายที่สุดและทำงานตรงที่สุด เหตุผลนั้นอาศัยแรงปฏิกิริยาที่เกิดจากการฉีดกระแสน้ำวนด้วยความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม การไหลของอากาศด้วยความเร็วสูงจะดูดซับความร้อนและพลังงานจลน์จำนวนมากไปพร้อมกัน ส่งผลให้สูญเสียพลังงานจำนวนมาก

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนแบ่งอากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์ออกเป็น 2 ทางคือ ท่อด้านในและท่อด้านนอก ซึ่งจะช่วยเพิ่มการไหลของอากาศทั้งหมดและลดอุณหภูมิไอเสียและความเร็วของการไหลของอากาศในท่อด้านใน

เครื่องยนต์เทอร์โบชาฟท์และเทอร์โบพร็อพไม่สร้างแรงขับจากการฉีดอากาศ ดังนั้นอุณหภูมิไอเสียและความเร็วจึงลดลงอย่างมาก ประสิทธิภาพความร้อนค่อนข้างสูง และอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับเครื่องบินระยะไกล โดยทั่วไป ความเร็วของใบพัดจะไม่เปลี่ยนแปลง และจะได้แรงขับที่แตกต่างกันโดยการปรับมุมใบพัด

เครื่องยนต์พร็อพแฟนเป็นเครื่องยนต์ที่อยู่ระหว่างเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพและเทอร์โบแฟน ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นเครื่องยนต์พร็อพแฟนที่มีปลอกใบพัดแบบมีท่อและเครื่องยนต์พร็อพแฟนที่ไม่มีปลอกใบพัดแบบมีท่อ เครื่องยนต์พร็อพแฟนเป็นเครื่องยนต์ประหยัดพลังงานรุ่นใหม่ที่มีการแข่งขันสูงสุด เหมาะสำหรับการบินด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียง

เครื่องยนต์อากาศยานพลเรือนได้ผ่านการพัฒนามากว่าครึ่งศตวรรษ โครงสร้างของเครื่องยนต์ได้พัฒนาจากเครื่องยนต์กังหันแรงเหวี่ยงในยุคแรกเป็นเครื่องยนต์ไหลตามแนวแกนโรเตอร์เดี่ยว จากเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตโรเตอร์คู่เป็นเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่มีอัตราส่วนบายพาสต่ำ และจากนั้นก็เป็นเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนที่มีอัตราส่วนบายพาสสูง โครงสร้างได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่องโดยมุ่งเน้นที่ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ อุณหภูมิทางเข้าของกังหันอยู่ที่ 1200-1300K ในเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตรุ่นแรกในช่วงปี 1940 และ 1950 โดยเพิ่มขึ้นประมาณ 200K เมื่อมีการอัปเกรดเครื่องบินแต่ละครั้ง ในช่วงปี 1980 อุณหภูมิทางเข้าของกังหันของเครื่องบินขับไล่ขั้นสูงรุ่นที่สี่จะสูงถึง 1800-2000K[1]

หลักการของเครื่องอัดอากาศแบบแรงเหวี่ยงคือใบพัดขับเคลื่อนก๊าซให้หมุนด้วยความเร็วสูงเพื่อให้ก๊าซสร้างแรงเหวี่ยง เนื่องจากการไหลของแรงดันขยายตัวของก๊าซในใบพัด อัตราการไหลและแรงดันของก๊าซหลังจากผ่านใบพัดจะเพิ่มขึ้นและอากาศอัดจะถูกผลิตอย่างต่อเนื่อง มีมิติแกนสั้นและอัตราส่วนความดันขั้นตอนเดียวสูง เครื่องอัดอากาศแบบไหลตามแนวแกนเป็นเครื่องอัดที่การไหลของอากาศโดยทั่วไปจะไหลขนานกับแกนของใบพัดที่หมุน เครื่องอัดแบบไหลตามแนวแกนประกอบด้วยหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนประกอบด้วยแถวของใบพัดโรเตอร์และแถวของใบพัดสเตเตอร์ที่ตามมา โรเตอร์เป็นใบมีดทำงานและล้อ และสเตเตอร์เป็นตัวนำ อากาศจะถูกเร่งความเร็วโดยใบพัดโรเตอร์ก่อน ลดความเร็วและบีบอัดในช่องใบพัดสเตเตอร์ และทำซ้ำในใบมีดหลายขั้นตอนจนกว่าอัตราส่วนความดันทั้งหมดจะถึงระดับที่ต้องการ คอมเพรสเซอร์ไหลตามแนวแกนมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กซึ่งสะดวกสำหรับการใช้แบบหลายขั้นตอนพร้อมกันเพื่อให้ได้อัตราส่วนแรงดันที่สูงขึ้น  

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมักใช้ค่าอัตราส่วนบายพาส อัตราส่วนแรงดันเครื่องยนต์ อุณหภูมิทางเข้ากังหัน และอัตราส่วนแรงดันพัดลมเป็นพารามิเตอร์การออกแบบ:

อัตราส่วนบายพาส (BPR): อัตราส่วนของมวลของก๊าซที่ไหลผ่านช่องทางออกต่อมวลของก๊าซที่ไหลผ่านช่องทางด้านในของเครื่องยนต์ โรเตอร์ที่ด้านหน้าของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตมักเรียกว่าคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำ และโรเตอร์ที่ด้านหน้าของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมักเรียกว่าพัดลม ก๊าซที่มีแรงดันที่ผ่านคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำจะผ่านทุกส่วนของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต ก๊าซที่ผ่านพัดลมจะแบ่งออกเป็นช่องทางด้านในและช่องทางด้านนอก ตั้งแต่มีเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน BPR ก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และแนวโน้มนี้เห็นได้ชัดโดยเฉพาะในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนพลเรือน

อัตราส่วนแรงดันเครื่องยนต์ (EPR): อัตราส่วนของแรงดันรวมที่ทางออกหัวฉีดต่อแรงดันรวมที่ทางเข้าคอมเพรสเซอร์

อุณหภูมิทางเข้ากังหัน: อุณหภูมิของไอเสียจากห้องเผาไหม้เมื่อเข้าไปในกังหัน

อัตราส่วนการอัดของพัดลม: เรียกอีกอย่างว่าอัตราส่วนการอัด ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงดันแก๊สที่ทางออกของคอมเพรสเซอร์ต่อแรงดันแก๊สที่ทางเข้า

ประสิทธิภาพสองประการ:

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน: การวัดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นพลังงานกลของเครื่องยนต์

ประสิทธิภาพการขับเคลื่อน: การวัดสัดส่วนของพลังงานกลที่สร้างขึ้นโดยเครื่องยนต์ที่ใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องบิน

2. การพัฒนาใบพัดกังหัน

การพัฒนาซ้ำ

หากใช้เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเป็นตัวอย่าง มูลค่าของใบพัดคิดเป็น 35% และถือเป็นส่วนประกอบสำคัญในการผลิตเครื่องยนต์เครื่องบิน ในเครื่องยนต์หนึ่งๆ จะมีใบพัดเครื่องบิน 3,000 ถึง 4,000 ใบ ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 63 ประเภท ได้แก่ ใบพัดพัดลม ใบพัดคอมเพรสเซอร์ และใบพัดเทอร์ไบน์ มูลค่าของใบพัดเทอร์ไบน์สูงที่สุด โดยอยู่ที่ 2% ในขณะเดียวกัน ใบพัดเหล่านี้ยังเป็นใบพัดที่มีความยากในการผลิตและต้นทุนการผลิตสูงที่สุดในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนอีกด้วย [XNUMX]    

ในช่วงทศวรรษ 1970 สหรัฐอเมริกาเป็นประเทศแรกที่ใช้ใบพัดแข็งตัวแบบทิศทาง PWA1422 ในเครื่องยนต์เครื่องบินทางทหารและพลเรือน

หลังจากปี 1980 อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์เจเนอเรชันที่ 8 เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 1480 และใบพัดกังหันก็เริ่มใช้ SX รุ่นแรก PWA4 RenéN2 CMSX-3 และ DD80 ของจีน ความสามารถในการรับอุณหภูมิสูงกว่าโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูง PWA1422 ที่หล่อขึ้นด้วยการทำให้แข็งตัวตามทิศทางที่ดีที่สุดถึง 1600K ข้อดี เมื่อรวมกับเทคโนโลยีช่องเดียวกลวงระบายความร้อนด้วยฟิล์ม อุณหภูมิในการทำงานของใบพัดกังหันจะสูงถึง 1750-XNUMXK

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนรุ่นที่สี่ใช้ SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 และ DD6 รุ่นที่ 1800 โดยการเพิ่มองค์ประกอบ Re และเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศแรงดันสูงแบบหลายช่อง ทำให้ใบพัดกังหันมีอุณหภูมิในการทำงานของ 2000K-2000K ที่ 100K และ 140 ชั่วโมง ความแข็งแรงที่คงทนจะอยู่ที่ XNUMXMPa

SX รุ่นที่สามที่พัฒนาขึ้นหลังปี 1990 ได้แก่ RenéN6, CMRX-10 และ DD9 ซึ่งมีข้อได้เปรียบด้านความแข็งแรงในการคืบคลานที่ชัดเจนมากเมื่อเทียบกับ SX รุ่นที่สอง ภายใต้การปกป้องของช่องระบายความร้อนที่ซับซ้อนและการเคลือบป้องกันความร้อน อุณหภูมิทางเข้ากังหันสามารถทนได้ถึง 3000K โลหะผสมอินเตอร์เมทัลลิกที่ใช้ในใบพัดมีค่าถึง 2200K และความแข็งแรงที่คงทน 100 ชั่วโมงมีค่าถึง 100MPa

ปัจจุบัน SX รุ่นที่ 4 ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา ได้แก่ MC-NG[138], TMS-162 เป็นต้น และ SX รุ่นที่ 1150 ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา ได้แก่ TMS-1226 เป็นต้น โดยองค์ประกอบของ SX มีลักษณะเฉพาะคือมีการเติมธาตุหายากชนิดใหม่ เช่น Ru และ Pt ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการคืบคลานที่อุณหภูมิสูงของ SX ได้อย่างมีนัยสำคัญ อุณหภูมิการทำงานของโลหะผสมอุณหภูมิสูงรุ่นที่ XNUMX ได้ถึง XNUMX°C ซึ่งใกล้เคียงกับอุณหภูมิการทำงานขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ XNUMX°C

3. การพัฒนาซูเปอร์อัลลอยด์ผลึกเดี่ยวที่ใช้ฐานนิกเกิล

3.1 ลักษณะองค์ประกอบและองค์ประกอบเฟสของซูเปอร์อัลลอยด์ผลึกเดี่ยวที่มีฐานเป็นนิกเกิล

โลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงสามารถแบ่งออกได้เป็นโลหะผสมเหล็ก โลหะผสมนิกเกิล และโลหะผสมโคบอลต์ และแบ่งย่อยลงไปอีกเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของการหล่อ การตีขึ้นรูป และโลหะผสมผง โลหะผสมนิกเกิลมีประสิทธิภาพในการทนอุณหภูมิสูงดีกว่าโลหะผสมทนอุณหภูมิสูงอีกสองประเภท และสามารถใช้งานได้นานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงที่รุนแรง

โลหะผสมนิกเกิลที่ทนอุณหภูมิสูงประกอบด้วยนิกเกิลอย่างน้อย 50% โครงสร้าง FCC ทำให้เข้ากันได้ดีกับธาตุผสมบางชนิด จำนวนธาตุผสมที่เพิ่มเข้าไปในระหว่างขั้นตอนการออกแบบมักจะเกิน 10 ธาตุผสมที่เพิ่มเข้าไปมีความเหมือนกันดังนี้: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo และ W เป็นธาตุชั้นหนึ่งซึ่งทำหน้าที่เป็นธาตุที่ทำให้ออสเทไนต์เสถียร (2) Al, Ti, Ta และ Nb มีรัศมีอะตอมที่ใหญ่กว่า ซึ่งส่งเสริมการก่อตัวของเฟสเสริมความแข็งแรง เช่น สารประกอบ Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) และเป็นธาตุชั้นสอง (3) B, C และ Zr เป็นธาตุชั้นสาม ขนาดอะตอมของทั้งสองนี้เล็กกว่าอะตอมของ Ni มาก และแยกออกได้ง่ายที่ขอบเกรนของเฟส γ ซึ่งมีบทบาทในการเสริมความแข็งแรงที่ขอบเกรน [14]

เฟสของโลหะผสมผลึกเดี่ยวที่ทนอุณหภูมิสูงที่มีส่วนประกอบของนิกเกิลเป็นหลัก ได้แก่ เฟส γ เฟส γ' เฟสคาร์ไบด์ และเฟสบรรจุปิดแบบโทโพโลยี (เฟส TCP)

เฟส γ: เฟส γ เป็นเฟสออสเทไนต์ที่มีโครงสร้างผลึกของ FCC ซึ่งเป็นสารละลายของแข็งที่เกิดจากธาตุต่างๆ เช่น Cr, Mo, Co, W และ Re ที่ละลายในนิกเกิล

เฟส γ': เฟส γ' เป็นสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก Ni3(Al, Ti) ของ FCC ซึ่งก่อตัวเป็นเฟสการตกตะกอน และรักษาความสอดคล้องและความไม่ตรงกันกับเฟสเมทริกซ์ในระดับหนึ่ง และอุดมไปด้วย Al, Ti, Ta และธาตุอื่นๆ

เฟสคาร์ไบด์: เริ่มจาก SX รุ่นที่สองที่มีนิกเกิลเป็นฐาน โดยจะเติมคาร์บอนในปริมาณเล็กน้อย ทำให้เกิดลักษณะคาร์ไบด์ คาร์ไบด์จำนวนเล็กน้อยจะกระจายอยู่ในเมทริกซ์ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมได้ในระดับหนึ่ง โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็น 23 ประเภท ได้แก่ MC, M6C6 และ MXNUMXC

เฟส TCP: ในกรณีที่อายุการใช้งานยาวนาน ธาตุทนไฟที่มากเกินไป เช่น Cr, Mo, W และ Re จะส่งเสริมการตกตะกอนของเฟส TCP โดยทั่วไป TCP จะก่อตัวเป็นแผ่น โครงสร้างแผ่นมีผลกระทบเชิงลบต่อคุณสมบัติความเหนียว การคืบ และความล้า เฟส TCP เป็นหนึ่งในแหล่งรอยแตกร้าวที่ทำให้เกิดการคืบ

กลไกการเสริมสร้างความเข้มแข็ง

ความแข็งแกร่งของซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีส่วนประกอบเป็นนิกเกิลเกิดจากการผสมผสานกลไกการชุบแข็งหลายวิธี รวมถึงการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง การเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน และการอบด้วยความร้อน เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของการเคลื่อนตัว และพัฒนาโครงสร้างรองของการเคลื่อนตัวเพื่อให้เกิดความแข็งแกร่ง

การชุบแข็งด้วยสารละลายของแข็งเป็นการปรับปรุงความแข็งแรงพื้นฐานโดยการเติมธาตุที่ละลายน้ำได้ต่างๆ รวมถึง Cr, W, Co, Mo, Re และ Ru

รัศมีอะตอมที่แตกต่างกันทำให้เกิดการบิดเบือนโครงตาข่ายอะตอมในระดับหนึ่ง ซึ่งขัดขวางการเคลื่อนตัวแบบดิเคตชัน การเสริมความแข็งแกร่งของสารละลายของแข็งจะเพิ่มขึ้นตามความแตกต่างของขนาดอะตอมที่เพิ่มขึ้น

การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งยังมีผลในการลดพลังงานความผิดพลาดในการเรียงซ้อน (SFE) โดยยับยั้งการเคลื่อนตัวแบบไขว้ของการเคลื่อนตัวเป็นหลัก ซึ่งเป็นโหมดการเสียรูปหลักของผลึกที่ไม่เหมาะสมที่อุณหภูมิสูง

คลัสเตอร์อะตอมหรือโครงสร้างจุลภาคแบบระยะสั้นเป็นอีกกลไกหนึ่งที่ช่วยในการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง อะตอมของ Re ใน SX จะแยกตัวออกจากกันในบริเวณแรงดึงของแกนการเคลื่อนตัวที่อินเทอร์เฟซ γ/γ' โดยก่อตัวเป็น "บรรยากาศคอตเทรล" ซึ่งป้องกันการเคลื่อนตัวของการเคลื่อนตัวและการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมีประสิทธิภาพ (อะตอมของสารละลายจะกระจุกตัวอยู่ในบริเวณแรงดึงของการเคลื่อนตัวของขอบ ลดการบิดเบือนของโครงตาข่าย ก่อตัวเป็นโครงสร้างก๊าซคอริโอลิส และสร้างผลการเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งที่แข็งแกร่ง ผลกระทบจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของอะตอมของสารละลายที่เพิ่มขึ้นและความแตกต่างของขนาดที่เพิ่มขึ้น)

Re, W, Mo, Ru, Cr และ Co ช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับเฟส γ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเสริมความแข็งแกร่งให้กับเมทริกซ์ γ ด้วยสารละลายของแข็งมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อความแข็งแรงในการคืบคลานของโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงที่มีส่วนประกอบเป็นนิกเกิล

ผลกระทบจากการแข็งตัวของตะกอนได้รับผลกระทบจากเศษส่วนปริมาตรและขนาดของเฟส γ' วัตถุประสงค์ของการปรับองค์ประกอบของโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงให้เหมาะสมที่สุดคือเพื่อเพิ่มเศษส่วนปริมาตรของเฟส γ' และปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกล โลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูง SX สามารถมีเฟส γ' ได้ 65%-75% ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการคืบคลานที่ดี ซึ่งถือเป็นค่าสูงสุดที่มีประโยชน์ของผลกระทบในการเสริมความแข็งแรงของอินเทอร์เฟซ γ/γ' และการเพิ่มขึ้นอีกจะทำให้ความแข็งแรงลดลงอย่างมาก ความแข็งแรงในการคืบคลานของโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงที่มีเศษส่วนปริมาตรเฟส γ' สูงได้รับผลกระทบจากขนาดของอนุภาคเฟส γ' เมื่อขนาดเฟส γ' เล็ก การเคลื่อนตัวจะมีแนวโน้มที่จะไต่ขึ้นไปรอบๆ ส่งผลให้ความแข็งแรงในการคืบคลานลดลง เมื่อการเคลื่อนตัวถูกบังคับให้ตัดเฟส γ' ความแข็งแรงในการคืบคลานจะถึงจุดสูงสุด เมื่ออนุภาคในเฟส γ' มีขนาดใหญ่ขึ้น การเคลื่อนตัวจะมีแนวโน้มที่จะโค้งงอระหว่างอนุภาค ส่งผลให้ความแข็งแรงของการคืบคลานลดลง [14]

มีกลไกหลักในการเสริมความแข็งแรงของฝน 3 ประการ:

การเสริมความแข็งแกร่งให้กับความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย: เฟส γ' กระจายและตกตะกอนในเมทริกซ์เฟส γ ในลักษณะที่สอดคล้องกัน ทั้งสองเป็นโครงสร้าง FCC ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายสะท้อนถึงเสถียรภาพและสถานะความเค้นของอินเทอร์เฟซที่สอดคล้องกันระหว่างเฟสทั้งสอง กรณีที่ดีที่สุดคือเมทริกซ์และเฟสที่ตกตะกอนมีโครงสร้างผลึกและพารามิเตอร์โครงตาข่ายเดียวกันที่มีรูปทรงเรขาคณิตเดียวกัน ดังนั้นจึงสามารถเติมเฟสที่ตกตะกอนได้มากขึ้นในเฟส γ ช่วงความไม่ตรงกันของโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงที่มีฐานเป็นนิกเกิลคือ 0~±1% Re และ Ru แยกออกจากเฟส γ อย่างชัดเจน การเพิ่มขึ้นของ Re และ Ru จะเพิ่มความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย

การเสริมความแข็งแกร่งของลำดับ: การตัดการเคลื่อนตัวจะทำให้เกิดความไม่เป็นระเบียบระหว่างเมทริกซ์และเฟสที่ตกตะกอน ซึ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้น

กลไกบายพาสการเคลื่อนตัวของอนุภาค: เรียกว่ากลไกโอโรวัน (Orowan bowing) เป็นกลไกเสริมความแข็งแรงซึ่งเฟสที่ตกตะกอนในเมทริกซ์โลหะจะขัดขวางการเคลื่อนตัวของอนุภาคที่เคลื่อนที่ หลักการพื้นฐาน: เมื่อการเคลื่อนตัวของอนุภาคไปพบกับอนุภาค อนุภาคนั้นจะไม่สามารถผ่านได้ ส่งผลให้เกิดพฤติกรรมบายพาส เส้นการเคลื่อนตัวจะเติบโต และแรงขับเคลื่อนที่จำเป็นจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดผลการเสริมความแข็งแรง

3.3 การพัฒนาวิธีการหล่อโลหะผสมอุณหภูมิสูง

โลหะผสมที่ใช้ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงในยุคแรกสามารถสืบย้อนไปถึงการประดิษฐ์นิโครมในปี 1906 การเกิดขึ้นของคอมเพรสเซอร์เทอร์โบและเครื่องยนต์กังหันแก๊สเป็นแรงกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาโลหะผสมอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างมาก ใบพัดของเครื่องยนต์กังหันแก๊สรุ่นแรกผลิตขึ้นโดยการอัดรีดและการตีขึ้นรูป ซึ่งเห็นได้ชัดว่ามีข้อจำกัดในสมัยนั้น ในปัจจุบัน ใบพัดกังหันโลหะผสมอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่ผลิตขึ้นโดยการหล่อแบบหล่อโดยเฉพาะการแข็งตัวแบบมีทิศทาง (DS) วิธี DS ถูกคิดค้นครั้งแรกโดยทีมงาน Versnyder ของ Pratt & Whitney ในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1970 [3] ในช่วงหลายทศวรรษของการพัฒนา วัสดุที่ต้องการสำหรับใบพัดกังหันได้เปลี่ยนจากผลึกที่มีแกนเท่ากันเป็นผลึกที่มีคอลัมน์ จากนั้นจึงปรับให้เหมาะสมเป็นวัสดุโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่มีผลึกเดี่ยว

เทคโนโลยี DS ถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะผสมแกนคอลัมน์ SX ซึ่งช่วยปรับปรุงความเหนียวและความต้านทานการกระแทกเนื่องจากความร้อนของโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูงได้อย่างมีนัยสำคัญ เทคโนโลยี DS ช่วยให้แน่ใจว่าผลึกคอลัมน์ที่ผลิตได้มีทิศทาง [001] ซึ่งขนานกับแกนความเค้นหลักของชิ้นส่วน แทนที่จะเป็นทิศทางของผลึกแบบสุ่ม โดยหลักการแล้ว DS ต้องแน่ใจว่าการทำให้โลหะหลอมเหลวแข็งตัวในชิ้นงานหล่อนั้นดำเนินการโดยที่โลหะที่ป้อนของเหลวจะอยู่ในสถานะที่แข็งตัวเสมอ

การหล่อผลึกคอลัมน์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสองประการ: (1) การไหลของความร้อนทางเดียวทำให้แน่ใจว่าส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งและของเหลวที่จุดการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (2) จะต้องไม่มีนิวเคลียสอยู่ด้านหน้าทิศทางการเคลื่อนตัวของส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งและของเหลว

เนื่องจากรอยแตกของใบมีดมักเกิดขึ้นในโครงสร้างขอบเกรนที่อ่อนแอและอุณหภูมิสูง เพื่อขจัดขอบเกรน จึงใช้แม่พิมพ์แข็งตัวที่มีโครงสร้าง "ตัวเลือกเกรน" ในระหว่างกระบวนการแข็งตัวแบบมีทิศทาง ขนาดหน้าตัดของโครงสร้างนี้ใกล้เคียงกับขนาดเกรน ดังนั้น มีเพียงเกรนที่เติบโตอย่างเหมาะสมเพียงเกรนเดียวเท่านั้นที่จะเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์ของชิ้นงานหล่อ จากนั้นจึงเติบโตต่อไปในรูปแบบของผลึกเดี่ยวจนกระทั่งใบมีดทั้งหมดประกอบด้วยเกรนเพียงเกรนเดียว

ตัวเลือกคริสตัลสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน: บล็อกเริ่มต้นและเกลียว:

ในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการ DS เมล็ดพืชจะเริ่มก่อตัวเป็นนิวเคลียสที่ด้านล่างของบล็อกเริ่มต้น ในระยะเริ่มต้นของการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช จำนวนเมล็ดพืชจะมีขนาดใหญ่ ขนาดเล็ก และความแตกต่างของการวางแนวจะมีขนาดใหญ่ พฤติกรรมการเจริญเติบโตแบบแข่งขันระหว่างเมล็ดพืชมีอิทธิพลเหนือ และเอฟเฟกต์การปิดกั้นทางเรขาคณิตของผนังด้านข้างจะอ่อนแอ ในเวลานี้ เอฟเฟกต์การปรับให้เหมาะสมของการวางแนวจะชัดเจน เมื่อความสูงของเมล็ดพืชในบล็อกเริ่มต้นเพิ่มขึ้น จำนวนเมล็ดพืชจะลดลง ขนาดจะเพิ่มขึ้น และการวางแนวจะใกล้เคียงกัน พฤติกรรมการเจริญเติบโตแบบแข่งขันระหว่างเมล็ดพืชจะลดลง และเอฟเฟกต์การปิดกั้นทางเรขาคณิตของผนังด้านข้างจะมีอิทธิพลเหนือ ทำให้มั่นใจได้ว่าทิศทางของผลึกสามารถปรับให้เหมาะสมได้อย่างต่อเนื่อง แต่เอฟเฟกต์การปรับให้เหมาะสมของการวางแนวจะอ่อนแอลง การลดรัศมีของบล็อกเริ่มต้นและเพิ่มความสูงของบล็อกเริ่มต้น จะทำให้การปรับแนวของเมล็ดพืชที่เข้าสู่ส่วนเกลียวมีประสิทธิภาพมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความยาวของบล็อกเริ่มต้นจะทำให้พื้นที่การเจริญเติบโตที่มีประสิทธิภาพของการหล่อสั้นลง และให้รอบการผลิตและต้นทุนการเตรียมการแก่คุณ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องออกแบบโครงสร้างทางเรขาคณิตของพื้นผิวอย่างเหมาะสม

หน้าที่หลักของเกลียวคือการคัดเลือกผลึกเดี่ยวอย่างมีประสิทธิภาพ และความสามารถในการปรับทิศทางของเมล็ดพืชให้เหมาะสมนั้นอ่อนแอ เมื่อกระบวนการ DS ดำเนินการเป็นเกลียว ช่องโค้งจะให้พื้นที่สำหรับการเติบโตของกิ่งเดนไดรต์ และเดนไดรต์รองของเมล็ดพืชจะเคลื่อนตัวไปในทิศทางของเส้นลิควิดัส เมล็ดพืชมีแนวโน้มการพัฒนาด้านข้างที่แข็งแกร่ง และการวางแนวของเมล็ดพืชอยู่ในสถานะที่ผันผวน โดยมีผลการเพิ่มประสิทธิภาพที่อ่อนแอ ดังนั้น การคัดเลือกเมล็ดพืชในเกลียวจึงขึ้นอยู่กับข้อได้เปรียบของการจำกัดทางเรขาคณิต ข้อได้เปรียบของการเติบโตแบบแข่งขัน และข้อได้เปรียบของการขยายพื้นที่ของเมล็ดพืชในส่วนเกลียวเป็นหลัก [7] มากกว่าข้อได้เปรียบของการเติบโตของการวางแนวที่ต้องการของเมล็ดพืช ซึ่งมีความสุ่มที่แข็งแกร่ง [6] ดังนั้น เหตุผลหลักสำหรับความล้มเหลวของการเลือกผลึกก็คือ เกลียวไม่ได้มีบทบาทในการเลือกผลึกเดี่ยว โดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเกลียว ลดระยะห่าง เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นผิวเกลียว และลดมุมเริ่มต้น จะสามารถปรับปรุงผลการเลือกผลึกได้อย่างมีนัยสำคัญ

การเตรียมใบพัดกังหันแบบผลึกเดี่ยวกลวงต้องใช้ขั้นตอนมากกว่า 12 ขั้นตอน (การหลอมโลหะผสมหลัก การเตรียมเปลือกเมมเบรนผลึกเดี่ยว การเตรียมแกนเซรามิกที่มีการกำหนดค่าที่ซับซ้อน การหล่อหลอม การแข็งตัวแบบมีทิศทาง การอบชุบด้วยความร้อน การอบชุบพื้นผิว การเตรียมการเคลือบป้องกันความร้อน ฯลฯ) กระบวนการที่ซับซ้อนมักเกิดข้อบกพร่องต่างๆ เช่น เมล็ดพืชที่หลงเหลือ จุดด่าง ขอบเมล็ดพืชมุมเล็ก ผลึกลายเส้น การเบี่ยงเบนทิศทาง การตกผลึกใหม่ ขอบเมล็ดพืชมุมใหญ่ และความล้มเหลวในการเลือกผลึก