Tek kristal türbın aletleri: yüksek sıcaklık sınırlarını aşan bir teknolojik ilerleme

1 Havacılık gaz türbin motorlarının geliştirmesi

Ulaşım, askeri, üretim ve diğer amaçlar için uçakların performans gereksinimleri arttıkça, en erken piston motorları artık yüksek hızlı uçuşun ihtiyaçlarını karşılayamıyordu. Bu nedenle, 1950'lerden beri gaz türbin motorları gradually anaağırı olmuştur.

1928'de, Birleşik Krallık'ın Sir Frank Whittle adlı mühendis, askeri akademiye öğrenciken "Hava Yolu Tasarımı Gelecek Kalkışlar" adlı mezuniyet tezi içinde o zamanlarda teknik bilgiye göre, gelecekteki pervane motorlarının gelişimi yüksek irtifalara veya saatte 800 km'den fazla uçuş hızlarına uyum sağlayamayacağını belirtti. O, günümüzde ittihat motoru (jet engine) olarak bilinen kavramı ilk kez önerdi: sıkıştırılmış hava, geleneksel bir piston vasıtasıyla yanma odasına (combustion) verilir ve bu şekilde üretilen yüksek sıcaklıklı gaz doğrudan uçuş için kullanılır, bu da bir pervane motörü artı yanma odası tasarımı olarak görülebilir. Sonraki araştırmalarda, ağır ve verimli olmayan piston fikrini bıraktı ve yanma odasına sıkıştırılmış hava sağlamak için bir türbin (turbine) kullanmayı önerdi; türbinin gücü ise yüksek sıcaklıklı dışarı atılan gazdan elde edildi. 1930'da Whittle bir patent başvurusu yaptı ve 1937'de dünyanın ilk merkezî türbinli jet motorunu geliştirdi, bu motor 1941'de resmen Gloster E.28/39 uçağında kullanıldı. Bu noktadan sonra, gaz türbini motorları havacılık gücünde hakim oldular ve bir ülkenin bilimsel ve teknolojik endüstri seviyesi ile genel ulusal gücünün önemli bir sembolü haline geldiler.

Hava araçları motorları, kullanım amaçlarına ve yapısal özelliklerine göre dört temel türe ayrılır: turbojet motorları, turbofan motorları, turboshaft motorları ve turboprop motorları:

Havacılık gaz türbini motorları turbojet motorları olarak adlandırılır ve bunlar kullanılmış olan en eski gaz türbini motorlardır. Itfaiye üretilme açısından bakıldığında, turbojet motorları en basit ve doğrudan motorlardır. Mantık, yüksek hızlı vurumun yarattığı tepki kuvvetine dayanır. Ancak, yüksek hızlı hava akımı birçok ısıyı ve kinetik enerjiyi beraberinde götürür, bu da büyük enerji kaybına neden olur.

Turbofan motoru, motora giren havayı iki yola ayırır: iç kanal ve dış kanal, bu da toplam hava akışını artırır ve iç kanal hava akımının atık sıcaklığını ve hızını azaltır.

Turboshaft ve turboprop motorlar, hava akımı enjeksiyonuyla itki oluşturmadıkları için, duman sıcaklığı ve hızı büyük ölçüde azaltılmıştır, termal verimlilik nispeten yüksektir ve motor yakıt tüketimi oranı düşüktür, bu da uzun menzilli uçaklara uygun olduğuna işaret eder. Propellerin hızı genellikle değişmez ve farklı itkiler bıçak açısı ayarlayarak elde edilir.

Propfan motoru, turboprop ve turbofan motorları arasındaki bir motordur. Kanallanmış propeller kılıfları olan ve kanallanmış propeller kılıfları olmayan propfan motorlarına bölünebilir. Propfan motoru, alt sesli uçuş için uygun en yararlı yeni enerji tasarrufu motorudur.

Sivil havacılık motorları, yarım yüzyıldan fazla bir süre boyunca geliştirilmiştir. Motor yapısı, erken dönem merkezifüj türbin motorundan tek-rotorlu eksenel akış motoruna, ikili-rotorlu turbojet motordan düşük geçiş oranı turbofan motora ve ardından yüksek geçiş oranı turbofan motora evrimleşmiştir. Yapısı, verimlilik ve güvenilirlik peşinde sürekli optimize edilmiştir. 1940'lar ve 1950'lerdeki ilk nesil turbojet motorlarının türbin giriş sıcaklığı sadece 1200-1300K idi. Her uçaç yükseltmesiyle yaklaşık 200K artmıştır. 1980'lerde, dördüncü nesil ileri savaş uçağı motorlarının türbin giriş sıcaklığı 1800-2000K'ya ulaşmıştır[1].

Merkezkaç havuz sıkıcı prensibi, türbinynin gazı yüksek bir hızda döndürerek hareket ettirmesidir, bu da gazın merkezkaç kuvveti oluşturmasına neden olur. Türbinceki gazın genişleme basıncı akımı nedeniyle, türbinden geçtikten sonra gazın akım oranı ve basıncı artırılır ve sürekli sıkıştırılmış hava üretilir. Bu, kısa bir aksiyel boyutuna ve yüksek tek aşamalı basınç oranına sahiptir. Aksiyel akışlı hava sıkıcı, hava akımının temelde dönen türbinin eksenine paralel olarak aktığı bir sıkıcıdır. Aksiyel akışlı sıkıcı, her aşama rotör paletleri ve ardından stator paletleri olan birden fazla aşamadan oluşur. Rotör, işlevsel paletler ve tekerlekkenar, stator ise rehberdir. Hava önce rotör paletleri tarafından hızlandırılır, stator paleti kanalında yavaşlatılır ve sıkıştırılır ve bu işlem, toplam basıncı gerekli seviyeye ulaşana kadar çok aşamalı paletlerde tekrarlanır. Aksiyel akışlı sıkıcı, küçük çaplı olup, daha yüksek bir basınç oranı elde etmek için çok aşamalı seri kullanıma uygun hale getirilmiştir.   

Turboprop motorlar genellikle bypass oranı, motor basıncı oranı, türbin giriş sıcaklığı ve fan basıncı oranı gibi tasarım parametrelerini kullanır:

Bypass Oranı (BPR): Motorun dış kanallarından geçen gaz kütlesinin, iç kanallarından geçen gaz kütlesine oranıdır. Turboprop motorlarının ön rotoru genellikle düşük basınçlı sıkıcı olarak adlandırılırken, turbofan motorlarının ön rotoru genellikle fan olarak adlandırılır. Düşük basınçlı sıkıcıdan geçen basınçlanmış gaz, turboprop motorunun tüm bölümlerinden geçer; fandan geçen gaz ise iç ve dış kanallara ayrılır. Turbofan motorlarının ortaya çıkmasından bu yana BPR artmaya devam etmiştir ve bu eğilim özellikle sivil turbofan motorlarında belirgindir.

Motor Basıncı Oranı (EPR): Düzenek çıkışındaki toplam basıncın, sıkıcı girişindeki toplam basıncına oranı.

Turbine giriş sıcaklığı: Tübenin içine girdiğinde yanma odası dumanının sıcaklığı.

Fan sıkıştırma oranı: Sıkıştırıcı çıkışındaki gaz basıncına girişteki gaz basıncı oranına da denir.

İki verimlilik:

Termal verimlilik: Bir motörün yanma tarafından üretilen ısı enerjisini mekanik enerjiye ne kadar etkili bir şekilde dönüştürdüğünü ölçer.

İlerleme verimliliği: Motordan üretilen mekanik enerjinin, uçağı hareket ettirmek için kullanılan kısmının oranı.

2 Turbin bıçak geliştirmesi

Yinelenen Geliştirme

Bir turbofan motorunu örnek alarak, paların değeri toplamın %35'ini oluşturabiliyor ve bu, uçak motorlarının üretilmesinde kritik bir bileşen. Bir motorda 3.000 ila 4.000 adet havacılık paları bulunur ve bunlar üç grupta sınıflandırılabilir: fan paları, sıkıcı paları ve türbin paları. Türbin palarının değeri en yüksektir, %63 oranında ulaşır. Aynı zamanda, bu palar turbofan motorlarında en zor ve en pahalı üretilen palar da olurlar [2].

1970'lerde, Amerika Birleşik Devletleri PWA1422 yöneyel katılaşım palarını ilk kez askeri ve sivil hava araç motorlarında kullandı.

1980'lerden sonra, üçüncü nesil motorların ağırlıkla itme oranı 8'den fazlaya arttı ve türbin pırtları ilk nesil SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ve Çin'in DD3 malzemesini kullanmaya başladı. Bu malzemelerin sıcaklık dayanımı, en iyi yönlü katılaşma döküm yüksek sıcaklıkli alaşım olan PWA1422'ninkinden 80K daha yüksektir. Avantajlar. Film soğutma tek kanallı boş teknolojisi ile birlikte, türbin pırtlarının işletim sıcaklığı 1600-1750K'ya ulaşır.

Dördüncü nesil turbofan motoru ikinci nesil SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ve DD6'yı kullanır. Re unsurları eklenmesi ve çok kanallı yüksek basınçlı hava soğutma teknolojisi ile türbin pırtlarının işletim sıcaklığı 1800K-2000K'ya ulaşır. 2000K ve 100 saatteki süreklilik dayanımı 140MPa'ya ulaşır.

1990'ların ardından geliştirilen üçüncü nesil SX, ikinci nesil SX'e göre çok belirgin kriptik dayanım avantajı sunan RenéN6, CMRX-10 ve DD9'u içerir. Karmaşık soğutma kanalları ve termal engel kaplamaları koruması altında dayanabileceği türbin giriş sıcaklığı 3000K'ya ulaşır. Pervanelerde kullanılan intermetaller bileşiği alaşımların sıcaklığı 2200K'ya ulaşır ve 100 saatlik dayanımı 100MPa olur.

Şu anda MC-NG[4], TMS-138 gibi dördüncü nesil SX ve TMS-162 gibi beşinci nesil SX geliştirilmektedir. Bu bileşimin özelliği Ru ve Pt gibi yeni nadir toprak elemanlarının eklenmesidir ki bu da SX'in yüksek sıcaklıkta kriptik performansını önemli ölçüde artırır. Beşinci nesil yüksek sıcaklık alaşımı çalışma sıcaklığı 1150°C'ye ulaşmıştır ki bu da 1226°C olan teorik sınır işletme sıcaklığına yakındır.

3 Nikel Tabanlı Tek Kristal Üstü Alaşımın Gelişimi

3.1 Nikel tabanlı tek kristal süperalazların bileşim özellikleri ve faz bileşeni

Matris elemanlarının türlerine göre, yüksek sıcaklık alazları demir-tabanlı, nikel-tabanlı ve kobalt-tabanlı olarağına bölünebilir ve daha sonra döküm, kalıp taşıma ve toz metallurgisi makro yapılarına ayrılmıştır. Nickel-tabanlı alazlar diğer iki tür yüksek sıcaklık alazından daha iyi yüksek sıcaklık performansına sahiptir ve sert koşullarda uzun süre çalışabilir.

Nikel tabanlı yüksek sıcaklık alaşımaları en az %50 Ni içerir. FCC yapısı, bunları bazı alaşımlayıcı elemanlar ile oldukça uyumlu kılar. Tasarım sürecinde eklenen alaşımlayıcı elemanların sayısı genellikle 10'u aşıyor. Eklenen alaşımlayıcı elemanların ortaklığı şu şekilde sınıflandırılır: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ve W birinci sınıf elemanlardır ve austenit stabilizasyon elemanları olarak işlev görür; (2) Al, Ti, Ta ve Nb daha büyük atom yarıçaplarına sahiptir ve Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) gibi güçlendirme fazlarının oluşmasını sağlar ve ikinci sınıf elemanlardır; (3) B, C ve Zr üçüncü sınıf elemanlardır. Atom boyutları Nikel atomlarından çok daha küçük olduğundan, γ fazinin gran sınırlarına kolayca ayrılabilir ve gran sınırı güçlendirme rolü oynar [14].

Nikel tabanlı tek kristal yüksek sıcaklık alaşımlarının fazları çoğunlukla şunlardır: γ fazı, γ' fazı, karbür fazı ve topolojik yakın paketlenmiş faz (TCP fazı).

γ fazı: γ fazı, Cr, Mo, Co, W ve Re gibi elementlerin nikeline çözüldüğü bir katı çözüm olup, FCC kristal yapısına sahip bir austenit fazıdır.

γ' fazı: γ' fazı, FCC yapısında bir Ni3(Al, Ti) intermetalik bileşik olup, bir çökelme fazı olarak oluşur ve matris fazıyla belirli bir uyum ve uyuşmazlık gösterir; Al, Ti, Ta gibi elementlerle zengindir.

Karbid fazı: Nikel tabanlı SX'nin ikinci nesilden itibaren küçük miktarda C eklenmiştir, bu da karbidlerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Küçük miktarlarda karbidler matrise dağılmıştır ve bu, alaşımın yüksek sıcaklık performansını belirli ölçüde artırmaktadır. Genellikle üç türe ayrılmaktadır: MC, M23C6 ve M6C.

TCP fazı: Servis yaşlaması durumunda, Cr, Mo, W ve Re gibi aşırı refraktuar unsurlar TCP fazının birleşimi üzerinde etkiye sahiptir. TCP genellikle bir plak biçiminde oluşur. Plak yapısı, çekme uzunluğu, kripta dayanım ve yorgunluk özelliklerine olumsuz etki eder. TCP fazı, kriptik kopma için bir çatlak kaynağıdır.

Güçlendirme Mekanizması

Nikel tabanlı süperalloyların dayanımı, katı çözelti güçlendirme, birleşim güçlendirme ve dislokasyon yoğunluğunu artırmak ve dislokasyon alt-yapısını geliştirmek amacıyla termal işleme içeren birden fazla güçlendirme mekanizmasının birleşiminden kaynaklanır.

Katı çözelti güçlendirme, Cr, W, Co, Mo, Re ve Ru gibi farklı çözünür unsurları ekleyerek temel dayanımı artırmayı içerir.

Farklı atom yarıçapları, dislokasyon hareketini engellemeye yönelik belirli derecede atomik kafes bozulmasına neden olur. Katı çözelti güçlendirmesi, atom boyutu farkıyla beraber artar.

Katı çözelti güçlendirme, aynı zamanda yığma hata enerjisini (SFE) azaltma etkisine sahiptir, ana deformasyon modu olan yüksek sıcaklıklarda olmayan ideal kristallerde dislokasyon çapraz kaymasını çoğunlukla engellemektedir.

Atom kümeleri veya kısa menzilli düzen mikrostructure'ları, katı çözelti yoluyla güçlendirme elde etmekte yardımcı olan başka bir mekanizmadır. Re atomları SX'de γ/γ’ arayüzünde dislokasyon çekirdeğinin gerilme stres bölgesinde ayrılır ve dislokasyon hareketini ve kırık yayılmasını etkili bir şekilde engelleyen bir "Cottrell atmosferi" oluşturur. (Çözünmüş atomlar kenar dislokasyonlarının gerilme stres alanlarında yoğunlaşır, oksiyen distorsiyonunu azaltır, Coriolis gaz yapısı oluşturur ve güçlü bir katı çözelti güçlendirme etkisi üretir. Etki, çözünmüş atom konsantrasyonunun artması ve boyut farkının artırılması ile artar.)

Re, W, Mo, Ru, Cr ve Co, γ fazini etkili bir şekilde güçlendirir. γ matrisindeki katı çözelti güçlendirme, nikel tabanlı yüksek sıcaklık alaşımının kripta dayanımında aşırı derecede önemli bir rol oynar.

Yağmurlaşım sertleştirme etkisi, γ' fazının hacim oranı ve boyutuna bağlı olarak değişir. Yüksek sıcaklık alaşımalarının bileşimini optimize etme amacı, çoğunlukla γ' fazının hacim oranını artırmak ve mekanik özelliklerini geliştirmektir. SX yüksek sıcaklık alaşımaları, γ' fazı oranını %65-%75 arasında içerebilir, bu da iyi kriptik dayanım sağlar. Bu, γ/γ' arayüzünün sertleştirme etkisinin faydalı maksimum değerini temsil eder ve daha fazla artış, dayanımı önemli ölçüde düşürecektir. Yüksek γ’ fazı hacim oranına sahip yüksek sıcaklık alaşımalarının kriptik dayanımı, γ’ fazı parçacıklarının boyutuna bağlıdır. γ’ fazı boyutu küçük olduğunda, dislokasyonlar genellikle bunun çevresinde tırmanmaya eğilim gösterir, bu da kriptik dayanımı azaltır. Dislokasyonlar γ’ fazını kesmeye zorlandığında, kriptik dayanım maksimum seviyeye ulaşır. γ’ fazı parçacıkları büyüdükçe, dislokasyonlar genellikle bunların arasından bükülür, bu da kriptik dayanımı azaltır [14].

Üç ana yağmur artışı mekanizması vardır:

Ağırlık uyuşmazlığı güçlendirme: γ’ fazı, γ faz matrisinde uyumlu bir şekilde dağıtılmış ve kristalleşmiştir. Her ikisi de FCC yapıdadır. Ağırlık uyuşmazlığı, iki faz arasındaki uyumlu arayüzün istikrarını ve gerilim durumunu yansıtır. En iyi durum, matrisin ve kristalleşmiş fazın aynı kristal yapısı ve geometrik olarak aynı kafes parametrelerine sahip olmasıdır, böylece daha fazla kristalleşmiş faz γ faza yerleştirilebilir. Nikel tabanlı yüksek sıcaklık alaşımının uyuşmazlık aralığı 0~±1% arasındadır. Re ve Ru, γ fazıyla açık bir şekilde ayrılabilir. Re ve Ru'nun artırılması, ağırlık uyuşmazlığını artırır.

Sıralama güçlendirme: Kayma kesmesi, matris ile kristalleşmiş faz arasında düzensizlik yaratabilir, bu da daha fazla enerji gerektirir.

Yer değiştirme geçiş mekanizması: Orowan mekanizması (Orowan bowing) adı verilen, metal matrisindeki düşey fazın hareket halindeki yer değiştirme devam etmesini engelleyen bir güçlendirme mekanizmasıdır. Temel prensip: Hareket eden yer değiştirme bir parçaya rastladığında, onu geçemeyeceği için, çevreye geçiş davranışı gösterir, yer değiştirme hattı büyür ve gerekli sürükleyici kuvvet artar, bu da güçlendirme etkisine neden olur.

3.3 Yüksek sıcaklık ittinalı döküm yöntemlerinin geliştirmesi

Yüksek sıcaklıkli ortamlarda kullanılan en erken alaşım, 1906'da Nichrome'un icadına kadar izlenebilir. Turbo sıkıcılar ve gaz türbin motorlarının ortaya çıkması, yüksek sıcaklıkli alaşım teknolojisinin önemli gelişimini tetikledi. İlk nesil gaz türbin motorlarının pırtıları, o dönemlerin sınırlamalarını açıkça taşır şekilde, ekstrüzyon ve dökme ile üretilmiştir. Şu anda, yüksek sıcaklıkli alaşım türbin pırtıları çoğunlukla yatırımcılık dökümü yöntemiyle yapılır, özellikle de yönlü katılaşma (DS) tekniği kullanılır. DS yöntemi, 1970'lerde Amerika'daki Pratt & Whitney'in Versnyder takımı tarafından ilk kez icat edilmiştir [3]. Gelişim süreçleri boyunca, türbin pırtıları için tercih edilen malzeme, eşit eksenli kristallerden sütunlu kristallere, ardından tek kristal yüksek sıcaklıkli alaşım malzemelerine optimize edilmiştir.

DS teknolojisi, kolon kernali alaSX bileşenleri üretmek için kullanılır ve bu, yüksek sıcaklıkli alaşımın çekme dayanımı ve termal şok direncini önemli ölçüde artırır. DS teknolojisi, üretilen kolon kristallerinin bir [001] yönde olması gerektiğini sağlar, bu da parçanın ana gerilme eksenine paraleldir ve rastgele bir kristal yönelimine sahip değildir. İlkeye göre, DS'nin dökümdeki eriyik metali her zaman sadece katılaşmış bir durumda olacak şekilde katılaşmasını sağlaması gerekir.

Kolon kristallerinin dökümü iki koşulu karşılamalıdır: (1) Tek yönlü ısı akışı, tanecik büyüme noktasındaki katı-sıvı arayüzünün tek bir yönde hareket etmesini sağlar; (2) Katı-sıvı arayüzünün hareket ettiği yönde öndeki bölgede hiçbir nükleasyon olmamalıdır.

Çünkü bıçak kesiminin kırılması genellikle tane sınırı olan yüksek sıcaklıkta zayıf yapıda meydana gelir, tanecik sınırını ortadan kaldırmak için yönlü katılaşma sürecinde bir "tane seçici" yapısı olan bir katılaşma kalıbı kullanılır. Bu yapının kesit boyutu tane boyutuna yakındır, bu nedenle yalnızca tek bir en iyi şekilde büyüyen tane dökümün kalıbı içine girer ve ardından tüm bıçak sadece bir tane halinde olana kadar tek kristal olarak büyür.

Kristal seçici iki bölüme ayrılabilir: başlangıç bloğu ve spiraller:

DS sürecinin başlangıcında, taneler başlangıç bloğunun dibinde nükleasyon başlar. Tane büyümelerinin erken aşamasında, tane sayısı fazla, boyutları küçük ve yönelim farkı büyüktür. Taneler arasındaki rekabetçi büyüme davranışı öne çıkmaktadır ve yan duvarın geometrik engellemesi zayıftır. Bu süre zarfında, yönelim iyileştirme etkisi belirgindir; başlangıç bloğundaki tanelerin yüksekliği arttıkça, tane sayısı azalır, boyutu artar ve yönelim yakındır. Taneler arasındaki rekabetçi büyüme davranışı azalır ve yan duvarın geometrik engelleme etkisi hakim olur, bu da kristal yönünün sürekli olarak iyileştirilmesini sağlar ancak yönelim iyileştirme etkisi zayıflar. Başlangıç bloğunun yarıçapını azaltarak ve yüksekliğini artırarak, tanelerin spiral bölümüne girdiklerindeki yönelimleri etkili bir şekilde iyileştirebilirsiniz. Ancak, başlangıç bloğunun uzunluğunu artırmak, dökümün etkili büyüme alanını kısaltır ve size üretim çevrimi ve hazırlık maliyeti getirir. Bu nedenle, alt tabakanın geometrik yapısını makul bir şekilde tasarlamak gerekir.

Spiralinin ana işlevi tek kristalleri etkili bir şekilde seçmektir ve bu süreçte tanelerin yönelimini optimize etme kabiliyeti zayıftır. DS süreci bir spirale uygulandığında, eğri kanal dendrit dallarının büyümeleri için yer sağlar ve tanelerin ikincil dendritleri sıvı çizgisi yönünde ilerler. Taneler güçlü bir yatay gelişim eğilimine sahiptir ve tanelerin yönelimi dalgalı bir durumdadır, optimize edilme etkisi zayıftır. Bu nedenle, spiraldeki tanelerin seçilmesi, tercih edilen yönelimin büyüme avantajına değil, spiraliş parçasındaki tanelerin geometrik kısıtlama avantajı, rekabetçi büyüme avantajı ve uzaysal genişleme avantajına bağlıdır [7], bu da güçlü bir rastlantılılık taşır [6]. Dolayısıyla, kristal seçiminin başarısız olmasının temel nedeni, spiralinin tek kristal seçiminde rol oynamamasıdır. Spiralin dış çapını artırarak, pitch'i azaltarak, spiral yüzeyinin çapını ve başlangıç açısını azaltarak, kristal seçimi etkisi önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Boş tek kristal türbin bıçağı hazırlamak, ondan fazla adıma ihtiyaç duyar (master alaşım erime, tek kristal membran kabuğu hazırlama, karmaşık yapılandırma seramik çekirdek hazırlama, eriyik döküm, yönlü katılaşma, ısı işleme, yüzey işleme, termal engel kaplama hazırlama vb.). Karmaşık süreç, çeşitli eksikliklere yol açabilir, örneğin: şaft kazınlığı, leke, küçük açılıklı kristal sınırı, çizgi kristali, yönelim sapması, yeniden kristalleşme, büyük açılıklı kristal sınırı ve kristal seçimi başarısızlığı.