Cánh quạt tua-bin áp suất cao của động cơ máy bay được sản xuất như thế nào?

Nguyên lý về cách chế tạo cánh quay tua-bin áp suất cao của động cơ máy bay rất đơn giản, nhưng các thông số khác nhau trong quá trình này cần nhiều thí nghiệm để thu được các thông số của mỗi nút, thành phần của vật liệu phụ trợ, và rất nhiều may mắn.

Trước tiên, các cánh quay tua-bin áp suất cao yêu cầu hệ thống đường dẫn khí làm mát nội bộ phức tạp (xem hình dưới). Trước tiên, các đường dẫn khí làm mát nội bộ được tạo ra (chưa kể đến các lỗ khí làm mát, sẽ được thảo luận sau). Sau đó, khuôn sáp được đúc bằng gốm đặc biệt để tạo thành các đường dẫn khí.

Sau khi có khuôn đường khí gốm này, ghép nó với khuôn ngoài lưỡi dao và đặt vào lò đúc. Hợp kim siêu bền* tan chảy đi vào khuôn từ trên xuống dưới (bao gồm cả khuôn trong bằng gốm và khuôn ngoài bằng sáp). Việc tạo ra vô số lớp phủ giữa mỗi lần làm khuôn rất phức tạp. Các công ty Đức sử dụng robot để làm việc này, và dường như Nga vẫn đang dùng cọ của bà. Những lớp phủ này trực tiếp quyết định chất lượng của sản phẩm đúc, và tỷ lệ lỗi cực kỳ thấp.

Lúc này, máy đúc sẽ kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ của hợp kim siêu bền đã tan chảy, sau đó cho nó đông đặc trên một mặt phẳng ngang (tức là sự phát triển của tinh thể), từ dưới lên trên, khi tinh thể phát triển theo dạng xoắn ốc (bộ chọn tinh thể), chúng sẽ đẩy và chọn lọc lẫn nhau, cuối cùng chỉ còn lại một tinh thể gần nhất với hướng được thiết lập trước, và tinh thể này sẽ tiếp tục phát triển lên trên.

Bởi vì trục áp suất cao phải quay hơn 10.000 lần, mỗi bộ phận phải chịu hơn 10 tấn lực ly tâm, và độ mạnh của tinh thể niken theo từng hướng là khác nhau, nên góc chéo của nó (hướng mạnh nhất) cần phải nằm trong vòng 10 độ so với hướng của lực ly tâm. (Có một điều nữa cần nói, hợp kim niken đơn hướng được sử dụng trong rô-to turbin áp suất thấp yêu cầu hướng tinh thể nhưng không chỉ có một tinh thể, vì điểm nóng chảy của tinh thể đơn cao hơn 50K so với đa tinh thể (bao gồm cả tinh thể đơn hướng))

Tỷ lệ thu hồi không cao. Theo như tôi biết, nhiều nhà máy đúc chính xác xuất sắc ở Đức đã thử thách quy trình này và cuối cùng phá sản. Ngưỡng cửa thực sự quá cao.

Cuối cùng, sản phẩm hoàn thiện được thu được và một loại kiềm đặc biệt được sử dụng để hòa tan khuôn gốm còn lại trong đường ống khí để tạo lỗ làm mát. Có các lỗ điện phân và lỗ hóa học điện. Các lỗ phổ biến nhất được tạo ra bằng tia laser. Hình dạng của các lỗ cũng rất phức tạp. Sau đó là lớp mạ điện, đây cũng là một kiến thức lớn.

Hình ảnh bên dưới cho thấy đa tinh thể bên trái, tinh thể đơn hướng ở giữa và tinh thể đơn bên phải.

Tuy nhiên, sau khi đúc, các lưỡi dao không có lỗ thông khí kết nối giữa ống dẫn khí làm mát bên trong và bề mặt lưỡi dao. Điều này thường được thực hiện bằng tia laser. Vì khí làm mát đã mất nhiều áp suất khi nó được lấy từ máy nén áp suất cao và chảy từ trục rỗng đến tua-bin áp suất cao, mặc dù luồng khí cốt lõi cũng mất áp suất khi đi qua buồng đốt, và quá trình từ trục đến lưỡi dao có một số hiệu ứng nén ly tâm và tăng áp, nhưng vẫn cần áp suất tĩnh cao hơn để đẩy khí làm mát lên bề mặt lưỡi dao. Lúc này, cần một lỗ có diện tích cắt mở rộng để xử lý khí làm mát, giảm áp lực động và tăng áp lực tĩnh, sau đó khí làm mát đẩy dòng khí nóng cốt lõi ra xa bề mặt lưỡi dao (nhiều điều vô nghĩa). Hơn nữa, tốc độ quá nhanh sẽ khiến khí làm mát bị phun trực tiếp vào dòng khí cốt lõi, và nó còn có một nhiệm vụ khác, đó là tạo thành một lớp màng khí làm mát trên bề mặt lưỡi dao để bảo vệ lưỡi dao, điều này yêu cầu giảm tốc độ và tăng áp.

Do đó, loại lỗ này cần tối ưu hóa hình dạng hình học của nó cho các vị trí khác nhau. Việc khoan bằng tia laser có thể dễ dàng tự động hóa, nhưng nhược điểm là sẽ có ứng suất bề mặt nội bộ.

Đuôi của cánh stator tua-bin (thể tinh đơn hướng, ngoài đề tài) cần được đục các lỗ làm mát để phục vụ cho tua-bin rotor ở giai đoạn sau. Lỗ này rất mảnh và không thể chịu được ứng suất nội bộ, vì vậy nó được tạo ra bằng phương pháp ăn mòn điện hóa học. Tất nhiên, những điều này không phải là tuyệt đối, và các công ty khác nhau có phương pháp gia công khác nhau.

Sau khi làm điều này, đã thu được một lưỡi cánh tuabin tinh thể đơn, nhưng nó chưa được phủ lớp bảo vệ. Lưỡi cánh tuabin hiện đại cần có một lớp phủ rào cản nhiệt zirconia, một loại gốm oxit zirconia. Vì đây là vật liệu gốm, nó có độ giòn nhất định. Khi tuabin hoạt động, nếu có sự biến dạng nhẹ, toàn bộ lớp phủ có thể bong ra và lưỡi cánh tuabin sẽ bị tan chảy ngay lập tức. Điều này hoàn toàn không thể chấp nhận trong Hangfa.

Tiếp theo là quy trình EB-PVD (phương pháp bay hơi vật lý bằng tia điện tử), phương pháp lắng đọng hơi.

Tất nhiên, trước khi tạo ra nó còn có nhiều lớp vật liệu khác nhau, chẳng hạn như mạ bạch kim (bạch kim), phun plasma, v.v. Còn có một lớp để tăng cường zirconia và dính nó lại như keo. Tất nhiên, mỗi công ty có những khác biệt nhỏ và chúng không phải lúc nào cũng giống nhau.

Trước tiên, súng điện tử phát ra tia điện tử, được dẫn hướng bởi từ trường và va chạm vào bề mặt zirconia. Bề mặt bị bom electron sẽ chuyển sang trạng thái khí, và zirconia ở trạng thái khí được dẫn hướng đến bề mặt lưỡi dao để bắt đầu quá trình hình thành. Zirconia sẽ hình thành thành những sợi nhỏ có đường kính 1 micron và chiều dài 50 micron, bao phủ dày đặc bề mặt của các lá mà không làm bịt kín lỗ chân lông. Vì nó không phải là một mảnh gốm liền khối, các sợi nhỏ có thể di chuyển nhẹ tương đối với nhau mà không làm bong tróc toàn bộ phần, giải quyết vấn đề hư hỏng do biến dạng.

Zirconia có độ cứng cực kỳ cao và hệ số dẫn nhiệt cực kỳ thấp, có thể tạo ra một gradient nhiệt rất dốc giữa lớp nền niken và luồng khí nóng lõi. Với làm mát nội bộ và làm mát màng không khí, cánh quạt có thể hoạt động trong thời gian dài với cường độ cao và độ tin cậy cao trong môi trường vượt xa nhiệt độ tan của chính nó.

Tại thời điểm này, bề mặt cánh đã hoàn thành. Để lắp vào bánh tua-bin, cánh cũng cần có rễ cánh dạng hình thoi hoặc cấu trúc kiểu mộng đực - mộng cái.

Như đã đề cập ở trên, mỗi cánh tua-bin phải chịu lực ly tâm hơn mười tấn khi hoạt động, và phần gốc cánh cũng cần được gia công rất tinh xảo. Hợp kim siêu bền dựa trên niken rất cứng, chịu được nhiệt độ cao và rất khó gia công.

Rễ cánh được mài ra. Cánh được kẹp bởi một Fixture đặc biệt, và các bánh mài trên và dưới với hình học ngược lại (mẫu âm) mài vào trong.

Điều này sẽ khiến bánh mài bị hỏng nhanh chóng, vì vậy một bánh mài kim cương dương được thêm vào bên ngoài của hai bánh mài để liên tục mài bánh mài và giữ cho nó hoạt động. Các viên kim cương công nghiệp trên bánh mài kim cương được dán lên bởi các robot.

Sau các quy trình và kiểm tra này, lưỡi dao đã sẵn sàng để làm việc. Nó chỉ là một phần của động cơ máy bay, và động cơ máy bay chỉ là một mô-đun trên máy bay.