Lưỡi dao tua-bin tinh thể đơn: Một bước đột phá công nghệ vượt qua giới hạn nhiệt độ cao

1 Phát triển động cơ tuabin khí hàng không

Khi yêu cầu về hiệu suất của máy bay cho các mục đích vận tải, quân sự, sản xuất và khác tăng lên, các động cơ xy-lanh sớm nhất không còn đáp ứng được nhu cầu của việc bay tốc độ cao. Do đó, kể từ những năm 1950, động cơ tuabin khí đã dần trở thành dòng chính.

Năm 1928, Sir Frank Whittle của Vương quốc Anh đã chỉ ra trong luận văn tốt nghiệp của mình "Phát triển Tương lai trong Thiết kế Máy Bay" khi đang học tại học viện quân sự rằng với kiến thức kỹ thuật vào thời điểm đó, sự phát triển tương lai của động cơ cánh quạt không thể đáp ứng được nhu cầu ở độ cao lớn hoặc tốc độ bay vượt quá 800km/h. Ông là người đầu tiên đề xuất khái niệm mà ngày nay được gọi là động cơ phản lực (motor engine): không khí nén được cung cấp cho buồng đốt (combustion) thông qua piston truyền thống, và khí nóng sinh ra được sử dụng trực tiếp để đẩy bay, có thể coi đây là động cơ cánh quạt cộng thêm thiết kế buồng đốt. Trong nghiên cứu sau này, ông đã từ bỏ ý tưởng sử dụng piston nặng và kém hiệu quả, thay vào đó đề xuất sử dụng tua-bin (turbine) để cung cấp không khí nén cho buồng đốt, và năng lượng của tua-bin được lấy từ khí thải nóng. Năm 1930, Whittle nộp đơn xin bằng sáng chế, và năm 1937, ông đã phát triển động cơ tuốc bin phản lực ly tâm đầu tiên trên thế giới, chính thức được sử dụng trên máy bay Gloster E.28/39 vào năm 1941. Từ đó, động cơ turbin khí đã thống trị lĩnh vực động lực hàng không và trở thành biểu tượng quan trọng của trình độ khoa học công nghệ và sức mạnh tổng hợp của một quốc gia.

Động cơ máy bay có thể được chia thành bốn loại cơ bản theo mục đích sử dụng và đặc điểm cấu trúc: động cơ phản lực thuần túy, động cơ quạt phản lực, động cơ tua-bin trục và động cơ tua-bin cánh quạt.

Động cơ tua-bin khí hàng không được gọi là động cơ phản lực thuần túy, đây là loại động cơ tua-bin khí sớm nhất được sử dụng. Từ góc độ cách tạo lực đẩy, động cơ phản lực thuần túy là loại động cơ đơn giản và trực tiếp nhất. Nguyên lý hoạt động dựa vào lực phản ứng sinh ra từ việc phun ra dòng khí xoáy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, luồng khí lưu tốc cao này cũng mang theo nhiều nhiệt năng và năng lượng động, gây ra sự mất mát năng lượng lớn.

Động cơ quạt phản lực chia luồng khí đi vào động cơ thành hai đường: đường ống trong và đường ống ngoài, điều này làm tăng tổng lưu lượng khí và giảm nhiệt độ cũng như tốc độ khí thải của luồng khí trong đường ống trong.

Các động cơ turbin trục và turbin cánh quạt không tạo lực đẩy bằng cách phun khí lưu, do đó nhiệt độ và tốc độ khí thải bị giảm đáng kể, hiệu suất nhiệt tương đối cao, và tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thấp, phù hợp cho máy bay tầm xa. Tốc độ của cánh quạt thường không thay đổi, và các lực đẩy khác nhau được đạt được bằng cách điều chỉnh góc của lưỡi cánh.

Động cơ propfan là một loại động cơ nằm giữa động cơ turbin cánh quạt và động cơ turbin quạt. Nó có thể được chia thành động cơ propfan có vỏ bọc cánh quạt và động cơ propfan không có vỏ bọc cánh quạt. Động cơ propfan là động cơ tiết kiệm năng lượng mới cạnh tranh nhất, phù hợp cho chuyến bay dưới âm thanh.

Các động cơ hàng không dân dụng đã trải qua hơn nửa thế kỷ phát triển. Cấu trúc của động cơ đã tiến hóa từ động cơ turbine ly tâm sớm ban đầu đến động cơ dòng trục đơn, từ động cơ turbojet hai rotor đến động cơ turbofan tỷ lệypass thấp, và sau đó là động cơ turbofan tỷ lệypass cao. Cấu trúc đã được tối ưu hóa liên tục trong việc theo đuổi hiệu suất và độ tin cậy. Nhiệt độ vào tua-bin chỉ ở mức 1200-1300K ở thế hệ đầu tiên của các động cơ turbojet trong những năm 1940 và 1950. Nó tăng khoảng 200K với mỗi lần nâng cấp máy bay. Đến những năm 1980, nhiệt độ vào tua-bin của các máy bay chiến đấu thế hệ thứ tư tiên tiến đạt 1800-2000K[1].

Nguyên lý của máy nén khí ly tâm là cánh quạt đẩy khí xoay với tốc độ cao, khiến khí sinh ra lực ly tâm. Do áp suất dòng chảy giãn nở của khí trong cánh quạt, lưu lượng và áp suất của khí sau khi đi qua cánh quạt được tăng lên, tạo ra không khí nén liên tục. Nó có kích thước trục ngắn và tỷ lệ áp suất đơn cấp cao. Máy nén khí dòng trục là một máy nén trong đó dòng khí cơ bản chảy song song với trục của cánh quạt quay. Máy nén dòng trục bao gồm nhiều tầng, mỗi tầng chứa một hàng cánh quạt chuyển động và một hàng cánh tĩnh tiếp theo. Cánh quạt là các cánh làm việc và bánh xe, còn cánh tĩnh là hướng dẫn. Không khí trước tiên được tăng tốc bởi các cánh quạt, sau đó giảm tốc và bị nén trong kênh của cánh tĩnh, và quá trình này lặp lại qua nhiều tầng cánh cho đến khi tỷ lệ áp suất tổng đạt mức yêu cầu. Máy nén dòng trục có đường kính nhỏ, thuận tiện cho việc sử dụng nối tiếp nhiều tầng để đạt được tỷ lệ áp suất cao hơn.   

Các động cơ tuabin quạt thường sử dụng tỷ số vòng qua, tỷ số áp suất động cơ, nhiệt độ vào tua-bin và tỷ số áp suất quạt làm các tham số thiết kế:

Tỷ số vòng qua (BPR): Tỷ lệ giữa khối lượng khí đi qua ống dẫn ra ngoài so với khối lượng khí đi qua các ống dẫn bên trong của động cơ. Rô-to ở phía trước của động cơ tu-bin phản lực thường được gọi là máy nén áp suất thấp, và rô-to ở phía trước của động cơ tu-bin quạt thường được gọi là quạt. Khí được nén qua máy nén áp suất thấp đi qua tất cả các phần của động cơ tu-bin phản lực; khí đi qua quạt được chia thành các ống dẫn trong và ngoài. Kể từ khi động cơ tu-bin quạt xuất hiện, BPR đã tăng lên, và xu hướng này đặc biệt rõ ràng ở động cơ tu-bin quạt dân dụng.

Tỷ số áp suất động cơ (EPR): Tỷ lệ giữa áp suất tổng tại đầu ra của喷嘴 so với áp suất tổng tại đầu vào của máy nén.

Nhiệt độ đầu vào tua-bin: Nhiệt độ của khí thải buồng đốt khi nó đi vào tua-bin.

Tỷ số nén của quạt: Còn được gọi là tỷ số nén, tỷ lệ giữa áp suất khí tại đầu ra của máy nén và áp suất khí tại đầu vào.

Hai hiệu suất:

Hiệu suất nhiệt: Một thước đo về mức độ mà động cơ chuyển đổi năng lượng nhiệt sinh ra bởi quá trình đốt cháy thành năng lượng cơ học một cách hiệu quả.

Hiệu suất đẩy: Một thước đo về tỷ lệ phần trăm năng lượng cơ học do động cơ tạo ra được sử dụng để đẩy tàu bay.

phát triển lưỡi dao tua-bin 2

Phát triển lặp đi lặp lại

Nếu lấy động cơ tuabin quạt làm ví dụ, giá trị của các cánh quạt chiếm tới 35%, và chúng là một bộ phận then chốt trong việc sản xuất động cơ máy bay. Trong một động cơ, có từ 3.000 đến 4.000 cánh quạt hàng không, có thể chia thành ba loại: cánh quạt, cánh nén và cánh turbin. Giá trị của cánh turbin là cao nhất, đạt tới 63%. Đồng thời, đây cũng là những cánh quạt có độ khó sản xuất và chi phí sản xuất cao nhất trong động cơ tuabin quạt [2].

Vào thập niên 1970, Hoa Kỳ là nước đầu tiên sử dụng lưỡi cánh rắn hóa theo hướng PWA1422 trong động cơ máy bay quân sự và dân dụng.

Sau thập niên 1980, tỷ số lực đẩy-trọng lượng của động cơ thế hệ thứ ba đã tăng lên hơn 8, và các lưỡi cánh tuabin bắt đầu sử dụng SX thế hệ đầu tiên, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 và DD3 của Trung Quốc. Khả năng chịu nhiệt của nó cao hơn 80K so với hợp kim nhiệt độ cao đúc rắn theo hướng tốt nhất là PWA1422. Ưu điểm này kết hợp với công nghệ làm mát màng kênh đơn rỗng, nhiệt độ hoạt động của lưỡi cánh tuabin đạt 1600-1750K.

Động cơ turbin quạt thế hệ thứ tư sử dụng SX thế hệ thứ hai PWA1484, RenéN5, CMSX-4 và DD6. Bằng cách thêm nguyên tố Re và công nghệ làm mát bằng khí nén cao áp đa kênh, nhiệt độ hoạt động của lưỡi cánh tuabin đạt 1800K-2000K. Tại 2000K và thời gian bền 100 giờ đạt 140MPa.

Thế hệ thứ ba của SX được phát triển sau những năm 1990 bao gồm RenéN6, CMRX-10 và DD9, có lợi thế rất rõ về độ bền dưới áp lực so với thế hệ thứ hai của SX. Dưới sự bảo vệ của các kênh làm mát phức tạp và lớp phủ rào cản nhiệt, nhiệt độ đầu vào turbin mà nó có thể chịu đựng đạt đến 3000K. Hợp kim hợp kim liên kim được sử dụng trong các cánh quạt đạt 2200K, và cường độ kéo dài 100 giờ đạt 100MPa.

Hiện đang trong quá trình phát triển là thế hệ thứ tư của SX được đại diện bởi MC-NG[4], TMS-138, v.v., và thế hệ thứ năm của SX được đại diện bởi TMS-162, v.v. Thành phần của nó được đặc trưng bởi việc thêm các nguyên tố đất hiếm mới như Ru và Pt, điều này cải thiện đáng kể hiệu suất chống dãn ở nhiệt độ cao của SX. Nhiệt độ hoạt động của hợp kim chịu nhiệt thế hệ thứ năm đã đạt đến 1150°C, gần với nhiệt độ hoạt động giới hạn lý thuyết là 1226°C.

3 Phát triển hợp kim siêu đơn tinh thể dựa trên niken

3.1 Đặc điểm thành phần và thành phần pha của hợp kim đơn tinh thể dựa trên niken

Theo loại nguyên tố ma trận, các hợp kim nhiệt độ cao có thể được chia thành dạng dựa trên sắt, dựa trên niken và dựa trên coban, và tiếp tục được chia nhỏ hơn thành các cấu trúc vĩ mô bằng đúc, rèn và luyện kim bột. Các hợp kim dựa trên niken có hiệu suất tốt hơn ở nhiệt độ cao so với hai loại hợp kim nhiệt độ cao còn lại và có thể hoạt động trong thời gian dài trong môi trường nhiệt độ cao khắc nghiệt.

Hợp kim nhiệt độ cao dựa trên niken chứa ít nhất 50% Ni. Cấu trúc FCC của chúng làm cho chúng rất tương thích với một số nguyên tố hợp kim. Số lượng nguyên tố hợp kim được thêm vào trong quá trình thiết kế thường vượt quá 10. Sự phổ biến của các nguyên tố hợp kim được thêm vào được phân loại như sau: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo và W là các nguyên tố hạng nhất, đóng vai trò là các nguyên tố ổn định austenit; (2) Al, Ti, Ta và Nb có bán kính nguyên tử lớn hơn, thúc đẩy sự hình thành các pha tăng cường như hợp chất Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), và là các nguyên tố hạng hai; (3) B, C và Zr là các nguyên tố hạng ba. Kích thước nguyên tử của chúng nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử Ni, và chúng dễ dàng bị phân đoạn tại ranh giới hạt của pha γ, đóng vai trò trong việc tăng cường ranh giới hạt [14].

Các pha của hợp kim nhiệt độ cao tinh thể đơn dựa trên niken chủ yếu bao gồm: pha γ, pha γ', pha cacbua và pha đóng gói chặt chẽ theo topology (pha TCP).

pha γ: Pha γ là một pha austenit có cấu trúc tinh thể FCC, đây là một giải pháp rắn được tạo thành bởi các nguyên tố như Cr, Mo, Co, W và Re hòa tan trong niken.

pha γ': Pha γ' là một hợp chất kim loại Ni3(Al, Ti) với cấu trúc FCC, được hình thành dưới dạng pha kết tủa, duy trì một mức độ nhất định sự đồng bộ và không khớp với pha nền, và giàu các nguyên tố như Al, Ti, Ta và các nguyên tố khác.

Pha cacbua: Bắt đầu từ thế hệ thứ hai của SX dựa trên niken, một lượng nhỏ C được thêm vào, dẫn đến sự xuất hiện của cacbua. Một lượng nhỏ cacbua phân tán trong nền tảng, điều này cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ cao của hợp kim ở một mức độ nhất định. Nó thường được chia thành ba loại: MC, M23C6 và M6C.

Giai đoạn TCP: Trong trường hợp lão hóa dịch vụ, các nguyên tố chịu lửa dư thừa như Cr, Mo, W và Re thúc đẩy sự kết tủa của giai đoạn TCP. TCP thường được hình thành dưới dạng một tấm. Cấu trúc tấm có tác động tiêu cực đến độ dẻo, bò kim loại và đặc tính mệt mỏi. Giai đoạn TCP là một trong những nguồn nứt của hiện tượng đứt do bò.

Cơ chế tăng cường

Độ mạnh của hợp kim siêu bền gốc niken đến từ sự kết hợp của nhiều cơ chế làm cứng, bao gồm làm cứng bằng dung dịch rắn, làm cứng bằng kết tủa và xử lý nhiệt để tăng mật độ khuyết tật và phát triển cấu trúc phụ của khuyết tật để cung cấp khả năng tăng cường.

Làm cứng bằng dung dịch rắn là việc cải thiện độ mạnh cơ bản bằng cách thêm các nguyên tố tan khác nhau, bao gồm Cr, W, Co, Mo, Re và Ru.

Bán kính nguyên tử khác nhau dẫn đến mức độ méo lưới nguyên tử nhất định, điều này ngăn chặn sự di chuyển của khuyết tật. Làm cứng bằng dung dịch rắn tăng lên khi sự chênh lệch kích thước nguyên tử tăng lên.

Việc củng cố dung dịch rắn cũng có tác dụng làm giảm năng lượng lỗi chồng (SFE), chủ yếu ức chế trượt chéo của khuyết tật, đây là chế độ biến dạng chính của các tinh thể không lý tưởng ở nhiệt độ cao.

Các cụm nguyên tử hoặc vi cấu trúc thứ tự ngắn hạn là một cơ chế khác giúp đạt được sự củng cố thông qua dung dịch rắn. Các nguyên tử Re trong SX phân tán ở vùng ứng suất kéo của lõi khuyết tật tại giao diện γ/γ’, tạo thành một "khí quyển Cottrell", ngăn chặn hiệu quả sự di chuyển của khuyết tật và sự lan truyền của vết nứt. (Các nguyên tử tan trong tập trung ở khu vực ứng suất kéo của khuyết tật mép, giảm biến dạng mạng tinh thể, hình thành cấu trúc khí Coriolis và tạo ra hiệu ứng củng cố dung dịch rắn mạnh mẽ. Hiệu ứng này tăng lên khi nồng độ nguyên tử tan trong tăng và sự chênh lệch kích thước tăng.)

Re, W, Mo, Ru, Cr và Co có hiệu quả trong việc tăng cường pha γ. Sự củng cố dung dịch rắn của ma trận γ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong độ bền bò của hợp kim nhiệt độ cao dựa trên niken.

Hiệu ứng cứng hóa do tinh thể ảnh hưởng bởi tỷ lệ thể tích và kích thước của pha γ'. Mục đích của việc tối ưu thành phần các hợp kim nhiệt độ cao chủ yếu là tăng tỷ lệ thể tích của pha γ' và cải thiện các đặc tính cơ học. Các hợp kim nhiệt độ cao SX có thể chứa 65%-75% pha γ', dẫn đến khả năng kháng dãn tốt. Điều này đại diện cho giá trị tối đa hữu ích của hiệu ứng cứng hóa của giao diện γ/γ', và việc tăng thêm sẽ dẫn đến sự giảm đáng kể về độ bền. Độ bền dãn của các hợp kim nhiệt độ cao với tỷ lệ thể tích pha γ’ cao bị ảnh hưởng bởi kích thước của các hạt pha γ’. Khi kích thước pha γ’ nhỏ, các đường trượt có xu hướng bò quanh nó, dẫn đến sự giảm độ bền dãn. Khi các đường trượt bị ép cắt qua pha γ’, độ bền dãn đạt mức tối đa. Khi kích thước các hạt pha γ’ tăng lên, các đường trượt có xu hướng uốn cong giữa chúng, dẫn đến sự giảm độ bền dãn [14].

Có ba cơ chế chính của việc tăng cường bằng kết tủa:

Tăng cường do không khớp mạng tinh thể: Pha γ’ được phân tán và kết tủa trong ma trận pha γ theo cách đồng nhất. Cả hai đều có cấu trúc FCC. Sự không khớp mạng phản ánh sự ổn định và trạng thái ứng suất của giao diện đồng nhất giữa hai pha. Trường hợp tốt nhất là ma trận và pha kết tủa có cùng cấu trúc tinh thể và các thông số mạng với hình học giống nhau, để nhiều pha kết tủa hơn có thể được lấp đầy trong pha γ. Phạm vi không khớp mạng của hợp kim nhiệt độ cao dựa trên niken là 0~±1%. Re và Ru bị phân đoạn rõ rệt với pha γ. Việc tăng Re và Ru làm tăng sự không khớp mạng.

Tăng cường do trật tự: Việc cắt lớp sẽ gây ra sự mất trật tự giữa ma trận và pha kết tủa, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn.

Cơ chế vượt rã: được gọi là cơ chế Orowan (Orowan bowing), đây là một cơ chế tăng cường trong đó pha kết tủa trong ma trận kim loại cản trở sự di chuyển tiếp tục của rã đang chuyển động. Nguyên lý cơ bản: Khi rã đang di chuyển gặp phải một hạt, nó không thể đi qua, dẫn đến hành vi vượt qua, sự phát triển của đường rã và lực đẩy cần thiết tăng lên, dẫn đến hiệu ứng tăng cường.

3.3 Phát triển các phương pháp đúc hợp kim nhiệt độ cao

Hợp kim sớm nhất được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao có thể truy ngược về phát minh Nichrome vào năm 1906. Sự xuất hiện của máy nén turbo và động cơ tuabin khí đã thúc đẩy sự phát triển đáng kể của các hợp kim nhiệt độ cao. Lưỡi cánh của thế hệ đầu tiên động cơ tuabin khí được sản xuất bằng ép và rèn, điều này rõ ràng có những hạn chế của thời đại đó. Hiện nay, lưỡi cánh tuabin từ hợp kim nhiệt độ cao chủ yếu được làm bằng đúc precision, cụ thể là phương pháp kết tinh hướng (DS). Phương pháp DS lần đầu tiên được phát minh bởi đội ngũ Versnyder của Pratt & Whitney ở Hoa Kỳ vào thập niên 1970 [3]. Trong vài thập kỷ phát triển, vật liệu ưu tiên cho lưỡi cánh tuabin đã thay đổi từ tinh thể đồng trục sang tinh thể cột, sau đó được tối ưu hóa thành vật liệu hợp kim nhiệt độ cao tinh thể đơn.

Công nghệ DS được sử dụng để sản xuất các thành phần hợp kim lõi cột SX, điều này cải thiện đáng kể độ dẻo và khả năng kháng sốc nhiệt của hợp kim nhiệt độ cao. Công nghệ DS đảm bảo rằng các tinh thể cột được tạo ra có hướng [001], song song với trục ứng suất chính của bộ phận, thay vì có hướng tinh thể ngẫu nhiên. Về nguyên tắc, DS cần đảm bảo rằng quá trình rắn lại của kim loại lỏng trong quá trình đúc được thực hiện với kim loại nuôi dưỡng luôn ở trạng thái vừa mới rắn.

Việc đúc tinh thể cột cần phải đáp ứng hai điều kiện: (1) Dòng chảy nhiệt một chiều đảm bảo rằng giao diện rắn-dịch tại điểm tăng trưởng của hạt di chuyển theo một hướng; (2) Không được có sự hình thành nhân trước hướng di chuyển của giao diện rắn-dịch.

Bởi vì sự gãy của lưỡi dao thường xảy ra ở cấu trúc yếu có nhiệt độ cao tại biên giới hạt, để loại bỏ biên giới hạt, trong quá trình rắn directionally, người ta sử dụng khuôn rắn có cấu trúc "bộ chọn hạt". Kích thước mặt cắt ngang của cấu trúc này gần với kích thước hạt, sao cho chỉ có một hạt duy nhất phát triển tối ưu đi vào khoang khuôn của vật đúc, sau đó tiếp tục phát triển dưới dạng tinh thể đơn cho đến khi toàn bộ lưỡi dao được tạo thành từ một hạt duy nhất.

Bộ chọn tinh thể có thể được chia thành hai phần: khối khởi động và phần xoắn ốc:

Vào đầu quá trình DS, các hạt bắt đầu kết tinh ở đáy của khối khởi điểm. Ở giai đoạn đầu của sự phát triển hạt, số lượng lớn, kích thước nhỏ và sự khác biệt về hướng tinh thể lớn. Hành vi tăng trưởng cạnh tranh giữa các hạt chiếm ưu thế, và tác động chặn hình học của tường bên yếu. Lúc này, hiệu ứng tối ưu hóa hướng rõ ràng; khi chiều cao của các hạt trong khối khởi điểm tăng lên, số lượng hạt giảm, kích thước tăng và hướng gần giống nhau. Hành vi tăng trưởng cạnh tranh giữa các hạt giảm, và tác động chặn hình học của tường bên chiếm ưu thế, đảm bảo rằng hướng tinh thể có thể được tối ưu hóa liên tục, nhưng hiệu ứng tối ưu hóa hướng bị suy yếu. Bằng cách giảm bán kính của khối khởi điểm và tăng chiều cao của khối khởi điểm, hướng của các hạt đi vào phần xoắn ốc có thể được tối ưu hóa hiệu quả. Tuy nhiên, việc tăng chiều dài của khối khởi điểm sẽ làm rút ngắn không gian tăng trưởng hiệu quả của phôi đúc, và gây ra chu kỳ sản xuất và chi phí chuẩn bị cao hơn. Do đó, cần thiết phải thiết kế hợp lý cấu trúc hình học của nền tảng.

Chức năng chính của ốc xoắn là chọn lọc tinh thể đơn một cách hiệu quả, và khả năng tối ưu hóa hướng hạt rất yếu. Khi quá trình DS được thực hiện trong ốc xoắn, kênh cong cung cấp không gian cho sự phát triển của nhánh tinh thể dendrite, và các dendrite thứ cấp của hạt tiến về phía đường liquidus. Các hạt có xu hướng phát triển mạnh theo chiều ngang, và hướng của các hạt ở trạng thái dao động, với hiệu ứng tối ưu hóa yếu. Do đó, việc chọn hạt trong ốc xoắn chủ yếu dựa vào lợi thế hạn chế hình học, lợi thế tăng trưởng cạnh tranh, và lợi thế mở rộng không gian của các hạt trong phần ốc xoắn [7], thay vì lợi thế tăng trưởng của hướng ưu tiên của các hạt, điều này có tính ngẫu nhiên cao [6]. Vì vậy, lý do chính dẫn đến thất bại trong việc chọn tinh thể là ốc xoắn không phát huy được vai trò chọn lọc tinh thể đơn. Bằng cách tăng đường kính ngoài của ốc xoắn, giảm bước vít, đường kính bề mặt ốc xoắn, và giảm góc khởi đầu, hiệu quả chọn lọc tinh thể có thể được cải thiện đáng kể.

Việc chuẩn bị các lưỡi tuabin tinh thể đơn rỗng đòi hỏi hơn một tá bước (chế tạo hợp kim chủ, chuẩn bị vỏ màng tinh thể đơn, chuẩn bị lõi gốm có cấu hình phức tạp, đúc tan chảy, kết tinh theo hướng, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt, chuẩn bị lớp phủ hàng rào nhiệt, v.v.). Quy trình phức tạp này dễ dẫn đến nhiều loại khuyết tật khác nhau, chẳng hạn như hạt dại, đốm, ranh giới hạt góc nhỏ, tinh thể vệt, lệch hướng, tái tinh thể hóa, ranh giới hạt góc lớn và thất bại trong việc chọn tinh thể.