1 Ilmailukaasuturbiinimoottorien kehitys
Kun lentokoneiden suorituskykyvaatimukset kuljetus-, sotilas-, tuotanto- ja muihin tarkoituksiin lisääntyivät, varhaisimmat mäntämoottorit eivät enää pystyneet vastaamaan nopean lennon tarpeita. Siksi 1950 -luvulta lähtien kaasuturbiinimoottorit ovat vähitellen muuttuneet valtavirtaan.
Vuonna 1928 Yhdistyneen kuningaskunnan Sir Frank Whittle huomautti tutkinnon suorittaneessa tutkielmassaan "tulevaisuuden lentokoneiden suunnittelun kehitys" opiskellessaan sotilasakatemiassa, että tuolloin teknisen tietämyksen alaisena potkurien moottorien tulevaisuuden kehitys ei voinut sopeutua korkean korkean tai lennonopeuden tarpeisiin, jotka ylittävät 800 km/h. Hän ehdotti ensin konseptia siitä, mitä nykyään kutsutaan suihkumoottoriksi (moottorimoottoriksi): Puristusilma annetaan palamiskammiolle (palamis) perinteisen männän kautta, ja tuotettua korkean lämpötilan kaasua käytetään suoraan lennon ajamiseen, jota voidaan pitää potkurimoottorina sekä palamiskammion suunnitteluna. Seuraavassa tutkimuksessa hän hylkäsi ajatuksen raskaan ja tehottoman männän käytöstä ja ehdotti turbiinia (turbiinia) käyttämällä paineilmaa palamiskammioon, ja turbiinin voima saatiin korkean lämpötilan pakokaasusta. Vuonna 1930 Whittle haki patenttia, ja vuonna 1937 hän kehitti maailman ensimmäisen keskipakoisen turbojet -moottorin, jota käytettiin virallisesti Gloster E.28/39 -lentokoneissa vuonna 1941. Siitä lähtien kaasuturbiinimoottoreilla on hallitsema ilmailuvoimaa ja ne ovat tärkeä symboli maan tieteellisestä ja teknisestä teollisuusasteesta ja kattavasta kansallisesta voimasta.
Ilma -alusmoottorit voidaan jakaa neljään perustyyppiin niiden käyttötarkoituksen ja rakenteellisten ominaisuuksien mukaan: turbojet -moottorit, turbofanimoottorit, turbostakselimoottorit ja turboprop -moottorit:
Ilmailukaasuturbiinimoottoreja kutsutaan turbojet -moottoreiksi, jotka ovat varhaisimpia kaasuturbiinimoottoreita. Turbojet -moottorit ovat yksinkertaisimpia ja suoria moottoreita. Perustelu perustuu reaktiovoimaan, joka syntyy pyörteen nopeaan injektioon. Nopea ilmavirta vie kuitenkin paljon lämpöä ja kineettistä energiaa samanaikaisesti aiheuttaen suuren energian menetyksen.
Turbofanimoottori jakaa moottoriin virtaavan ilman kahteen polkuun: sisäkanavaan ja ulkokanavaan, mikä lisää kokonaisilman virtausta ja vähentää sisäkanavan ilmavirran pakokaasun lämpötilaa ja nopeutta.
Turbostakseli- ja turboprop-moottorit eivät tuota työntövoimaa ilmavirran injektiolla, joten pakokaasujen lämpötila ja nopeus vähenevät huomattavasti, lämpötehokkuus on suhteellisen korkea ja moottorin polttoaineen kulutusaste on alhainen, mikä sopii pitkän kantaman ilma-aloille. Potkurin nopeus ei yleensä muutu, ja erilaiset työntövoimat saadaan säätämällä terän kulma.
Propfan -moottori on moottori turboprop- ja turbofanimoottorien välillä. Se voidaan jakaa propfanimoottoreihin, joissa on kanavapotkuria ja propfanimoottoreita ilman kanavoituja potkurin tapauksia. Propfan-moottori on kilpailukykyisin uusi energiansäästömoottori, joka sopii subonic-lennolle.
Siviili -ilmailu- ja avaruusmoottorit ovat käyneet läpi yli puoli vuosisataa kehitystä. Moottorin rakenne on kehittynyt varhaisesta keskipakoturbiinimoottorista yksirotoriseen aksiaaliseen virtausmoottoriin, kaksois-roottorista turbojet-moottorista alhaiseen ohitussuhteeseen turbofanimoottori ja sitten korkeaan ohitussuhteeseen turbofanimoottori. Rakenne on jatkuvasti optimoitu saavuttamalla tehokkuutta ja luotettavuutta. Turbiinin sisääntulolämpötila oli vain 1200-1300 K turbojet -moottoreiden ensimmäisen sukupolven 1940- ja 1950 -luvuilla. Se kasvoi noin 200 kt jokaisen lentokonepäivityksen kanssa. 1980 -luvulle mennessä neljännen sukupolven edistyneiden hävittäjien turbiinin sisääntulolämpötila saavutti 1800-2000 k [1].
Keskipakokappaleiden kompressorin periaate on, että juoksupyörä ajaa kaasua pyörimään suurella nopeudella, niin että kaasu tuottaa keskipakovoimaa. Kaasun laajennuspainevirtauksen vuoksi juoksupyörän virtausnopeutta ja painetta kulkeutumisen jälkeen juoksupyörän läpi kasvatetaan ja puristettua ilmaa tuotetaan jatkuvasti. Sillä on lyhyt aksiaalinen ulottuvuus ja korkea yksivaiheinen painesuhde. Axialflow -ilmakompressori on kompressori, jossa ilmavirta virtaa pohjimmiltaan pyörivän juoksupyörän akselin suuntaisesti. Aksiaalinen virtauskompressori koostuu useista vaiheista, jokainen vaihe sisältää roottorin terän rivin ja seuraavan staattorin terän rivin. Roottori on toimivat terät ja pyörä, ja staattori on opas. Ilmaa kiihtyy ensin roottorin terät, hidastettu ja pakattu staattorin terän kanavalla ja toistetaan monivaiheisissa terissä, kunnes kokonaispainesuhde saavuttaa vaaditun tason. Aksiaalivirtauskompressorilla on pieni halkaisija, mikä on kätevä monivaiheiselle tandem-käytölle korkeamman painesuhteen saamiseksi.
Turbofanimoottorit käyttävät yleensä ohitussuhdetta, moottorin painesuhdetta, turbiinin sisääntulon lämpötilaa ja tuulettimen painesuhdetta suunnitteluparametreina:
Ohitussuhde (BPR): Poistokanavien läpi virtaavan kaasun massan suhde moottorin sisäkanavien läpi virtaavan kaasun massaan. Turbojet-moottorin edessä olevaa roottoria kutsutaan yleensä matalapaineiseksi kompressoriksi ja turbofanimoottorin etuosassa olevaa roottoria kutsutaan yleensä tuulettimeksi. Matalapainekompressorin läpi kulkeva paineistettu kaasu kulkee turbojet-moottorin kaikkien osien läpi; Tuulettimen läpi kulkeva kaasu on jaettu sisä- ja ulkokanaviin. Turbofanimoottorien syntymisen jälkeen BPR on lisääntynyt, ja tämä suuntaus on erityisen ilmeinen siviiliturbofanimoottoreissa.
Moottorin painesuhde (EPR): Suuttimen poistoaukon kokonaispaineen suhde kompressorin sisääntulon kokonaispaineen suhteen.
Turbiinin sisääntulon keisari: palamiskammion pakokaasun lämpötila, kun se tulee turbiiniin.
Tuulettimen puristussuhde: kutsutaan myös puristussuhteeksi, kaasunpaineen suhde kompressorin poistossa kaasun paineen sisääntulon kohdalla.
Kaksi tehokkuutta:
Lämpötehokkuus: Mitta siitä, kuinka moottori tehokkaasti muuntaa palamisen tuottaman lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi.
Työvoiman tehokkuus: Mitta moottorin tuottaman mekaanisen energian osuudesta, jota käytetään ilma -aluksen ajamiseen.
第一篇结束
2 turbiinin terän kehitys
Iteratiivinen kehitys
Turbofanimoottorin esimerkkinä terien arvo on jopa 35%, ja ne ovat kriittinen komponentti lentokoneiden moottorien valmistuksessa. Moottorissa on 3, 000 - 4, 000 ilmailulia, jotka voidaan jakaa kolmeen luokkaan: tuulettimenterät, kompressorin terät ja turbiinin terät. Turbiinien terien arvo on korkein ja saavuttaa 63%. Samanaikaisesti ne ovat myös terät, joilla on korkeimmat valmistusvaikeudet ja valmistuskustannukset turbofanimoottoreissa [2].
1970 -luvulla Yhdysvallat käytti ensimmäisenä PWA1422: n suunnan jähmettymisterät armeijan ja siviililentokoneiden moottoreissa.
1980-luvun jälkeen kolmannen sukupolven moottorin työntövoiman ja painon suhde nousi yli 8: een, ja turbiinin terät alkoivat käyttää ensimmäisen sukupolven SX, PWA1480, Renén4, CMSX -2 ja Kiinan DD3. Sen lämpötilan kantava kapasiteetti on 80k korkeampi kuin parhaan suuntaan jähmettymisen valettu korkean lämpötilan seos PWA1422. Edut. Yhdessä kalvon jäähdytyksen yksikanavaisen onton tekniikan kanssa turbiinien terien käyttölämpötila saavuttaa 1600-1750 k. .
Neljännen sukupolven Turbofan-moottori käyttää toisen sukupolven SXPWA1484, Renén5, CMSX -4 ja DD6. Lisäämällä RE-elementit ja monikanavaisen korkeapaineisen ilmajäähdytystekniikan, turbiinien terien käyttölämpötila saavuttaa 1800K -2000 K. Vuoden 2000 k ja 100h kestävä lujuus saavuttaa 140MPA.
1990-luvun jälkeen kehitetty kolmannen sukupolven SX sisältää Renén6, CMRX -10 ja DD9: n, joilla on erittäin ilmeisiä ryömimissuhteiden etuja toisen sukupolven SX verrattuna. Monimutkaisten jäähdytyskanavien ja lämpöesteiden pinnoitteiden suojaamisessa turbiinin sisääntulolämpötila se kestää 3000 kt. Termeissä käytetty metallien välinen yhdistelmäseos saavuttaa 2200k ja 100H -kestävä lujuus saavuttaa 100MPa.
Tällä hetkellä kehitteillä on neljännen sukupolven SX, jota edustavat MC-NG [4], TMS -138 jne., Ja viidennen sukupolven SX, jota edustavat TMS -162 jne. Sen koostumukselle on ominaista lisää uusien harvinaisten maametallien elementtien, kuten RU: n ja PT: n, lisääminen, mikä parantaa merkittävästi SX: n korkean asteita. Viidennen sukupolven korkean lämpötilan seoksen työlämpötila on saavuttanut 1150 asteen, joka on lähellä teoreettista rajan käyttölämpötilaa 1226 astetta.
3 Nikkelipohjaisten yksiteisten superseosten kehitys
3.1 Nikkelipohjaisten yksikiteisten superseosten koostumuksen ominaisuudet ja vaihekoostumus
Matriisielementtien tyypin mukaan korkean lämpötilan seokset voidaan jakaa rautapohjaisiin, nikkelipohjaisiin ja kobolttipohjaisiin ja jaetaan edelleen valu-, taonta- ja jauhemetallurgian makrorakenteisiin. Nikkelipohjaisilla seoksilla on parempi korkean lämpötilan suorituskyky kuin kahden muun tyyppisissä korkean lämpötilan seoksissa, ja ne voivat toimia pitkään ankarissa korkean lämpötilan ympäristöissä.
Nikkelipohjaiset korkean lämpötilan seokset sisältävät vähintään 50% NI: tä. Niiden FCC -rakenne tekee niistä erittäin yhteensopivia joidenkin seostavien elementtien kanssa. Suunnitteluprosessin aikana lisättyjen seostavien elementtien lukumäärä ylittää usein 10. Lisättyjen seostuselementtien yhtenäisyys luokitellaan seuraavasti: (1) Ni, CO, Fe, Cr, Ru, RE, MO ja W ovat ensiluokkaisia elementtejä, jotka toimivat austeniitin vakauttavina elementeinä; (2) AL: llä, TI: llä, TA: lla ja NB: llä on suurempia atomisädeitä, jotka edistävät vahvistusfaasien, kuten yhdisteen NI3 (Al, Ti, TA, NB) muodostumista, ja ovat toisen luokan elementtejä; (3) B, C ja ZR ovat kolmannen luokan elementtejä. Niiden atomikoko on paljon pienempi kuin Ni -atomien, ja ne on helposti jaoteltu vaiheen viljarajoihin, ja niiden rooli rajan vahvistuksessa [14].
Nikkelipohjaisten yksikiteiden korkean lämpötilan seosten vaiheet ovat pääasiassa: vaihe, 'faasi, karbidifaasi ja topologinen läheinen pakattu vaihe (TCP-vaihe).
Vaihe: Vaihe on austeniittifaasi FCC: n kiderakenteen kanssa, joka on kiinteä liuos, joka muodostaa elementit, kuten CR, MO, CO, W ja RE liuenneet nikkeliin.
'Vaihe:' Vaihe on NI3 (AL, TI) FCC: n metalliyhdiste, joka muodostuu sadekaasiksi ja ylläpitää tiettyä koheesiota ja epäsuhta matriisifaasin kanssa ja on runsaasti Al, Ti, TA ja muita elementtejä.
Karbidi vaihe: Alkaen nikkelipohjaisen SX: n toisesta sukupolvesta lisätään pieni määrä C: tä, mikä johtaa karbidien esiintymiseen. Pieni määrä karbideja dispergoituu matriisiin, mikä parantaa seoksen korkean lämpötilan suorituskykyä tietyssä määrin. Se on yleensä jaettu kolmeen tyyppiin: MC, M23C6 ja M6C.
TCP -vaihe: Palvelun ikääntymisen tapauksessa liialliset tulenkestävät elementit, kuten CR, MO, W, ja RE edistävät TCP -vaiheen sateita. TCP muodostuu yleensä levyn muodossa. Levyrakenteella on negatiivinen vaikutus ulottuvuuden, hiipiän ja väsymysominaisuuksiin. TCP -vaihe on yksi halkeaman murtumislähteistä.
Vahvistusmekanismi
Nikkelipohjaisten superseosten vahvuus johtuu useiden kovettumismekanismien kytkemisestä, mukaan lukien kiinteän liuoksen vahvistaminen, sademäärän vahvistaminen ja lämpökäsittely dislokaatiotiheyden lisäämiseksi ja dislokaation alarakenteen kehittämiseksi vahvistuksen aikaansaamiseksi.
Kiinteä liuoksen kovettuminen on perusvoiman parantaminen lisäämällä erilaisia liukoisia elementtejä, mukaan lukien CR, W, CO, MO, RE ja RU.
Eri atomien säteet johtavat tiettyyn atomi -hilan vääristymiseen, mikä estää dislokaation liikettä. Kiinteän liuoksen vahvistaminen kasvaa lisääntyessä atomikokoeroa.
Kiinteän liuoksen vahvistamisella on myös vaikutus pelkistää pinoamisvirheenergiaa (SFE), mikä estää pääasiassa dislokaation ristin liukumista, mikä on ei-ideaalisten kiteiden tärkein muodonmuutosmuoto korkeissa lämpötiloissa.
Atomiklusterit tai lyhyen kantaman järjestyksen mikrorakenteet ovat toinen mekanismi, joka auttaa saamaan vahvistuksen kiinteän liuoksen kautta. SX: n uudelleentomit segregoivat dislokaation ytimen vetolujuuden alueella / 'rajapinnalla muodostaen "cottrell -ilmakehän", joka estää tehokkaasti dislokaation liikkeen ja halkeamien etenemisen. (Solutio -atomit ovat keskittyneet reunan dislokaatioiden vetolujuuteen, vähentäen hilan vääristymiä, muodostaen coriolis -kaasun rakenteen ja tuottavat voimakkaan kiinteän liuoksen vahvistamisvaikutuksen.
Re, W, Mo, Ru, Cr ja CO vahvistavat vaiheen tehokkaasti. Matriisin kiinteän liuoksen vahvistamisella on erittäin tärkeä rooli nikkelipohjaisten korkean lämpötilan seosten virityslujuudessa.
Sademäärän kovettumisvaikutukseen vaikuttaa 'vaiheen tilavuus. Korkean lämpötilan seosten koostumuksen optimoinnin tarkoituksena on pääasiassa 'vaiheen tilavuusosuuden lisääminen ja mekaanisten ominaisuuksien parantaminen. SX: n korkean lämpötilan seokset voivat sisältää 65% -75% 'vaiheesta, mikä johtaa hyvään hiipimiseen. Tämä edustaa / '-rajapinnan vahvistamisvaikutuksen hyödyllistä maksimiarvoa, ja edelleen lisääntyminen johtaa voimakkuuden merkittävään vähentymiseen. Vaihepartikkeleiden koko vaikuttaa korkean lämpötilan seosten ryömintälujuuteen, jolla on korkea 'faasitilavuusosuus. Kun 'vaihekoko on pieni, dislokaatiot yleensä kiivetä sen ympäri, mikä johtaa hiipimisen voimakkuuden vähentymiseen. Kun dislokaatiot pakotetaan leikkaamaan vaiheen, virumislujuus saavuttaa maksiminsa. Kun 'faasihiukkaset kasvavat koon, dislokaatiot taipuvat niiden välillä, mikä johtaa virumislujuuden vähentymiseen [14].
Sademäärän vahvistamismekanismeja on kolme:
Hilan epäsuhtavahvistus: 'Vaihe dispergoituu ja saostuu faasimatriisissa johdonmukaisesti. Molemmat ovat FCC -rakenteita. Hilan epäsuhta heijastaa koherentin rajapinnan stabiilisuutta ja stressitilaa kahden vaiheen välillä. Paras tapaus on, että matriisilla ja saostetulla faasilla on sama geometrian kiderakenne ja hilaparametrit, jotta saostuneet vaiheet voidaan täyttää vaiheessa. Nikkelipohjaisten korkean lämpötilan seosten epäsuhta-alue on 01%. Re ja Ru ovat selvästi erillään vaiheessa. RE: n ja RU: n lisääntyminen lisää hilan epäsuhta.
Tilauksen vahvistaminen: Dislokaation leikkaaminen aiheuttaa häiriöitä matriisin ja saostuneiden vaiheen välillä, mikä vaatii enemmän energiaa
Dislokaation ohitusmekanismi: nimeltään Orowan -mekanismi (Orowan kumartaa), se on vahvistusmekanismi, jossa metallimatriisin saostunut faasi estää liikkeen siirtymisen siirtymistä. Perusperiaate: Kun liikkuva dislokaatio kohtaa hiukkasen, se ei voi kulkea läpi, mikä johtaa käyttäytymisen, dislokaatiolinjan kasvuun ja vaaditun käyttövoiman lisääntymiseen, mikä johtaa vahvistamiseen.
3.3 Korkean lämpötilan seosvalumenetelmien kehittäminen
Varhaisin korkea korkean lämpötilan ympäristöissä käytetty seos voidaan jäljittää niukun keksimiseen vuonna 1906. Turbokompressorien ja kaasuturbiinimoottorien syntyminen stimuloi korkean lämpötilan seosten huomattavaa kehitystä. Kaasuturbiinimoottorien ensimmäisen sukupolven terät tuotettiin suulakepuristuksella ja taomolla, joilla oli selvästi ajan rajoitukset. Tällä hetkellä korkean lämpötilan seosturbiinin terät valmistetaan enimmäkseen sijoitusvaluilla, erityisesti suuntaisella jähmettymisellä (DS). DS -menetelmän keksi ensimmäisen kerran Pratt & Whitneyn Versnyder -ryhmä Yhdysvalloissa 1970 -luvulla [3]. Vuosikymmenien aikana turbiinien terien edullinen materiaali on muuttunut tasa-arvoisista kiteistä pylväskiteisiin ja optimoitu sitten yhden kideen korkean lämpötilan seosmateriaaleihin.
DS-tekniikkaa käytetään pylväsydinseoksen SX-komponenttien tuottamiseen, mikä parantaa merkittävästi korkean lämpötilan seosten taipuisuutta ja lämpöiskunkestävyyttä. DS -tekniikka varmistaa, että tuotetuilla pylväskiteillä on [001] suunta, joka on yhdensuuntainen osan pääjännitysakselin kanssa satunnaisen kidesuuntauksen sijasta. Periaatteessa DS: n on varmistettava, että sulan metallin kiinteyttäminen valussa suoritetaan nestemäisen syöttömetallin kanssa aina juuri sotilastussa tilassa.
Pylväskiteiden valun on täytettävä kaksi ehtoa: (1) yksisuuntainen lämpövirta varmistaa, että kiinteän ja nesteen rajapinta viljan kasvupisteessä liikkuu yhteen suuntaan; (2) Kiinteän nesteen rajapinnan liikkuvan suunnan edessä ei saa olla ytimtä.
Koska terän murtuma esiintyy yleensä viljarajan korkean lämpötilan heikolla rakenteessa viljarajan eliminoimiseksi, siirretyllä muotia, jolla on "viljavalitsin" -rakennetta, käytetään suunnan jähmettymisprosessin aikana. Tämän rakenteen poikkileikkauskoko on lähellä viljan kokoa, joten vain yksi optimaalisesti kasvatettu vilja tulee valun muotihätelyyn ja kasvaa sitten yhtenä kideen muodossa, kunnes koko terä koostuu vain yhdestä viljasta.
Kristallivalitsin voidaan jakaa kahteen osaan: aloituslohko ja spiraali:
DS -prosessin alussa jyvät alkavat nukleat aloituslohkon alareunassa. Viljan kasvun varhaisessa vaiheessa lukumäärä on suuri, koko on pieni ja suuntausero on suuri. Jyvien välinen kilpailukykyinen kasvukäyttäytyminen hallitsee ja sivuseinämän geometrinen estävä vaikutus on heikko. Tällä hetkellä suuntautumisen optimointivaikutus on ilmeinen; Kun aloituslohkon jyvien korkeus kasvaa, jyvien lukumäärä pienenee, koko kasvaa ja suunta on lähellä. Jyvien välinen kilpailukykyinen kasvukäyttäytyminen vähenee ja sivuseinämän geometrinen estovaikutus hallitsee, varmistaen, että kidesuunta voidaan jatkuvasti optimoida, mutta suuntautumisen optimointivaikutus heikentyy. Vähentämällä aloituslohkon sädettä ja lisäämällä aloituslohkon korkeutta, spiraaliosaan tulevien jyvien suunta voidaan optimoida tehokkaasti. Aloituslohkon pituuden lisääminen kuitenkin lyhentää valun tehokasta kasvutilaa ja antaa sinulle tuotantosyklin ja valmistuskustannukset. Siksi on tarpeen suunnitella substraatin geometrinen rakenne kohtuudella.
Spiraalin päätehtävänä on valita tehokkaasti yksittäisiä kiteitä, ja kyky optimoida viljan suunta on heikko. Kun DS -prosessi suoritetaan spiraalissa, kaareva kanava tarjoaa tilaa dendriittien haaran kasvulle ja jyvien toissijaiset dendriitit etenevät likvidiviivan suuntaan. Jyvät ovat vahva sivuttaiskehityssuuntaus, ja jyvien suunta on vaihtelevassa tilassa, jolla on heikko optimointivaikutus. Siksi jyvien valinta spiraalissa riippuu pääasiassa geometrisesta restriktioetusta, kilpailukykyisestä kasvuetuksesta ja jyvien alueellisesta laajentumisetuista [7], eikä jyvien edullisen suuntautumisen kasvuetu, jolla on vahva satunnaisuus [6]. Siksi tärkein syy kristallivalinnan epäonnistumiseen on, että spiraali ei ole yhden kristallinvalinnan merkitys. Lisäämällä spiraalin ulkoreunan halkaisijaa, vähentämällä nousua, spiraalipinnan halkaisija ja alennuskulman vähentäminen, kidevalintavaikutus voidaan parantaa merkittävästi.
Onttojen yksiteisten turbiinien terien valmistus vaatii yli tusinaa vaihetta (päälejeerinjen sulatus, yksikristallikalvokuoren valmistus, kompleksinen konfiguraatio keraaminen ytimen valmistus, sulavalu, suunta-, lämmönkäsittely, pintakäsittely, lämpöesteen päällystysvalmistus jne.). Kompleksi prosessi on alttiina erilaisille vikoille, kuten kulkeville jyville, pisameille, pienten kulmien jyvien rajoille, raitakiteille, suuntaviivoille, uudelleenkiteyttämiselle, suurten kulmien viljarajoille ja kidevalintavirheelle.
第2篇结束
4 Vian muodostuminen DS -prosessissa
Kun edistyneiden turbiinien terien rakenne muuttuu monimutkaisemmaksi ja suuremmaksi, monenlaisia jähmettymisvirheitä, kuten kulkujyviä, pisamia, matalan kulman jyvien rajoja, raitoja kiteitä, suuntautumispoikkeamaa, uudelleenkiteyttämistä, korkean kulman rajojen rajoja ja kiteiden valintavirheitä tapahtuu todennäköisemmin yhden kidekasvuprosessin aikana. Turbiinin terät yksittäisten kiteiden muodossa on huomattava haaste valimoille.
Yhden kidekristallisessa turbiinissa olevat ongelmat ovat pääosin keskittyneet kasvuprosessiin, mikä liittyy läheisesti yhden kidekristallien terien rakenteeseen ja kasvuprosessiin. Ensinnäkin, turbiinin terän runko on ohut, tenon on paksu ja suuri, poikkileikkausmuoto on vaihteleva, kaarevuus vaihtelee suuresti, sisäinen jäähdytysrakenne on erittäin monimutkainen, ja on olemassa monia mikrorakenteita, kuten ilmamuotin reikiä ja spoileripylväitä, jotka johtavat väsyttävään ja vaihtelevaan dendriittien kasvupolkuihin ja rajuihin muutoksiin kasvunopeudessa, jotka voivat helposti aiheuttaa dendriittien torjuntaa ja inhottavia discrition ja inhottavia discrition-discrition ja dramaattisia muutoksia kasvunsa ja inhottavan tiivistelmän dekrisaatiota ja inhottavia tiivistelmiä. Turbiinin terän koon kasvu laajentaa vakavampaa yhtenäisen kiteen kasvupolkua, etenkin vesijäähdytyslevyn pääpäässä. Yhden kidekasvun myöhemmässä vaiheessa lämpötilagradientti laskee jyrkästi etäisyyden lisääntyessä, aiheuttaen dendriittien kasvavan erimielisesti ja lisäämällä jähmettymisvirheiden muodostumista [6].
Kulkujyvät
Loukkuun jääneet kiteet viittaavat amorfisiin alueisiin viljarajojen tai kahden tai useamman kiteen muodostuneiden kiteiden välillä, jotka ovat takaavia, törmääviä tai kasvavat yhdessä materiaalissa. SX -turbiinin terän reunalevyllä valun poikkileikkaus muuttuu äkillisen geometrisen koon muutoksen ja lämpötilakentän jakautuminen tällä alueella on erittäin monimutkainen; Terän jähmettymisprosessin aikana valun reunalla oleva alajäähdytys ylittää seoksen kriittisen ytimeen alajäähdytyksen, mikä johtaa epäpuhtauksien heterogeeniseen ytimeen valun reunalla, muodostaen reuna -tramppikiteitä [9].
Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että kun reunalevyn koko on pieni, alkuperäisten jyvien korkeamman asteen dendriitit kasvavat reunalevyyn eikä tramppikiteitä muodostua. Kun reunalevyn koko kasvaa, reunalevyn sisäkulmiin muodostuu ensin suuri määrä hienoja trampikiteitä ja muutama trampikite kasvaa reunalevyyn dendriittien muodossa tukahduttaen alkuperäiset jyvät reunalevyn keskellä [6]. Kun reunalevyn koko kasvaa edelleen, reunan levyn reunalla on suuri alajäähdytys, seosneste jähmettyy nopeasti ja syntyy suuri jähmettymisen kutistumisjännitys; Teräreunan levyn siirtymäalueen lämmön hajoaminen on heikko, alajäähdytys on pieni ja syntyneet dendriitit rikkovat kutistumisjännityksen avulla muodostaen trampikiteitä, jotka kasvavat kohti reunan levyn keskustaa [9]. Kokeellisen tutkimuksen mukaan alustan korkeuden vähentäminen, alustan pituuden lisääntyminen, alustan ulkopuolinen puoli ja seoskoostumus, jolla on korkea tulenkestävien elementtien (RE, W, TA, HF) pitoisuus, lisäävät epäpuhtauskiteiden muodostumisen taipumusta [10].
Epäpuhtauskiteiden muodostumista reunalevylle voidaan ohjata optimoimalla suuntaehdotusprosessi (vähentämällä jähmettymisnopeutta), paikallista verhouskäsittelyä (päällyste lämpövastusmateriaaleilla) ja lisäämällä kylvöjärjestelmää.
Fnyrjäyttää
Yksittäisten kidisten terien kasvun myöhemmässä vaiheessa, etenkin etäisyydellä vesijäähdytyslevystä, on helppo muodostaa ketjun kaltaisia, hienoja quiaxed-jyviä, jotka ovat yhdensuuntaisia kidekasvesuunnan kanssa. Koska vikapinta makroskooppisen korroosion jälkeen osoittaa ilmeisiä pisteitä, sitä kutsutaan pisamyksi tai pisameketjuiksi. Tällä hetkellä turbiinien terien rakenne on yleensä monimutkainen, ja seoksen korkean sulamispisteen seoselementtien pitoisuus kasvaa edelleen, mikä johtaa pisaman muodostumisen taipumuksen lisääntymiseen.
Pisaran muodostumismekanismi johtuu pääasiassa liuenneen segregaation aiheuttamasta seoksen nesteen konvektiosta kiinteytymisen aikana, ja se liittyy myös sekundaaristen dendriittien uudelleenmuodostumiseen ja primaaristen dendriittien taipumiseen. DS -prosessissa W ja RE ovat rikastettuja dendriittivarsi -alueella, ja Al ja TA rikastetaan dendriittien väliseen seosnesteeseen. Entisen ja jälkimmäisen välillä on tiheysero. Mushy -vyöhykkeen jähmettyessä ero seoksen nesteen tiheyden ja nesteen tiheyden ja jähmettymisen etuosan tiheyden välillä kasvaa. Raskaan yläosan ja kevyen pohjan tiheysjakauma aiheuttaa seoksen nesteen muusan vyöhykkeen alaiseksi kelluvuuteen. Kun seoksen nesteen viskoosinen vastus Mushy -vyöhykkeellä ylitetään, Mushyn vyöhykkeen seosneste konvektiivisesti dendriittien välillä ja muodostavat tietyn leveyden konvektiokanavan siivisellä vyöhykkeellä. Tämän seoksen nesteen virtaus sulaa tai katkaisee dendriitit dendriittifragmenttien muodostamiseksi. Jos näillä dendriittifragmenteilla ei ole aikaa virtata kanavasta seoksen nesteen kanssa ja pysyä kanavassa, ne muodostavat paikkoja valun pinnalle kanavan jähmettyessä [11].
TA- ja Al -seoskomponenttien sisällön lisääminen ja W: n ja RE: n sisällön vähentäminen voi auttaa vähentämään pisamen muodostumisen taipumusta. DS -prosessissa vetämisnopeuden lisääminen ja lämpötilagradientin lisääminen voi vähentää pisaman muodostumisen taipumusta. Tärinä voi merkittävästi heikentää nestefaasin konvektiota suuntauksen jähmettymisen aikana, vähentäen siten pisaman muodostumisen taipumusta.
Matalan kulman viljaraja
Matalakulmaisten rajojen muodostuminen liittyy dendriitin muodonmuutoksen aiheuttamien dendriittien suunnan poikkeamaan: (1) termomekaaninen stressi, joka syntyy 'faasin saostumisella vakaan tilan kasvun aikana; (2) muotinkuoren tukkeutuminen ja suulakepuristus aiheuttavat kutistumisjännityksen dendriiteissä; (3) Mushyn vyöhykkeen epätasaisen lämpötilakentän aiheuttama liuennin konvektio ja dendriittien epäsymmetrinen voima johtaa dendriittien plastisen muodonmuutokseen, joka laukaisee dendriitin suuntautumisen kumulatiivisen muutoksen. Matalakulmajyväraja muodostuu taipuman dendriitin ja alkuperäisen määrittelemättömän dendriitin risteyksessä.
Kun suurikokoinen yhden kideserä jähmettyy, S/L-rajapinnan on vaikea ylläpitää tasomaista tilaa (kovera, kun vetämisnopeus on korkea ja kupera, kun vetämisnopeus on alhainen). Ei-suoraa S/L-rajapinnan lämpötilagradientisuunta ei ole samanaikainen näytteen aksiaalisuunta. Mahdolliset jähmettymisprosessin vaihtelut voivat aiheuttaa suuntautumismuutoksia, muodostaen siten matalan kulman viljarajat. Nämä vaihtelut voivat aiheuttaa joidenkin dendriittien kasvavan ei-vakaan tilanteessa kasvuprosessin aikana laajennusvyöhykkeeltä terän runkoon, mikä johtaa terän rungon matalakulman viljarajan kulmaan pääasiassa 2 asteeseen -6 asteeseen. Tämän määritetään seoksen jähmettymisominaisuuksien perusteella, ja on vaikea löytää kohtuullista tapaa välttää sitä [12].
Pienen kulman rajojen lukumäärä pidennysvyöhykkeellä on huomattavasti alhaisempi kuin terän rungossa, ja väärinkäyttökulma on myös paljon pienempi, mutta väärinkäyttökulmien kohteiden lukumäärä alle 2 astetta laajennusvyöhykkeellä ja terän runko on vertailukelpoinen, mikä osoittaa, että niillä on vertailukelpoiset kyvyt tuottaa pieniä väärinkäytöksiä. Tämä johtuu siitä, että laajennusvyöhyke on yhden kidekasvun varhaisessa vaiheessa, ja useimmat dendriitit osoittavat vakaan tilan kasvua, kun taas dendriittien lukumäärä vakaan tilan kasvussa jatkevyöhykkeellä ja terän runko on vertailukelpoinen.
Raidallinen kristalli
Strytet kiteitä ovat tyyppinen kapea lineaarinen vika valun pinnalla, joka esiintyy pääasiassa valun terän yläosassa. Ne ovat yleensä noin 1 mm leveitä ja useita tai kymmeniä mm pitkiä, ja niiden lähtöasento on tunnistettava. Ne katoavat yleensä muutaman senttimetrin kasvattamisen jälkeen, mutta ne voivat myös laajentua sivusuunnassa koko terään, kehittyen lineaarisesta virheestä kolmiulotteiseen suurikokoiseen virheeseen ja muuttuu sekalaiseksi kidehuuriksi. Puolikiteiden suunta on aina pohjimmiltaan yhdenmukainen dendriitin kasvusuunnan kanssa kyseisessä paikassa.
Puolikiteiden ulkonäkö johtuu siitä, että valan pinnalla olevan yhden dendriitin päärunko repiä pois Mush -alueella, mutta jäännösnesteen hitsataan, mikä osoittaa ilmeisen lähtökohdan. Tärkein syy tähän repimiseen on se, että kuoren tarttuvuudesta johtuva dendriitin kutistuminen on vakavasti estetty tai dendriitin lujuus vaurioituu vakavasti sisällyttämisen leikkaamisen vuoksi. Revitty dendriitti käy läpi tietyn yleisen taipuman, joka muodostaa kapean viljan, joka on suljettu pienikulmahallin rajalla matriisirakenteeseen [12].
Uudelleenkiteytys
SX koostuu pääasiassa vaiheesta ja 'vaiheesta eutektisen yhdistelmän muodossa. Kun paikallinen energia on korkea johtuen muodonmuutosjännityksen pitoisuudesta pinnan paikallisella alueella, ja sitten kun se saavuttaa tietyn lämpötilan seuraavassa lämmityksessä, faasi liukenee yhden kideseosiin. Liukenemisen jälkeen on erittäin helppoa muodostaa solurakenne vaiheen liukenemisalueelle. SX: n pintakiteytys alkaa ensin pinnan dendriittitangon pinta -alasta. Alkuperäinen organisaatio on solu. Sitten jyvät alkavat kasvaa vähitellen eutektiseen vaiheeseen / 'alueelle, joka sisältää karkeaa' -vaihetta. Uudelleenkiteytettyjen jyvien kasvuun liittyy kirkas rajapinta 'kidekejyn ja matriisin välillä [13]. Tärkeä ehto uudelleenkiteytettyjen jyvien muodostumiselle: valetun vaiheen liukenemiselle.
