Korkean lämpötilan turbiinin lavat ovat yksi lämpö- ja mekaanisesti lastattuja komponentteja modernissa tekniikka. Löydetty suihkumoottorien, kaasuturbiinit, ja teollisuus voimalaitosten, näiden terät on kestää äärimmäinen pyörimisnopeus, syövyttävät pakokaasut, ja lämpötilat usein yli 1200 °C (2200 °F). Tällaisissa olosuhteissa jopa kehittyneimmät superseokset vähitellen deformoida ajan mittaan prosessi tunnetaan hyypiö. Hirviö vika on johtava syy terän eläkkeelle ja voi johtaa katastrofaalinen moottorin vaurioita, jos ei ymmärretä ja lieventää. Tässä artikkelissa tarkastellaan perusmekanismeja, jotka liittyvät hiipiä vika korkean lämpötilan turbiinin terät, tekijät, jotka nopeuttavat sitä, ja tekniset strategiat käytetään pidentää terän elinikää.

Hyypiön Ilmestyskirja Turbiinin terässä

Hyypiö on ajasta riippuvainen, pysyvä muodonmuutos materiaalille, joka on jatkuvasti paineen alaisena korkeissa lämpötiloissa. Kiteisissä kiinteissä laitteissa kuten nikkelipohjaisissa superseoksissa, hiipimistä tapahtuu, kun atomit ja sijoiltaanmenot liikkuvat niin, että ne voivat uudelleen organisoida lattian kestävällä kuormituksella. Toisin kuin hauraat murtumat tai väsymys, hiipiminen ilmenee terän ilmafolion hitaana, etenevänä venytyksenä tai taivutuksena, mikä lopulta johtaa mittatoleranssin menetykseen, aerodynaaamisen tehokkuuden heikkenemiseen ja lopulta repeämiseen.

Karmiva käytös on tyypillisesti kuvattu kolmessa eri vaiheessa:

  • Erityinen karmiva aine (vaihe I):[] Kanta on aluksi korkea, mutta vähenee, kun materiaalityö-kovettuu ja sijoiltaanmenoa tulee kiinni. Tämä vaihe on suhteellisen lyhytikäinen.
  • Toinen hiirulainen (vaihe II):[] Vakaa tila saavutetaan, kun kantavuus on lähes vakio. Sijoituksen ja tuhon synty on tasapainossa, ja tämä vaihe edustaa usein suurinta osaa terän hiipimistä.
  • Tertiaarinen karmiva aine (vaihe III):[] Kantanopeus kiihtyy mikrovältoina ja mikromurtumina viljarakoina. Kaulan tai murtuman ilmaantuessa tapahtuu, jolloin elinajan loppu on merkitty.

Suunnittelijat pyrkivät pitämään turbiinin terät toiminnassa sekundäärin hyypiössä mahdollisimman pitkään käyttäen elämänennustusmalleja, jotka vastaavat lämpötilaa, stressiä ja materiaalimikrorakennetta.

Hirviöhäiriön primaarimekanismit

Korkean lämpötilan turbiinin lapojen seoksissa on useita mikroskooppisia mekanismeja, jotka toimivat samanaikaisesti tai peräkkäin. Kolme tärkeintä ovat sijoiltaanmenon nousu, diffuusiohymy ja raeraja liukuminen. Jokainen edistää lavan yleistä muodonmuutosta ja mahdollista vikaa.

Sijaintikiipeä

Dislocations ovat lineaarisia vikoja kristalli lattice. Huoneen lämpötilassa, dislocations yleensä liikkuvat liukua pitkin liukua tasot. Kuitenkin korkeissa lämpötiloissa (yli 0,4-0,5 kertaa sulamispiste Kelvin), dislocations saada kyky kiivetä. Eli, liikkua kohtisuorassa niiden liukumäki imemällä tai lähettämällä avoimia. Tämä kiipeilyprosessi mahdollistaa dislocations ohittaa esteitä, kuten saostumat tai muut dislocations, jotka muuten estää liukua. Tuloksena on jatkuva muovinen muodonmuutos jatkuvassa stressissä. Turbiinin lapa, dislocation kiipeily on hallitseva hyppääminen mekanismi välirasitus ja lämpötila-järjestelmä.

Lähtemisnopeus on erittäin herkkä lämpötilalle ja ristikkoaukon konsentraatiolle. Nikkelipohjaisissa superseoksissa on kuitenkin havaittavissa johdonmukaisia [γ′[] (gamma prime) saostumaa.Ni3(Al,Ti) resist kiipeää, koska sijoiltaanmenon on joko leikattava tai kiipeävä näiden tilattujen hiukkasten ympäri. Ajan mittaan kuitenkin saostuminen karkenee (Ostwaldin kypsyminen), vähentää niiden vahvistumisvaikutusta ja kiihdyttää hyypiötä.

Diffuusiohörhö

Hyvin korkeissa lämpötiloissa ja suhteellisen alhaisissa paineissa diffuusiohielu muuttuu merkittäväksi. Täällä atomit hajauttavat kristallin ristikon (Nabarro-Herring hiiru) läpi tai viljarajojen (Coble hiiru) pitkin, mikä vastaa sovellettua stressiä. Vetojännityksessä atomit siirtyvät kasvoilta paineiden alapuolelta kasvoille jännityksen alla, mikä aiheuttaa jyvien venymisen jännityksen suuntaan. Diffuusion nopeus riippuu voimakkaasti jyvien koosta: suuremmat jyvät vähentävät diffuusion raja-aluetta, mikä alentaa hyypiöiden nopeutta. Tämä on yksi syy siihen, miksi turbiinin terät heitetään usein suurilla kolonnin jyvillä tai yksi-kiteisinä komponentteina.

Diffuusio hyypiö edistää raeraja kavitaatio: avoimet koboltin raerajoilla kohtisuorassa vetojännitystä, muodostaen pieniä tyhjyyksiä, jotka kasvavat mikrocracks. Nämä ontelot heikentää materiaalia ja nopeuttaa tertiäärinen hiipiminen.

Viljan raja-arvo liukuva

Korkeassa lämpötilassa raerajat käyttäytyvät kuin viskoosi kerrokset. Kestävässä leikkausjännityksessä vierekkäiset jyvät voivat liukua keskenään. Viljan raja liukuu eniten, kun rajat ovat suunnattu noin 45° sovellettu vetoakseliin. Tämä liukutiivisteiden stressi kolminkertaisissa liitoksissa ja partikkeleissa, jotka sijaitsevat rajalla, edistää ontelon tumattomuutta. Monikiteisissä teräseoksissa, raeraja liukuu voi aiheuttaa granulaarisen murtuman, jos rajoja ei ole vahvistettu huolellisesti.

Rakeiden liukumisen vähentämiseksi seoksesta tulevat suunnittelijat lisäävät elementtejä kuten booria, zirkoniumia ja hiiltä muodostaen borideja ja karbidia pitkin. Nämä hiukkaset pitävät kiinni rajoja ja estävät suhteellista liikettä. Lisäksi suunta kiinteytystekniikat tuottavat kolonnin jyvät, jotka ovat linjassa terän akselin kanssa: poikittaisten raerajojen puuttuminen vähentää liukumista dramaattisesti.

Hirviötä kiihdyttävät tekijät

Hirviö ei ole pelkästään lämpötilan ja stressin funktio. Useat lisätekijät voivat vähentää merkittävästi repeämän aikaa käyttöoloissa.

  • Lämpötilaretket:[] Jopa lyhyet ylilämpötilatapahtumat (esim. nousun tai virtapiikkien aikana) voivat nopeuttaa mikrorakenteen hajoamista, aiheuttaa saostumista nopeasti karhennukseen ja oksideja mittakaavaan.
  • Väsyvät lämpökuormat:[] Toistuva lämpökierto tuo mukanaan lämpöväsymystä, joka on vuorovaikutuksessa hyypiön kanssa ja tuottaa hiipivä-väsymys halkeamia.
  • Hiukkasaine ja korroosio:[ Korkean lämpötilan hapetus kuluttaa seospinnan ja voi heikentää vahvistavia alkuaineita, kuten alumiinia ja kromia. Sulavien suolojen kuuma-syövyttävyys vahingoittaa edelleen suojaoksidikerrosta.
  • Stressitilan moniaksiaalisuus:[ Turbiinin lavat kokevat monimutkaisia stressitiloja. Keski-imujännitys, taivutus ja tärinä.
  • Mikrorakenteen epävakaus:[] Pitkän käyttöajan aikana γ′[ saostuu karkeaksi, raerajat voivat muodostaa haitallisia faasia (esim. sigmafaasi tai Laves-vaiheita) ja pinnoitekerrosten hajoaminen.

Kehittyneet materiaalit ja suunnittelustrategiat, joilla hiippailua voidaan häiritä

Nykyaikaiset turbiinin lavat saavuttavat poikkeuksellisen mateliasta vastustuskykyä yhdistämällä materiaalitieteen ja innovatiivisen suunnittelun.

Nikkeli- ja terässeokset

Korkean lämpötilan lapojen työhevoset ovat nikkelipohjaisia superseoksia, kuten IN718, René 88 ja CMSX-4. Ne pitävät yllä lujuutta yli 80 prosenttiin sulamispisteestään ([]]. 2020-luvun viimeaikaisiin kehitysvaiheisiin kuuluvat additiiviset superseokset ja seokset, joiden tulenkestävä metallipitoisuus on suurempi (esim. volframi, reniumi, ruteenium) hidasdiffuusion ansiosta.

Yksikiteinen teknologia

Viljan rajojen poistaminen kokonaan yksikiteisellä valulla (esim. siemenkiteen ja kierrejyvän valitsimen avulla) poistaa raerajaa liukuvat ja diffuusion alaiset polut. Nykyisin lähes kaikki suurpaineturbiinin terät ovat yksikiteisiä, usein monimutkaiset jäähdytyskäytävät.

Lämpösuojapäällysteet (TBC)

Terän pintaan sovellettu TBC, tyypillisesti yttria-stabiloitu zirkoni (YSZ), alentaa metallin lämpötilaa 100..200 °C:ssa, mikä alentaa merkittävästi hiipiä. Pinnoitusjärjestelmään kuuluu myös sidepäällyste (esim. NiCoCrAlY) ja lämpöisesti kasvatettu oksidikerros, joka antaa korroosionkestoa. Jatkuvat parannukset TBC:n kestävyyteen, kuten gadolinium-zirconaatin käyttö faasin vakauden parantamiseksi, pidentävät käyttöaikoja.

Sisäinen jäähdytys

Kompleksinen sisäinen ilma-jäähdytinkäynnit . Suunniteltu käyttämällä laskennallisen nesteen dynamiikka. Pidä terämetalli elinkelpoisissa lämpötiloissa. Kompressori vuotaa ilmaa ohjataan käärmeen kanavien kautta ja heitetään läpi kalvo-jäähdytyksen reikiä terän pinnalla. Advanced additive valmistus mahdollistaa nyt todella conformal jäähdytys kanavat, jotka seuraavat terän geometriaa, vähentää lämpögradientteja ja hiipi stressiä.

Testi ja Elämän Ennuste hiipiminen terät

Turvallisuuden varmistamiseksi turbiinin lavat testataan ja mallinnetaan tiukasti. Yksiaksiaalisilla hyypiökokeilla saadaan aikaan lähtötason hyypiökäyrät eri lämpötiloissa ja stressitilanteissa. Edistyneempiin testeihin kuuluvat termomekaanisen väsymyksen (TMF) testit, joissa yhdistyvät hyypiö ja lämpökierto. Nopeutetut huoltosimulaatiotestit ajavat terät korkeammalla jännityksellä ja lämpötilalla tuottaakseen vikatietoja lyhyempinä aikoina.

Elinkaariennusmallit, kuten Larson-Millerin parametri, Monkman-Grant-suhde ja jatkumovauriomekaniikka, muuntavat laboratoriotiedot kenttäelinajan arvioiksi. Probabilistiset menetelmät ovat materiaalivaihtelun ja palvelun satunnaisuuden mitta. Nondestruktiiviset arviointitekniikat.mukaan lukien röntgenkuvaukset, eddy-virta ja ultraäänitutkimus.

Päätelmä

Hirveä vika korkeassa lämpötilassa olevissa turbiinin lavoissa on monimutkainen, monimekanisminen ilmiö, joka johtuu sijoiltaanmenosta, diffuusiovirrasta ja raerajasta liukumisesta. Näiden mekanismien ymmärtäminen mahdollistaa insinöörien suunnitteleman seoksia, pinnoitteita ja jäähdytysarkkitehtuuria, jotka hidastavat hyypiöiden ja komponenttien elinkaarta.Hypimätön työntö kohti korkeampia turbiinin syöttölämpötiloja.Tehokkuus ja päästöjen vähentäminen .. vaatii jatkuvaa innovointia hiipimisen kestävissä materiaaleissa ja ennustavissa malleissa. Ohjaamalla hyypiön, ilmailu- ja sähköntuotantoteollisuuden ja -teollisuuden tieteen jatkamalla lämpöä mahdollista, turvallista ja luotettavaa toimintaa.

Lisätietoja on saatavilla ASM International. ... .