Superalloys מבוסס ניקל: The Backbone of Modern Turbine Engines

המרדף הבלתי פוסק של יעילות רבה יותר ודחף במנועי טורבינות גז מטוסים הוביל את הפיתוח של חומרים שיכולים לעמוד בתנאי תפעול קיצוניים יותר ויותר.בין אלה, Superalloys מבוסס ניקל הופיעו כחומר הבחירה של החלקים החמים ביותר של המנוע, במיוחד טורבינות בלחץ גבוה ו- vans. ⁇ אלה הם ייחודיים מסוגל לשמור על כוח גבוה, חיץ, עמידות, וקורוז בטמפרטורות מתקרבות של 80% של תופעות לוואי מורכבות, הן מאפקטים של כימיקלים, החל ממערכות מורכבות, הן מאנרגיה אחידה של חומרים אלה, אשר מופעלת, הן מתחומים אחרים, הן, הן, החל מאפקטים, החל מאפקטים של התפתחות גבוהה יותר, הן, מתחומים אחרים, מאפקטים של סגסוגת חומרים מורכבים, החל מאפקטים, הן, הן, החל מאפקטים של סגסוגת של טמפרטורות גבוהות יותר, הן, הן, החל מאפקטים יותר, החל מאפקטים של טמפרטורות גבוהות יותר, החל מאפקטים של טמפרטורות מתוחות של טמפרטורות מתוחות, הן, הן, הן, מאפקטים של טמפרטורות גבוהות יותר, החל מאפקטים של סגסוגת של טמפרטורות גבוהות יותר, הן, אשר ניתן כיום, אשר ניתן כיום, החל מאפקטים של טמפרטורות מתוחכמות גבוהה

מאמר זה מספק מחקר סמכותי, מעמיק של האבולוציה, המכסה את ההקשר ההיסטורי, את התפקיד המרכזי של אלמנטים סגסוגת, התקדמות עיבוד קריטי, ואת ההוראות בעתיד שיגדירו את הדור הבא של מנועי טורבינות.

קרנות היסטוריות: מ-Stinless Steel to Superalloys

מגבלות של חומרים טורקיים מוקדמים

בתחילת שנות ה-40, תעשיית מנוע סילון נמלטת הסתמך על פלדות אל-חלד וסגסוגת מבוססת-קובבלט עבור רכיבים טורבינות.עם זאת, כמו מעצבי מנוע דחף לטמפרטורות הפעלה גבוהות יותר כדי לשפר את היעילות התרמית (נהג תרמודינמיקה בסיסי), חומרים אלה סבלו ממחיש מהיר וחמצן.

לידתו של נימוסי

בממלכה המאוחדת, הפיתוח של הסדרה Nimonic 80A, שהוצגה בשנת 1941, היה סגסוגת ניקל-chromium עם תוספות של titanium ואלומיניום.It סיפקה באופן משמעותי כוח מצמרר על פני נירוסטה 80A, שהוצג בשנת 1941, היה סגסוגת ניקל-chromium עם תוספות של titanium ואלומיניום.It סיפקה כוח זחילה משופר משמעותית על פני מפלדה עקב המשקעים של gamma-pri (me) שלב זה, כמו סגסוגת ניקל ו-Alapéd, 41, אשר הוביל את כוח חולדה, ו-ofd ו-of, כמו , 41.

⁇ מוקדמות אלה היו נגרמים (לדוגמא או התגלגלו) ונשתמכו על שילוב של חיזוק ברזולוציה מוצק (על ידי אלמנטים כמו כרום ו molybdenum) ומשקעים חיזוק (על ידי ⁇ ) עם זאת, גבולות הדגנים שלהם נותרו נקודות חלשות, ואת טמפרטורת השירות המקסימלי עדיין היה מוגבל בערך 950 מעלות צלזיוס. כדי ללכת גבוה יותר, כימאים חדשים ושיטות עיבוד שונות היו נחוצים.

פיתוח מפתח ב Alloy הקומפוזיציה: השולחן הזמני כ- Toolkit

המעטפה של superalloy מבוסס ניקל נקבעת על ידי קוקטייל מאוזן בקפידה של אלמנטים סגסוגת.כל תוספת משרתת פונקציה מסוימת, ואת העלולי המודרני יכול להכיל 10 או יותר אלמנטים.הבנת המורכבות הכימית הזו חיונית כדי להעריך את האבולוציה.

גאמה-פרין לשעבר: הלב של הכוח

  • (FLT:0) Aluminum ו- TitaniumFLT:1hil: ה ⁇ הקלאסי לשעבר.הנפח של ⁇ - אשר יכול לנוע בין 40% ל -70% ב ⁇ המודרנית - באופן ישיר תואם עם כוח עתיר גבוה.
  • (בלטינית:0) Niobium ו-TantalumFLT:1; בדורות מאוחרים יותר, תוספות של niobium (למשל, במשפחה של Inconel 718) ו-Tantalum (למשל, בסגסוגת חד-קריסטל) לשנות את שלב ה ⁇ .

כוח סולידריות-סולול: חיזוק קריפ ליד נקודת המלינג

  • (FLT:0)ChromiumofFLT:1: בלתי ניתן לחמצן ולקורוזיון התנגדות.סופרלוי מוקדם הכילו 20-25% כרום, אבל ככל שהטמפרטורות הגבוהות יותר דרשו שבריריות גבוהות יותר, chromium היה מופחת ל 5-10% בסגסוגת חד-קריסטל, סחר בהתנגדות קורוזיה לעוצמה (ומסמך על ציפויים הגנה).
  • (FLT:0) CobaltigFLT:1: מעלה את טמפרטורת ה- ⁇ solvus ולהפחית את אנרגיית הפגמים של הממטריקס, אשר מונעת את תנועת פירוק ושיפור ההתנגדות המצטבת.
  • (ב) [ה]] [ה][דרוש מקור]] [ה]] [ה[[המאה ה-20]: [ה[[המאה ה-20]], [ה[[המאה ה-20]]]]], [[המאה ה-20]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[[[1924]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[[[1924]]

Grain Boundary and Environmental Elements

  • (FLT:0)Carbon, Boron, Zirconium, ו HafniumFeloLT:1; נוסף בכמויות קטנות כדי לחזק את גבולות דגנים בסגסוגת פוליקליקה קונבנציונלית.הם מחלחלים לגבולות, שיפור דקטיון רפויאליות ומניעת חיפוי גבול דגנים.
  • (FLT:0)Ytrium ו- LanthanumFreaLT:1): אלמנטים תגובתיים הוסיפו בכמויות עקבות (50-500 ppm) כדי לשפר את הדבקות של סולם אלומיניום הגנה, להאריך את חיי הציפוי וסגסוגת הבסיס תחת תנאי חמצון מחזוריים.

קידום שיטות עיבוד: מגרם לקריסטל יחיד

השינוי מעיבוד עופרת להשקעות עם הגשמה כיווןית, ולבסוף ליהוק חד-קריסטל, הוא ככל הנראה הקפיצה הטכנית החשובה ביותר בהיסטוריה של העלולי.

הבאו את Alloys (1940s-1960)

Superalloys המוקדמים הופקו באמצעות ייבוש התכה (VIM) ואחריו קשת אבק (VAR) או אלקטרוסלג remelting (ESR) האינדיגוטס היו אז מזויפים או התגלגלו לתוך שטרות, extruded, ומכונה. בעוד נאות, התהליך הטיל מגבלות חדות של הרכב חמורות: חלקיקים גבוהים של ⁇ הפכו את ⁇ ללא יכולת עקב סדקים אופייניים עבור Nimoniccasting.

Alloys (1960s–1970s)

ליהוק השקעות אפשר ללהבים ליד-net-shape עם שבריריות גבוהות יותר.עם זאת, גרגרי דגנים מזוהים עם אוריינטציה אקראית עדיין היו גבולות דגנים לציר הלחץ הראשי, המוביל לכישלון מוקדם על ידי קביעות זחילה.

סולידריות (DS) (1970s–1980s)

על ידי שליטה על החילוץ החום במהלך הגשמה, מהנדסים יכולים לגדול גרגרי טורד תואמים עם ציר הלהב, חיסול גבולות דגנים טרנסנדאליים. פריצת דרך זו, חלוצי על ידי Pratt & ויטני ( ⁇ DS המסחרי הראשון: PWA 1422), הכפיל את החיים המצטפים.כיוון מוצק (DS) , blades הפך סטנדרטי בטורבינה גבוהה.

טכנולוגיה בודדת (SX) (1980s-Present)

כדי לחסל לחלוטין את גבולות הדגנים, ליהוק יחיד פותח. aזרע קריסטל או גרגר (a ספירלה "pigtail") מבטיח כי רק אחד אוריינטציות גבישיות דרך הלהב.זה מסיר את גבולות דגנים לחלוטין, חיסול חירש בין-גרנרית ומאפשר טמפרטורות שירות גבוהות יותר (Ricle-Cgendle-R) הראשון-crystal יחיד-cstallelelelelelelelelelelelelelelelelelele, PWA 1480, הוצג על ידי Pratt2x2x2 X), ולאחר מכן, ולאחר מכן, RX2 X2 X), ולאחר מכן, לאחר Cgendnx2 X-R (R) עם Cgendn-Ric) סגסוגת Cgendn-Ric II-Ric 2D2 XD2 XD2 XD2 XD2 XD2 XD2 X) עם Cgend) עם Cgend) עם Cgendn-Ricstert 2x2 X-R.

מיקרו-מבנה וחיזוק מכניזם

הביצועים יוצאי הדופן של ⁇ אלה נובעים ממיקרו-מבנה מהונדס בקפידה.מבנה המיקרו הטיפוסי מורכב:

  • (ב) ⁇ מטריקס מטריקס: 1 (הפתרון המוצק של ני עם קו, Cr, Mo, W, Re): רך אך דיקטטורה, מספק יציבות רבה.
  • (FLT:0) ⁇ PrecipitatesFLT:1 (הזמין L12 מבנה של Ni3Al): חלקיקים קבונדידים או הרואין ל- 0.5 מיקרומטר בגודל, מבוזרים בצפיפות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שני מנגנוני חיזוק מרכזיים שולטים.(FLT:0)Orowan עקף את FLT ( 1:1 של חלקיקים ⁇ דק במעברי טמפרטורה נמוכה יותר ל-FLT:2dislocation מטפסים FLT 3: בטמפרטורות גבוהות יותר.ההתנגדות המצטפת של ⁇ SX מודרנית היא יוצאת דופן: חיי קרע של 100+ שעות ב-1,000 מעלות צלזיוס ו-200 MPa הם טיפוסיים על ידי השבר הגדלה של השבר (R) על ידי השבר לכדי עלייה של ריבועים (Rreventure) על ידי השבר (Ricrecarecarecarecarecarecarecarecadation) על ידי ⁇ ) ב- 70%) על ידי הגדלה, 000) ו-a) על ידי הגדלה, 000 של ⁇ ⁇ (Rrecarecarecarecarecarepfusion) על ידי ⁇ (R).

אוקסידציה ו-Corrosion Resistance: הקרב נגד הסביבה

בטמפרטורות התפעוליות של טורבינות, ה- Superalloy הבסיסי יידרדר במהירות אם לא מוגן. ⁇ עצמה חייבת ליצור קומפקטית, איטיה, קומפקטית מדבקת חמצני - באופן חד-משמעי:0alumina (אל2O3)uaFLT:1 או FLT:2chromia (C2O3)Falphcio 3, 000 סגסוגת מודרנית עם רמות גבוהות של אלומות 3400 (כ"ג) אשר יכול להיות פחות מ- C2C) עם C2O2O) עם סגסוגת C2O3 ° C2C, לעומת זאת, לעומת זאת, 000 סגסוגת גבוהה יותר (בסביבות C2O 3.

כדי לפתור את זה, ציפויים תרמיים מתקדמים (TBCs) מוחלים בדרך כלל zirconia stabilized (YSZ) העליון מעיל ( מוליכות תרמית נמוכה) ו affusion aluminide או MCrAlY אג"ח מעיל.com פועל כמו אל המאגר, חידוש סולם אלומיניום.

מחקרים: דורות של אלוי בלתי ניתן

Inconel 718: The Workhorse

(הידוע בשנות החמישים (ההנחה: Ni-19Cr-18Fe 3Mo-5Nb-0.9Ti-0.5Al), Inconel 718 משתמשת בשלב gamma-double-prime ( ⁇ ) (Ni3Nb) לחיזוק.9Ti-0.5Al), אי-יציבותוולד, ועלויות מתון הפכו אותו לסופרוי הנפוץ ביותר בטורפות גז, במיוחד עבור זמני נמוך יותר, לדוגמה:0F גרם לרכיבים:

CMSX-4: תקן הטיפוח השני

פותח על ידי Cannon-Muskegon Corporation, CMSX-4 (התערות: Ni-6.5Cr-9Co-0.6Mo-6W-3Re-5.6Al-1Ti-6.5Ta-0.1Hf) הפך למדד עבור להבים טורבינות יחיד-קריסטל. תוספת של 3% הרואין סיפקה שיפור של 30-50 מעלות צלזיוס ביכולת טמפרטורה של מעל סגסוגת SX (כמו C-2X) כיום, כמו C2, עדיין בשימוש נרחב של כלי תותחי גז תעשייתי.

סדרת TMS: Pushing the Frontier

המכון הלאומי של יפן למדע חומרים (NIMS) פיתח סדרה של ⁇ SX ניסיוני (TMS-75, TMS-138, TMS-238) אשר מדגימים את הדור הרביעי.אלה מכילים ruthenium כדי לדכא את הסגידה הסגנית הסגנית (TCP) שלב של שלב פיגורציה, שלב פיגור של זמן, כאשר תוכן עולה על 6%.

מגמות העתיד והעתידיות: Horizon

טמפרטורה גבוהה יותר, דחיינות נמוכה, עלויות נמוכות יותר

מחקר זה מונחה על ידי הצורך בטמפרטורות טורבינות גבוהות יותר (כדי לשפר את היעילות ולהפחית פליטות CO2) תוך הורדת משקל ועלויות.הדחיסות של Superalloys גדלה כמו Re ו- W מוסיפים (CMSX-4 צפיפות - 9.0 גרם / ס"מ 3) עבודה עתידית מתמקדת על FLT:0reduction או החלפת rheniumFLT:1 עם תחליפים נמוכים יותר (לעיתים קרובות), בעוד שבסיסה הוא מורכב (Factystration-Facty) עם תכונות מורכבות (מפרק 2, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, סגסוגת מורכבת).

מטריקס מתקדם ו Ceramic Matrix Composites

בעוד Superalloys יישארו הכרחי לעתיד הנראה לעין, הם דוחפים למגבלות התרמודינמיקה שלהם (נקודת האבטיחות - 1,350 מעלות צלזיוס) להגיע 1,700 מעלות צלזיוס+ טמפרטורות אינלט, המנועים מסתמכים במידה רבה על TBCs ועל ⁇ :0ceramic matrixs (CMCs) מטבול 1 עבור מזחלות ו-buss.

ייצור תוספת של Superalloys

אלקטרון דבורים מתמיס (EBM) ו- לייזר סלקטיבי (SLM) נחקרים על ייצור גיאוגרפיה קירור פנימית מורכבת ב- SX להבים.עם זאת, שמירה על אוריינטציה חד-קריסטלית באמצעות שכבת שכבת-על-ידי שכבתית היא מאתגרת, וסדקים חמים במהלך ייצוב הוא בעיה עיקרית.

אחריות ומחזור

Superalloys מכילים אלמנטים קריטיים יקר אסטרטגי (Re, Ta, W, Co) Closed-loop של ריצוף מ machining ו- blades הוא הופך כלכלי והכרחי. כמה OEM מציעים עכשיו ⁇ "revert" עם עד 100% תוכן ממוחזר.העתיד ידרוש ⁇ s נועדו עבור שקיפות קלה יותר והחלמה של אלמנטים יקרים.

מסקנה

האבולוציה של superalloys מבוסס ניקל עבור מנועי טורבינות היא סיפור יוצא דופן של חומרים מדע co-engineering עם צרכים הנעה.מ הראשון gamma-prime precipitate ב Nimonic 80A לדור הרביעי של סגסוגת יחיד-קריסטלית ממשיכה חיזוק של תעשיית ה- 2, עם תוספות של ruma-prime, כל התקדמות כבר מונעת על ידי הבנה עמוקה של טמפרטורות גבוהות יותר, בעוד כימאיץ, בעוד כימאיץ יציב, כמו לחץ חזק יותר של יציבות, כמו לחץ דם יציב של יציבות גבוהה יותר של יציבות סביבתית, כמו לחץ חזק יותר, כמו לחץ חזק יותר של יציבות גבוהה יותר של לחץ על ידי מערכת העצבים יציב של לחץ חזק יותר של לחץ חזק יותר של לחץ דם יציב של לחץ חזק יותר של לחץ חזק יותר של לחץ דם יציב של לחץ דם יציב של יציבות סביבתית, כמו טמפרטורות חזק יותר, כמו לחץ דם יציב של יציבות.

(ב) ויקרא י"ד:

  • [ה]המרכז לחקר גלן [ה]: [ה] [ה]: [ה] [ה]]: [ה] [ה]] [ה]: [ה] [ה]]]] [המרכז לחקר] [ה] [ה]: [ה] [ה] [ה] [המרכז] ההיסטורי והעתידי]
  • (ב) [המרכז] לרכיבים חדשים[דרוש מקור]: 2 [ה]
  • [ה]ה[[המאה ה-20]]: [[1924]]]]]]]]]]
  • [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]